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             SciScape 新聞 (http://leos.bu.edu/)   
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[Jul 31, 00] 超光速(二)

一直以來，物理學家都認為真空中光速c--300,000公里/秒，是宇宙間最快的速度。沒有任何物質或資訊的傳播速度可以快過它。然而由最近發表的研究結果，難免令人懷疑，光速恆定這條定律是否如此神聖不可侵犯？

從去年開始，由位於麻州劍橋的Rowland Institute for Science的Lene Hau等人，即利用超低溫原子氣體將光速降到17公尺/秒[1]。而過去兩個月來，更有兩組人將光脈衝加速到超過宇宙的極限[2][3]。以發表在7月20日的自然雜誌上的實驗結果為例，L.J. Wang等人不僅利用室溫下的銫(Cs)原子氣體將光脈衝加速超過c達1/310*，更使其在6公分長的原子腔內反向傳播[3]。

不過既使實驗的結果是如此，這些實驗並沒有違反任何目前所知的物理定律，相對論依然是屹立不搖。這些實驗只是表明了，光能以令愛因斯坦也吃驚的方式來傳播。

相對論指出光速在真空中恆定，沒有資訊的傳播可以快過它。其次，在透明的介質裡，比如水或玻璃，光速則會被減慢。其傳播速度為為該物質的折射率(refractive index)的函數。一般來說，光速在介質裡的傳播速度大約介於c的3/4到一半。

在1999年，Lene Hau與其同仁備製出一種特殊介質。這種介質具有超大折射率。他們將鈉(Na)原子氣體冷卻到絕對溫百萬分之一度(10^-6 K)左右。在此低溫下，氣體變得非常的濃稠。如此一來，這些原子跟光子的交互作用會使得光脈衝要通過這些原子氣體就像是要游泳通過麥芽糖一樣困難。

至於加速光速的實驗，則是令人費解。按相對論，若物質以快過c的方式傳播，則它可以返回過去。一個人若能夠返回過去，他可以將其祖父母在懷有其父親之前殺了。然而，如此一來，這個人照理說根本就不可能出生在世上。這個祖父謬論(grandfather paradox)講的其實是因果律(causality)--因必早於果的發生。

就L.J. Wang等人的實驗來說，他們所利用的介質和Hau的人的鹼金屬氣體相仿，但他們使用的是室溫下的銫原子。由於中性銫原子振子(oscillators)與光脈衝中心波長的拉曼共振(Raman resonance)關係，一個接近此共振頻率的光脈衝可以在傳播於銫氣體腔其間被放大。因為Wang等人製備的銫原子的折射率對波長的表現是如此奇怪，它甚至可用以加速光波。

問題是，這些波如何能違反光速上限？超光速(superluminality)形成的原因是，原本走在脈衝後端的波超前在脈衝前段的波，代價則是脈衝的扭曲形變。Wang的研究小組以兩束頻率相近的泵浦光(pumping light)來微調折射率來抑制脈衝扭曲。所以，研究者特別強調他們是以脈衝重塑(pulse-reshaping)的技術來迴避超光速造成的脈衝扭曲。事實上，脈衝不僅是快過c傳播+，而且還是向後傳播。也就是說，各波長的光往前傳播，但他們共同形成的脈衝則是往後傳播。也因為如此，脈衝似乎比它進入氣體腔之前還要早百萬分之62秒離開**。

這樣到底違反因果律了嗎？答案是：沒有。這只有當資訊可以傳回過去才會發生。所以既使脈衝的前端先出了氣體腔，隱含在整個脈衝的資訊也得要等整個脈衝都到達之後才算完整。如此一來，資訊的傳遞還是沒法快過c。物理學家可沒有因果不分！


譯註：
* 本站在六月五日刊出的文章"超光速"裡引用的數字300倍光速是取自New York Times。在Nature的論文中，L. Wang則指出，光速事實上只超過約c/310。
+ 原文中，作者論述脈衝的群速度(group velocity)可以快過c。但就譯者所知，群速度事實上代表資訊的傳遞速度，所以不應該快過c。為免引起混淆，筆者不把文章中有關群速度的討論一併翻出。有興趣者請參見原文。
** 物理學家想使用的把戲是：放大脈衝的前端部分，然後吸收脈衝主峰與後端，並設計這個放大至吸收的過程，使其保存脈衝的形狀，讓整個過程看起來就像是光脈衝在時間上往前跳了一下。這就是超光速的由來。也就是說，其實，通過介質後的主峰事實上屬於原來脈衝的前端部分。所以整個過程並不違反因果律。不過Wang在其論文中申論，此實驗中的脈衝的頻率成分並不含銫原子振子的共振頻率，以上說法並不成立於此系統。超光速的結果單純是光的波動性質所產生的結果。但他也強調，本實驗亦不違反因果律[3]。


原始論文：
[1] Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton & Cyrus H. Behroozi. Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594-598 (1999)
[2] D. Mugnai, A. Ranfagni, and R. Ruggeri, Observation of Superluminal Behaviors in Wave Propagation. PRL, V84, pp4830-4833(2000)
[3] Wang. L. J., Kuzmich, A. & Dogariu, A. Gain-assisted superluminal light propagation. Nature 406, 277–279 (2000).


--編譯自:
Nature science update (20/07/00): Going over c
<http://helix.nature.com/nsu/000720/000720-9.html>

 -- 責任編輯: MSC <mc24@duke.edu>