激光的速度不上比光还快么,它能穿越时空吗?

激光就是光,速度是每秒30万公里,而不是31万KM/秒
时间与空间看上去当然是不同的,这依赖于你是在地球上还
是在宇宙空间里.爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空几何
结构的扭曲.这种说法的一个推论,就是始终沿可能的最短路径
穿越时空的光线,在大质量物体附近会弯曲.这在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.这
一观测使爱因斯坦的理论最终得到接受,并为他赢得了世界性的
声誉.
但按照基本力学原理,如果光线偏转,它会被加速.这是否
将使光速发生变化,动摇相对论的根本原则?在某种意义上是对
的：我们从地球上观察到的光速,在它从太阳附近经过时确实会
变化.然而相对论和光速不变原理不能被抛弃.
引力的恶作剧——眼见不为实
爱因斯坦认识到,引力是无法自由运动的观察者们经历的某
种幻象.想象从一堵墙上跳下.在自由落体的过程中,你不会感
动周围的引力作用,但任何在地面上瞧着你落下来的人,都会解
释说你的运动是引力的作用所致.同样的说法对空间站中的宇航
员也适用：他们被提及时总是说成时处在“零重力”环境里,但
从地球的表面往上看,我们会用引力吸引来解释他们绕地球的轨
道运动.所以当我们从地球上观察时,经过太阳附近的光线看上
去弯曲、加速了,但如果我们自由落体地落向太阳,光线看上去
会以恒速沿直线经过我们身边.对任何自由落体的观察者来说,
经过他的光线都以恒定速度运动.不过,它在掠过扭曲其附近时
空的大质量物体时,看上去会弯曲和加速.
相对论另一个奇怪的推论是,没有任何物体能加速到光速.
不和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.这是因为物体运动得越快,其动能越大,惯性也越大.爱因
斯坦在他的E=mc2公式中指出,能量和质量或者说惯性相关联.
因此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.这是一个收益递减原理：你对一个物体做的功越多,它就
变得越重,加速的效果也越微弱.
把单一电子加速到光速,就需要无限的能量,粒子物理学家
们对这一限制深有感触.质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米
实验室的Tevatron加速器时,它们的速度已经达到光速的99%.
加速器的最后阶段使质子的能量提高了100倍,但速度仅增加到
光速的99.99995%,与它们进入加速器的速度相比,提高不足1%.
不过,一直与相对论有冲突的量子理论看上去是允许物质以
大于光速的速度运动的.在20世纪20年代,量子论显示一个系统
相隔遥远的不同组成部分能够瞬时联系.例如,当一个高能光子
衰变成两个低能光子时,它们的状态（例如,是顺时针或逆时针
自旋）是不定的,直到对它们中间的某一个作出观察才确定下来.
另一个粒子看上去感知到它的同伴被进行了一次观测,结果是任
何对第二个粒子的测量总会得到与对第一个粒子的测量相一致的
结果.这样远距离的瞬时联系,看起来像是一个讯息以无限大的
速度在粒子之间传递了.它被爱因斯坦称为“幽灵式的超距作
用”,听起来难以置信,但却是真实的现象.
1993年,加利福尼亚大学伯克利分校的Raymond Chiao表明,
量子理论还允许另一种超光速旅行存在：量子隧穿.想象朝一堵
坚实的墙上踢一个足球,牛顿力学预言它会被弹会,但量子力学
预言它还有极小的可能出现在墙的另一面.考虑这种情况的一种
途径,是想象它能“借”到足够的能量穿越墙壁,并在到达另一
面之后立即将能量归还.这并不违反物理定律,因为最终能量、
动量和其它属性都得到了保存.德国物理学家维纳·海森堡的测
不准原理表明,在一个系统中,总有某些属性——在这一情况中
是能量——的值是不能确定的,因此量子物理学原理允许系统利
用这种不确定性,短时间借到一些额外的能量.在隧穿的情况中,
粒子从障碍物的一面消失又从另一面重现的需要几乎可以忽略不
计,障碍物可以任意的厚——不过随着厚度增加,粒子隧穿的几
率也就迅速地朝零的方向递减.
Chiao通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间,证
明了隧穿“超光速”隧穿效应的存在.为此,他让这些光子与在
相似时间内穿过真空的光子进行比较.结果隧穿光子先到达探测
器,Chiao证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的1.7倍.
1994年,维也纳技术大学的Ferenc Kraus表明,隧穿时间有
一个不依赖于障碍物厚度的上限,这表示光子隧穿障碍物的时间
没有上限.德国科隆大学的Gunter Nimtz也用微波实现了这种
“超光速”.他甚至把莫扎特第40号交响曲调制在信号上,以
4.7倍光速的速度将它传输通过12厘米厚的障碍物.
全速前进——信息传递的极限
上述这些想法看上去都动摇了禁止超光速的相对论原理.然
而它们都没有,因为相对论所禁止的实际上是信息的超光速传输.
实验已经表明两个量子物体之间的“瞬时联系”不能用来传递信
息.隧穿效应也受到同样的限制.这是由于量子理论是一种内在
统计规律,它依赖于大量粒子群体的性质.因此几个光子超越时
间是不能用于传递信息的.隧穿效应使输入的波形变形,使之产
生一个可能比预期时间更早被接收到的波峰.然而,信息不是由
单一波峰携带的,而是由整个波包传送,后者不会运动得比光快.
对隧穿效应的谨慎分析结果,似乎支持信号的信息内容仍受到光
速限制的说法,尽管这仍是一个有争议的话题.
信息传递的这一速度限制保护了因果律,即一个事件的结果
不能比该事件更早发生.如果不是这样,以不同速度运动的观察
者将永远不会对一系列特定相关事件的顺序得出相同的结论.有
的人可能打了一个茶杯,看到它的碎片四散开来,另一个观察者
却可能先看到碎片,然后才看到茶杯落下.如果没有信息传递速
度的这个限制,宇宙看起来会非常的古怪.
尽管在真空里不可能使一个有质量的粒子运动得比光更快,
在“折射率”超过1的物质内部,就不是这样.例如在水里,光
运动的速度是其真空速度的60%.光在不同的透明材料里速度会
放慢,这一事实在300年前就被人发现.它能够解释光的折射和
散射,这也是所有光学仪器背后的原理.折射的产生,是因为光
子——组成光的独立能量单位——与原子内部的电子产生相互作
用.光子在原子之间以全速运行,但在穿过材料的过程中反复地
被吸收和重新释放,因此它们所携带的信息传播的速度会下降.
于是,像高能电子这样的粒子在水中完全可能比光在同一介质中
运动得快.这种情况下,它们产生电磁波,后者的运动速度没有
粒子快,就会沿运动方向聚集形成一个剧烈的冲击波,这与超音
速飞机产生音爆的机理相同.物质介质中运动得比光快的粒子产
生的这种辐射称为切伦科夫辐射,常用于检测其它运动得比光快
的不可见粒子,例如在东京宇宙线研究所神岗宇宙粒子研究设施
中装满水的巨大探测器里寻找中微子.
大多数物质不会使光速明显变慢,在一般物质里,光速可下
降的幅度不超过50%左右.然而,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.当然,她的研究小组所用的不是普通材料,而
是处于所谓（继固态、液态、气态和等离子态之后的）第五种物
质状态：玻色－爱因斯坦凝聚态的物质.
这种非同寻常的物质由一团原子云组成,这团原子云冷却到
绝对零度以上百万分之一度,从而形成玻色－爱因斯坦凝聚.它
实质是一个单一的量子物体,有点像一个巨大的原子,其中所有
的原子都处在同一量子态上,以同样方式运动,仿佛它们就是一
个物体.
使光速变慢的技巧,在于用两束垂直相交的光速照射玻色－
爱因斯坦凝聚体.其中一束携带信息,称为探测光；另一束称为
耦合光.耦合光照射到凝聚体上时,会使它变得完全透明,从而
使探测光能够穿过.
钠原子的最外层轨道上有一个电子,探测光与这个电子之间
的相互作用对这一过程非常关键.当一个原子从探测光速吸收一
个光子时,外层电子跳到一个较高的能级.很短一段时间之后,
它又跌回到原来的能级,释放出一个光子.不走运的是,这个过
程完全是随机的,因此原有光束中所有的信息都丢失了.
探测光脉冲频率不同的组成部分在穿过凝聚物时速度不同,
这样的结果是一个输入脉冲在钠原子云中聚成一团,缓缓通过,
其间原子的自旋受脉冲的影响发生变化.如果耦合光在此时被撤
去,光脉冲（或至少是其中的信息）就被束缚在原子的自旋方式
里,光束实质上停止了.耦合光再次亮起,凝聚物就重新释放出
光脉冲.
放慢或停止光的脚步,可能在运算方面获得实际应用.物理
学家长久以来一直想制造光计算机,利用光速而非电子来传递信
号、执行运算.他们还希望造出量子计算机,利用原子的量子态
和奇异的量子原理来制造运算能力超强的处理器.Hau对付光的
技巧还可能帮助科学家们模拟光在黑洞附近的行为.实际上,研
究光速也许是解开宇宙最深奥秘——那些由光速帮助决定的奥秘
——的最佳途径.
补充1：光的恶作剧和空间中的幻觉
存在许多物体看上去运动得比光快的例证.但实际上它们并
不违背相对论原则.例如扫过电视屏幕的电子束所绘出的线,理
论上可以运动得比光快,这种现象的原因是屏幕上位置连续的荧
光像素由不同的电子激发.因此实质上并没有什么东西以比光更
快的速度从一点运动到下一点,仅仅是因为它们以某种顺序发出
亮光,所以看上去是那样.
天文学家在宇宙空间中看到了超光速的幻觉：类星体有时喷
出看上去速度比光速快得多的喷流.为了测量这些喷流的速度,
天文学家需要对其位置进行两次测量,以这两次测量之间的时间
来推算喷流的速度.但如果这速度比光速快得多,其间是有充分
理由的：因为喷流是直接朝向观察者喷发的.这样,接下来的观
察就必须考虑到气流离观察者更近了,它发出的光到达地球所需
的时间减少了.这使得在两次观察的间隔中,喷流运动的距离看
上去比实际距离要远.
两位美国天文学家——埃德温·哈勃和维斯托·斯里弗在20
世纪20年代发现过另一个幻觉.他们发现宇宙在膨胀,星系就像
爆炸产生的残骸一样在彼此远离.不过在这一事例中,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.因此如果这种显而易见的扩展是由于星系
在空间中奔行所致,相对论关于没有物体能运行得比光快的原则
就被打破了.但事实上这也是幻觉.星系的超光速运动事实上是
星系之间的空间在扩张所致.不管人们认为他们看到的是什么,
光速仍未被超越.
补充2：均匀宇宙中的不均匀光速?
在宇宙学中,有一个问题称为“视界问题”（Horizon
Prolem）.光速可能并非一直是它现在这么大.如果它会随时间
变化,并且在过去曾经比现在快得多,就可能帮助解开这个宇宙
学之谜.
如果光速就是任何信号传递速度的上限,宇宙中相距遥远的
区域就没有理由达到热平衡.简单地讲,就是因为没有任何东西
——包括热——能够在大爆炸发生以后的时间里走完这段距离.
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.
然而,宇宙在大尺度上是相当均匀的,因此过去其中必然存
在某种联系,对此听起来最合乎情理的解释称为暴胀理论.该理
论认为,在非常早的时候,在哈脖发现的那种从容不迫的扩张开
始之前,宇宙曾经历了一段指数扩张的时期.
但这种迅速的暴胀面临着它自己的光速问题,这促使物理学
家们想到,早期宇宙中的光速可能与现在不同.如果光速过去曾
比现在快得多,就会允许“视界”扩散得更远,从而可以达成热
平衡.