超光速的试验

1.量子交缠态（EPR态）与超距作用
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和 罗森提出两个一维粒子的量子态 （现在称之为EPR态）
(x1,x2) =∫dp exp[ip(x1-x2+x0)/] =2(x1-x2+x0),
这是一个交缠态。
EPR思想实验（瞬时传态）
•在这个交缠态中， 每个粒子的坐标是不确定的， 但是， 两个粒子的相对距离是确定的。 •如果x0很大，即两个粒子相距很远， 没有因果联系， 测量前，每个粒子的坐标是不确定的， 一旦测得一个粒子的位置为x1， 则另一个粒子的位置 立即完全确定（为x2=x0-x1）。
假设这两个粒子从源产生的时候总动量为零， 它们沿相反的方向自由运动。 两个粒子在分开前有相互作用，分开后设没有。 这两个粒子组成的系统的状态用|1>|2>表示。 第一个粒子的自旋为+1/2，则第二个应为-1/2， 这种情况表示为|1(+)>|2(-)>， 第一个粒子的自旋为-1/2，第二个为+1/2， 这种情况表示为|1(-)>|2(+)>。 只有这两种情况，因此
其中c为真空中的光速， n()为该光学介质的折射率，
光脉冲在光学介质中传播的近似理论， 脉冲的波峰的传播速度为群速度
vg=c/ng,
其中群折射率 ng=n+dn/d|=， 为波包的中心频率。 dn/d是光学物质的色散。
vg
1 Re 1 Re 2 2
光存储
控 制 光
探 测 光
介 质
无反转激光
单光子开关
光子
控制光
光子
初始原子
关于光速
•首次计算出光速 •光是电磁波 •光速作为基本测量标准 •光速不变原理是相对论的基础 •光线在引力场中弯曲 •光速是速度极限
首次计算出光速
丹麦天文学家罗默（Ole Romer）在17世纪首次 成功地计算出光速。 用木星的一颗卫星有规律的轨道运动作为计时器 每次这颗卫星被巨大的行星（木星）所掩食， 他便记录下一个“滴答”。 但他发现，从地球上观察， 这些滴答的出现并不像预想的那么规律， 在一年之中会时而快几分钟，时而慢几分钟。
[1] Jian-Wei Pan, Dik Bouwmeester, Matthew Daniell, Harald Weinfurter and Anton Zeilinger， Experimental test of quantum nonlocality in three-photon GHZ entanglement， Nature， 3 February 2000, Vol. 403, No. 6769, p. 515
•在其中出现“超光速”现象的介质 称为“快光（fast-light）”物质。
光脉冲在光学介质中传播的速度 没有精确的定义。
任何脉冲都是 一些具有不同频率的正弦基波 的组合。
单个正弦基波在光学介质中传播， 具有确定的相速度
v=c/n()，
对于不同的频率 有不同的折射率， 因而有不同的相速度。
|> = （1/2）（|1(+)>|2(-)> + |1(-)>|2(+)>）
量子隐形传态 （teleportation）
量子超空间传输的实验 已在1997年实现了
（见Nature,390,575.1997）。
2000年， Nature发表潘建伟等的 实验结果， 证明三个光子的纠缠态的 量子非局域性[1]。
出射光脉冲在入射脉冲峰值进入介质之前出现， 但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了。
王理军（Lijun Wang）博士是美国普林斯顿大学NEC物理科学研 究所的华裔科学家（1992年美国Rochester大学物理学博士）。 他说，量子力学的最重要的结论之一是我们必须接受“测量的精度 在客观上存在一个限制”的事实。我的研究兴趣在证认这种限制的 许多不同的方面.我的部分研究将指向光学技术的应用方面。王理 军在他的博士学位学习期间的研究是在量子光学和激光物理方面。 他在Duke大学的博士后研究工作是关于光与物质的相互作用以及 原子的操作。他最近作的工作是观察光脉冲的超亮传播 （superluminal propagation）。这一工作结果2000年在英国 《自然（Nature）》杂志。 [1]
分别独立地完成将光停下来的实验。
[1] Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Lene Vestergaard Hau, Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses, Nature, 409, 490-493(2001) [2] Michael M. Kash, Vladimir A. Sautenkov, Alexander S. Zibrov, L. Hollberg, George R. Welch, Mikhail D. Lukin, Yuri Rostovtsev, Edward S. Fry, and Marlan O. Scully，Ultraslow Group Velocity and Enhanced Nonlinear Optical Effects in a Coherently Driven Hot Atomic Gas，Phys. Rev. Lett. 82, 5229 (28 June 1999)；
Ronald L. Walsworth 和 Mikhail D. Lukin， Phy. Rev. Letts., 2001
4.天文学中的超光速现象
•类星体有时喷出 速度比光速快得多的喷流。 •宇宙在膨胀， 星系彼此远离。 星系之间距离越远， 互相分离的速度越大。 如果星系之间足够远， 它们退行的速度就比光还快。
2.量子隧穿与超光速
1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的
Raymond Chiao证明：
量子理论还允许另一种 超光速旅行存在： 量子隧穿。
Chiao通过测量可见光光子 通过特定过滤器的隧穿时间， 证明了“超光速”隧穿效应的存在。 结果隧穿光子先到达探测器， 证明它们穿越过滤器的速度 可能为光速的1.7倍。
光
3.1 一个光子分为反射光和透射光 3.2 透射光通过多个分光器 3.3 反射光和透射光汇聚于第二个分光器
1 光的干涉、衍射和偏振实验---光的波动性 2 光电效应实验---光的粒子性 3 单光子分光实验---光子不可分
1.一个光子分为反射光和透射光
2.透射光通过多个分光器
透射光通过多个分光器
经典的随机性可通过获取其信息而成为确定， 如掷一次硬币，掷前每一面朝上的几率都是1/2； 掷后若朝上的一面的几率为1， 则另一面朝上的几率为0； 量子随机性不可移去， 如一个光子经过一次分光器后， 透射光仍有1/2的几率再一次被透射， 1/2的几率再一次被反射。
3.反射光和透射光汇聚于第二个分光器
以此， 可以进行
量子无损害测量，
可以作为
量子计算机的基本元件。
光速
0 前言 1、关于光速 2、一些实验结果 3、超光速理论 4．光速仍是信息速度的极限 的最新实验根据 5、评述
•运动速度超过光速的现象 称为超光速现象或超光速效应， 简称“超光速（superluminal）”。 •超光速运动的粒子称为超光速粒子， 或快子（tachyon）。
美国普林斯顿大学研究员王理军[2]，最近利用光脉冲通 过一个充满特制铯气的密封容器，结果出现不寻常现象， 该束光脉冲竟然几乎“同一时间”在容器两端不分先后地出 现，并到达容器以外60英尺处。速度达到每秒18.6万英 里，相当于光速300倍，这是一项重大发现。在经典物理 学的范围内，依据爱因斯坦的相对论，包括迄今为止的所 有实验结果均确认，真空中光的速度是物体速度的极限。 在量子物理学中，量子的非定域性（non-locality） （曾被看作是奇怪的、超光速的“超距作用”）和量子远距 传态（teleportation）等，近年已为实验所证明。 但是还未发现信息传播的速度超过真空中的光速。
在两条光路相等的情况下，D（1）以100%的几率探测到， D（2）以0%的几率探测到。
当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前， 用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉， 光子以1/2的几率被探测器D（1）和D（2）所接收.
当光到达第二个半镀银的玻璃片M（2）之前， 用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉， 光子以1/2的几率被探测器D（1）和D（2）所接收.
5.宇宙暴涨与超光速
如果光速是任何信号传递速度的上限， 相距遥远的区域就不能达到热平衡。 因为没有任何东西能够 在大爆炸发生以后走完这段距离。 而如果两个区域不能交换热量， 它们也就不会达到相同温度。 但宇宙在大尺度上是相当均匀的。 宇宙曾经历了超光速的暴涨时期。
6. 脉冲“超光速”的实验[1]
3.使光速变慢甚至完全停止
1998年美国哈佛大学的 Lene Vestergaard Hau宣布， 她把光速降到了每秒17米。 2001年，她使光完全停止了。 她的研究小组所用的材料， 是处于玻色－爱因斯坦凝聚态的物质。
2001年1月19日
Nature发表了Hau领导的小组[1]
和R.L. Walsworth 和 D. Lukin[2]
c
在典型的光学物质中， 存在一个狭窄的光谱区域， 出现dn/d < 0， 即所谓反常色散。 在这样的区域中，
ng可能小于1甚至为负。 这就导致“快光”。
即光脉冲的波峰可能在 还没有通过光学物质的入口之前 就出去了。
慢光 慢光
17米Fra Baidu bibliotek秒
Lene Vestergaard Haum S.E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature 397, 594 (1999)
光速作为测量标准
1983年，光速取代了米被选作定义标准， 约定为299,792,458米/秒， 数值与当时的米定义一致。 秒和光速的定义值， 表示1米从此定义为 光在真空中1/299,792,458秒内走过的距离。 因此自1983年以来， 不管我们对光速的测量作了多少精确的修正， 都不会影响到光速值， 却会影响到米的长度。
罗默计算出， 这些时延是木星和地球在绕太阳运动时 它们之间的距离变化所引起的。 通过计算一年里地球、木星及其卫星 在轨道上的相对位置， 他算出了光穿过宇宙空间的速度。 罗默于1676年向法国科学院提交了他的结果， 数值与目前被接受的值之差不超过30%。
用c=fλ 计算光速（c）
1米定义为氪-86源产生的光的波长的 1,650,763.73倍， 1秒则定义为铯-133原子超精细跃迁放出的 辐射频率的9,192,631,770倍。 这使得c达到非常高的精度， 误差只有十亿分之几。
2 一些实验结果
2．1． 量子交缠态（EPR态）与超距作用 2．2． 量子隧穿与超光速
2．3． 介质中的超光速现象，切伦科夫辐射
2．4． 使光速变慢甚至完全停止
2．5． 天文学中的超光速现象
2．6． 宇宙暴涨与超光速
2．7． 在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c
2．8． 中微子质量平方为负 2．9． 宇宙微波背景辐射作为绝对静止坐标系
光速不变原理是相对论的基础
光速还关系着比长度更加基本的东西。 光速的真正重要性在于： 光速不仅仅是光子在真空中运动的速度， 还是连接时间与空间的基本常数。 相对论基于一个通用原则： 相对任何以恒定速度运动的观察者来说， 不管这个速度是多少， 物理原理及光速都是一样的。 确定了光速在物理学中的根本地位。
光线在引力场中弯曲
穿越时空的光线， 在大质量物体附近会弯曲。 1919年日食期间观测 掠过太阳附近的星光 被太阳的质量所弯曲而得到证明。
光速是速度极限
相对论和大量现代实验证明， 没有任何静止质量不为零的物体能加速到光速。 任何（包括静止质量为零的）物质的运动速度 不能超过真空中的光速。 不论我们建造动力多么强劲的火箭飞船， 它们也永远不能到达光速。 一个物体的动能增加， 它的惯性也增加， 从而越来越难继续加速。