超光速研究：打“相對論”的主意
黃志洵教授超光速新進(jìn)展“到公元2010年左右，半導(dǎo)體芯片制造業(yè)將遇到嚴(yán)重障礙——不是由于技術(shù)消滅，而是由于量子物理法則………在將來，不懂量子物理學(xué)的人可能無法再稱自己為電子學(xué)家。”多年來一直鐘情于超光速研究的北京廣播學(xué)院教授、中科院電子所客座研究員黃志洵表達(dá)了自己的憂慮。
我們知道，相對論和量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)的基石，二者都以違反人們的日常經(jīng)驗(yàn)而聞名。它們雖然也有結(jié)合運(yùn)用以解決科學(xué)問題的事例，但從根本上講卻常常呈現(xiàn)矛盾和不協(xié)調(diào)。
近幾年，許多科學(xué)家相繼報(bào)告了有關(guān)超光速實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果，例如，美國伯克利加州大學(xué)以 R.Chiao為首小組所作的“光子賽跑”實(shí)驗(yàn)，得到光子速度1.7c(c是光速)；德國科隆大學(xué)G.Nimtz教授在微波測到的結(jié)果是4.7c和4.34c。在中國，早在1985年，黃志洵教授就發(fā)表了“波導(dǎo)截止現(xiàn)象的量子類比”的論文，這一科學(xué)思想的提出要比國外學(xué)者早幾年的時(shí)間。
許多學(xué)者都預(yù)言，解決它們的不協(xié)調(diào)問題將是未來科學(xué)研究無法回避的問題。
黃教授認(rèn)為，有關(guān)超光速研究的許多新進(jìn)展啟示我們，這將是相對論、量子力學(xué)、電子學(xué)、信息理論這樣幾門學(xué)科的交匯點(diǎn)，在新世紀(jì)即將到來時(shí)非常值得我們重視。實(shí)際上，關(guān)于超光速研究、量子理論中的非局域性問題、量子纏結(jié)與量子遠(yuǎn)距傳物、量子通信與量子計(jì)算機(jī)等等，國內(nèi)外時(shí)有文章或新聞報(bào)道出現(xiàn)，非常引入注目…“有的學(xué)術(shù)刊物不愿討論例如超光速、引力波之類的前沿問題，認(rèn)為會引起爭論、爭鳴。其實(shí)，科學(xué)正是需要通過爭論、爭鳴才能發(fā)展。還有一些人是怕影響了偉大的愛因斯坦的形象。黃志洵坦言，他自青年時(shí)代起就很崇拜愛因斯坦，但對他一貫反對量子力學(xué)的態(tài)度絕不茍同。
研究超光速問題究竟有何意義?黃教授認(rèn)為，這方面的研災(zāi)不僅與相對論、量子力學(xué)、電子學(xué)、信息理論密切相關(guān)，而且也將促進(jìn)半導(dǎo)體科學(xué)、量子光學(xué)、微波工程技術(shù)、量子信息學(xué)學(xué)科的進(jìn)步和發(fā)展，是名符其實(shí)的邊緣學(xué)科。目前，超光速問題直接聯(lián)系著對負(fù)能量、負(fù)質(zhì)量、虛粒子、真空本質(zhì)、超弦、量子勢與量子場等問題的研究，無論結(jié)果如何都將大大促進(jìn)人們在物理學(xué)乃至哲學(xué)上的思考。因此，在科學(xué)討論上設(shè)置禁區(qū)是不可取的。此外他還建議，我國的工科大學(xué)應(yīng)適當(dāng)安排量子理論方面的教學(xué)，使大學(xué)生對薛定諤方程、海森堡測不準(zhǔn)關(guān)系式、量子隧道效應(yīng)、EPR，思維實(shí)驗(yàn)等有一定了解，以適應(yīng)21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新形勢。
黃教授很高興地提到一件有趣的事： 1999年11月21日，我國載人航天工程的第一艘飛船“神舟號”飛行試驗(yàn)成功，然而，在返回艙下降到離地面數(shù)十公里高度時(shí)，艙外生成等離子體層，致使地面與其通信聯(lián)系短時(shí)中斷；而在黃教授的《超光速研究)一書中，恰好有一篇文章是論述“波在電離氣體中的截止現(xiàn)象和消失場特性”，實(shí)際上是用截止波導(dǎo)理論去處理電磁波通過等離子體時(shí)會發(fā)生的情況，這顯然具有直接的參考價(jià)值。這件事也證明，基礎(chǔ)理論研究的意義是不容忽視的。
黃教授認(rèn)為，許多人由于對超光速研究的不甚了解，常將其形容為“旁門左道”、“打愛因斯坦主意”。
對于黃教授的超光速研究，中國科學(xué)院院士黃宏嘉給予了很高的評價(jià)，認(rèn)為它“涉及物理學(xué)之艱深部分。”中國工程院資深院士孫俊人則認(rèn)為黃的超光速研究很有意義，內(nèi)容具有預(yù)見性和超前性?！犊茖W(xué)時(shí)報(bào))2OOO．1．4文／趙彥
如果宇宙的起源不是大爆炸，那會是什么？
作者: 闕志鴻 ( January 10, 2000, 01:44 PM )「宇宙的起源是一場大爆炸，它炸開了空間，也創(chuàng)造了時(shí)間；星系、星球、地球、空氣、水和生命就在這個(gè)時(shí)空里漸漸形成。」這是連愛因斯坦都相信的理論。但這個(gè)學(xué)說在最近一、兩個(gè)星期內(nèi)開始受到嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。如果大爆炸理論是正確的，那么這個(gè)空間里所有的物質(zhì)應(yīng)該生于大爆炸之后，這是個(gè)因果關(guān)系。雖然愛因斯坦的相對論原則上不需有絕對的時(shí)間和空間，但是如果宇宙有一個(gè)起源，它就有一個(gè)絕對時(shí)間的原點(diǎn)，破壞了時(shí)間的相對性，所以這個(gè)因果律便是一個(gè)絕對的定律。最近美國的哈伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到一些現(xiàn)象，顯示這個(gè)絕對的因果律出了問題。也就是說宇宙可能沒有起源，就像相對性的空間一樣，時(shí)間也是沒有原點(diǎn)，時(shí)間也不是絕對的。
哈伯太空望遠(yuǎn)鏡的觀測顯示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那么爆炸距現(xiàn)在的時(shí)間是小于很多老星球的年齡。最老星球的年齡可達(dá)一百六十億年，但觀測顯示爆炸的時(shí)間頂多是一百二十億年前而已。這個(gè)發(fā)現(xiàn)上星期在英國的``自然''雜志發(fā)表，引起天文物理界莫大的震撼。
從二十世紀(jì)初以降，包括愛因斯坦在內(nèi)的大部分天文物理學(xué)家都相信，宇宙是由大爆炸所產(chǎn)生；由于質(zhì)能互換原理，爆炸的能量最后轉(zhuǎn)為物質(zhì)。這個(gè)學(xué)說建立于三個(gè)重要的基石上。第一個(gè)，由數(shù)學(xué)上證明廣義相對論只容許唯一的解，這個(gè)數(shù)學(xué)解就是在時(shí)間的原點(diǎn)，整個(gè)宇宙的大小是一個(gè)點(diǎn)，大爆炸炸開了一個(gè)三度空間。由于空間以一定的速率不斷的膨脹，因此整個(gè)空間瞬間的大小也給了時(shí)間一個(gè)指標(biāo)和定義。這就像武俠小說中``半柱香的時(shí)刻''，以一柱香的長短來測量時(shí)間是一樣的。第二個(gè)基石是，美國天文學(xué)家哈伯在愛因斯坦發(fā)明了相對論的二十年后，發(fā)現(xiàn)了宇宙是在膨脹，并且越遠(yuǎn)的星系膨脹的速度越快。這個(gè)發(fā)現(xiàn)大致吻合相對論的數(shù)學(xué)解。第三個(gè)基石最具關(guān)鍵性，在七十年代，美國的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙的背景輻射。由于宇宙的膨脹，大爆炸時(shí)的熱能目前應(yīng)已降到絕對溫度數(shù)度左右，符合觀測結(jié)果2.7度。從此，天文物理學(xué)家發(fā)展了一套標(biāo)準(zhǔn)模型，來解釋這個(gè)膨脹的空間里一切物質(zhì)的起源。但是宇宙到底確實(shí)膨脹多快，哈伯并無法確定。這個(gè)缺憾預(yù)留了一些空間讓以后的天文物理學(xué)家去發(fā)展另一套不同于愛因斯坦相對論的學(xué)說。但是這些學(xué)說都是非主流。美國的哈伯太空望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)也就是要彌補(bǔ)當(dāng)年哈伯觀測的缺憾，要決定目前宇宙在單位距離內(nèi)膨脹的速度。星球在膨脹空間里的分布就像一些點(diǎn)分布在正在膨脹的氣球表面一樣。點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離會因膨脹而變大，分離的速度不但和氣球膨脹的速度成正比，也和點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離成正比。距離越大的兩點(diǎn)，它們之間分離的速度越大。所以若不知任意兩點(diǎn)之間的距離，只光知道兩點(diǎn)分離的速度是無法知道整個(gè)氣球膨脹的速度。同樣的，若欲決定宇宙膨脹的速度，我們不但要知道星球之間分離的速度，也要同時(shí)知道星球之間的距離。天文學(xué)家可用所謂的都卜勒效應(yīng)來測量任一星球遠(yuǎn)離地球的速度。但是，星球與地球之間的距離便不容易決定。因此哈伯常數(shù)（單位距離內(nèi)的膨脹速率）相當(dāng)難決定出來。
上個(gè)星期發(fā)表在``自然''雜志上的發(fā)現(xiàn)為在室女星系團(tuán)內(nèi)的上千顆造父變星。變星是光度有周期性變化的星，愈大的變星周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以變星的周期和絕對亮度有一定的關(guān)系，而造父變星的周期和絕對亮度之間的關(guān)系可以很準(zhǔn)確的決定出來。但是，星球距地球越遠(yuǎn)看起來越暗，因此觀測到的亮度并不是星球本身的絕對亮度。若是有辦法知道星球的絕對亮度，再加上觀測到的量測亮度，星球的距離便可知道。在天文上，遠(yuǎn)距離是無法直接測量的，造父變星提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會來測量距離。天文學(xué)家可以量遙遠(yuǎn)變星的周期，大致上是幾十天之譜，從而決定變星本身的絕對亮度，再和觀測到的亮度相比，變星和地球的距離即可決定。
室女星系團(tuán)距地球相當(dāng)遠(yuǎn)，大約為幾千萬光年之遙，因此膨脹的速度可以相當(dāng)快，可以利用都卜勒效應(yīng)準(zhǔn)確的測量出來。要是它的距離亦可準(zhǔn)確的測量出來，哈伯常數(shù)便可準(zhǔn)確地決定，大爆炸距現(xiàn)在的時(shí)間的上限便也能決定。上星期發(fā)表的造父變星讓天文學(xué)家準(zhǔn)確地決定哈伯常數(shù)。宇宙在單位距離內(nèi)膨脹的速率為每一百萬光年27公里。它也代表大爆炸至早發(fā)生在一百二十億年前。但是，天文學(xué)家又知道，銀河系中的一些古老的星球年齡為一百六十億年。這代表星球需要生于大爆炸之前。這個(gè)結(jié)果不符合因果律，因此大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型受到質(zhì)疑。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也讓非主流學(xué)說有一個(gè)發(fā)展的空間。
其實(shí)，在邏輯的結(jié)構(gòu)上，非主流派中的主流理論是可以和愛因斯坦的相對論相比美。如上所述，相對論的宇宙觀是空間是相對的，沒有原點(diǎn)，但時(shí)間是絕對的，有一個(gè)原點(diǎn)。相對論的宇宙觀并且認(rèn)為，宇宙的總能量守恒，沒有憑白無故冒出多余的能量，也不能損耗總能量。但是另一個(gè)學(xué)說卻認(rèn)為時(shí)間和空間是相對的，兩者都沒有原點(diǎn)，所以宇宙是在一個(gè)時(shí)空的平穩(wěn)狀態(tài)中存在。在這種理論架構(gòu)下，時(shí)間和空間有完整的對稱性。為了要解釋宇宙膨脹，這個(gè)學(xué)說必須放棄能量守恒的想法。它認(rèn)為能量是可以無中生有，并且越來越多，物質(zhì)也可以無中生有，愈來愈多。這就好像宇宙中蘊(yùn)藏著無數(shù)的涌泉，隨時(shí)隨地冒出物質(zhì)來。這些涌出的物質(zhì)必須往外流，因此宇宙膨脹。因?yàn)槲镔|(zhì)隨時(shí)涌出，所以不需要一個(gè)時(shí)間的絕對原點(diǎn)；物質(zhì)隨地涌出，所以空間也沒有絕對原點(diǎn)。這個(gè)學(xué)說不需要大爆炸便可以解釋宇宙的膨脹，并且也可以解決宇宙年齡的問題?？墒?，這個(gè)學(xué)說必須面對一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是如何解釋宇宙背景輻射的溫度。在1970年代，這個(gè)大爆炸理論的第三個(gè)基石是此學(xué)說的致命傷。在不久的將來，此學(xué)說會不會因上星期的發(fā)現(xiàn)而敗部復(fù)活？我們可以拭目以待。
相對論宇宙模型或上述非主流的平穩(wěn)態(tài)宇宙模型，對有創(chuàng)意的天文物理學(xué)家而言，絕非是個(gè)二選一的答案。其實(shí)，一般相對論的教科書上都不會提到廣義相對論本身是有些缺陷的。從時(shí)空的完美對稱性來看，它有上述需要時(shí)間原點(diǎn)的問題。除了時(shí)間、空間的問題之外，從物理學(xué)的相對性原則而言，它也有另一個(gè)問題，所謂的慣性座標(biāo)問題。十九世紀(jì)末，一位澳洲科學(xué)家馬克提出一個(gè)宇宙學(xué)的問題。我們舉目觀星，如果連續(xù)看一、兩個(gè)鐘頭，就會發(fā)現(xiàn)群星繞著北極星轉(zhuǎn)。馬克問道：「到底這是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)造成的，還是群星真的繞著地球旋轉(zhuǎn)？」這個(gè)問題乍看之下相當(dāng)不智，因?yàn)檫@像是十六世紀(jì)哥白尼時(shí)代的問題：「到底是地球繞著太陽轉(zhuǎn)，或是太陽繞著地球轉(zhuǎn)？」標(biāo)準(zhǔn)答案當(dāng) 然是地球自轉(zhuǎn)所造成的。但是馬克又道：「如果一切物理現(xiàn)象都是相對的，地球自轉(zhuǎn)和群星繞地球轉(zhuǎn)就必須是一體的兩面。」舉例來講，要是你繞著原地自己旋轉(zhuǎn)，你會感覺頭暈，但是如果你站著不動，而周遭所有的物體都繞著你轉(zhuǎn)的話，你也將會感到頭暈。馬克認(rèn)為一個(gè)理想的宇宙模型應(yīng)該能具有這個(gè)特性，一切都是相對的，轉(zhuǎn)動也是相對的。這便是所謂的馬克原則。愛因斯坦自己也承認(rèn)，他是受到馬克原則的啟發(fā)才發(fā)明廣義相對論。但是，不幸的是相對論無法做到馬克原則的要求。相對論的宇宙必須很清楚地標(biāo)示到底宇宙本身轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)?，F(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型是采取宇宙不轉(zhuǎn)。所以我們對群星繞天的標(biāo)準(zhǔn)解釋才會是地球自轉(zhuǎn)。附帶說明一點(diǎn)，至今還沒有任何一個(gè)宇宙模型可以完全符合馬克原則，上述的平穩(wěn)態(tài)宇宙模型也不例外。
雖然最近的發(fā)現(xiàn)開始讓天文物理學(xué)家對現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)理論提出質(zhì)疑，但我們還需要一連串進(jìn)一步的觀測證據(jù)才能宣判標(biāo)準(zhǔn)模型的對否，國際的天文學(xué)界在未來的幾年必然有一番激烈的競爭，看那個(gè)國家或那一個(gè)研究群搶先掌握這個(gè)問題的答案。同時(shí)，在宇宙學(xué)的理論模型方面，亦會有百家爭鳴的機(jī)會。臺灣的天文物理學(xué)界在這個(gè)熱烈的氣氛中可做什么貢獻(xiàn)呢？我們沒有太空望遠(yuǎn)鏡，沒有研究用的中大型望遠(yuǎn)鏡，但是我們有世界研究級的玉山天空。可以做的可能是帶著一群一流的腦袋上玉山，看著萬星鉆動的夜空去想像，去思索如何建立一個(gè)更完美的宇宙學(xué)理論模型。
一個(gè)名叫胡安·桑切斯的西班牙老嫗日前宣布，她在外出散步的時(shí)候被一塊冰球砸中。據(jù)說，這塊冰正是近一階段來當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家一直尋找的天外來物的一部分。桑切斯講述到，她外出的當(dāng)天天氣晴朗，但一塊神秘的冰卻突然落到她的肩膀上并險(xiǎn)些將其砸傷。
科學(xué)家把碎冰帶到實(shí)驗(yàn)室分析后發(fā)現(xiàn)，其中的一些元素是地球上沒有的，這些冰因此有可能是落到地球上的彗星解體后的一部分。生活時(shí)報(bào) ( 2000/1/27,10:2 )
這是１８２６年德國業(yè)余天文學(xué)家奧爾伯斯醫(yī)生提出來的一個(gè)問題。自然科學(xué)史上稱之為“奧爾伯斯佯謬”。
在奧爾伯斯之前，大科學(xué)家牛頓把物質(zhì)、時(shí)間、空間分隔開來，把宇宙說成像一個(gè)存放物質(zhì)的容器，在這個(gè)無限大的容器中，到處布滿了天體，運(yùn)動的永遠(yuǎn)運(yùn)動、靜止的永遠(yuǎn)是靜止。這樣，夜黑便遇到了難題。到了２０世紀(jì)，隨著愛因斯坦相對論和哈勃定律的問世，人們終于發(fā)現(xiàn)牛頓的學(xué)說是錯(cuò)誤的。時(shí)間和空間是緊密相連、彼此互相影響、不可分離的，它們存在的形式受物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動決定，宇宙在不斷地膨脹著。由此，夜黑就不難解釋了。
美國天文學(xué)家哈勃等人的觀測發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的河外星系都在遠(yuǎn)離我們而去，即宇宙像正在充氣的氣球似的膨脹著，越來越大；距離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們而去的速度（即退行速度）越快。星系退行使星系輻射到我們這里的光減弱；距離我們很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的河外星系，可能會以光速退行，以致發(fā)出的光傳不到我們這里來。因此，雖然宇宙是無限的，但光可以照到我們這里的天體數(shù)量是有限的。只要那些有限的天體射到地球上的光比太陽少，地球上的日夜就取決于太陽。要是宇宙沒有膨脹，也就沒有夜黑問題。由此可見，夜黑是宇宙膨脹的結(jié)果。
宇宙為什么會膨脹呢？大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，“我們的宇宙”起源于一個(gè)溫度極高、體積極小的原始火球，在距今大約２００億年前，不知什么緣故，這個(gè)火球發(fā)生了大爆炸，在大爆炸中誕生了“我們的宇宙”。隨著空間膨脹，溫度降低，物質(zhì)的密度也逐漸減小，原先的質(zhì)子、中子等等結(jié)合成氘、氦、鋰等元素；后來又逐漸形成星系、星系團(tuán)等天體。
宇宙早期時(shí)，星系碰撞、合并曾經(jīng)是很普遍的現(xiàn)象，那時(shí)宇宙剛剛開始膨脹，還比較小、比較擁擠，星系多如雨滴，大量小星系下雨般落到其他星系中，漸漸形成像我們銀河系這樣的星系。宇宙好像一個(gè)在不斷充氣的帶花點(diǎn)的氣球，上面的各點(diǎn)彼此分離。經(jīng)過２００億年的“分離”才變成今天這個(gè)模樣。根據(jù)天文學(xué)家的推測，我們的宇宙將來有一天會停止膨脹，然后轉(zhuǎn)為收縮，直至收縮到大爆炸前的原始火球狀態(tài)；接下來會出現(xiàn)新的大爆炸，急劇暴脹和膨脹。這種循環(huán)可能會不斷地重復(fù)進(jìn)行，宇宙處于這種來回振蕩式的變化之中。 (少年百科知識報(bào)) 科技日
