研究发现单个光子无法超越光速

http://tech.sina.com.cn/d/2011-06-28/08305699207.shtml

                               
登录/注册后可看大图

香港科技大学杜胜望教授领衔的团队首次证实单个光子的传播速度同样无法超越光速c的限制

　　新浪科技讯 北京时间6月28日消息，最近，科学家成功地得到波形可控的单个光子并进行实验，结果发现在单个光子情形下，爱因斯坦的理论依旧有效：单个的光子速度仍然无法超越光速c的极限。
　　由香港科技大学杜胜望教授领衔的一个物理学家小组近日在《物理评论快报》上发表了他们有关单个光子速度的论文。这一研究结果对于最大信息传播速度理论有着深远影响，它首次证实单个光子情形下因果律依然有效，即：结果不能先于原因出现。
　　爱因斯坦理论中最广为人知的说法之一就是“光速无法超越”，这也确实是现代物理中最基本的基础之一。但是到目前为止，实验仅仅验证了这一理论的一部分，即一大群光子以及它们所携带信息的传播速度是符合这一规律的，因此物理学家们一直以来都想证实，在单个光子的情形下，这一理论是否同样成立。
　　杜胜望教授告诉PhysOrg.com：“我们最大的成就是，我们的实验结果为光携带信息的最大传递速度之争画上了一个句号。这将加深我们对于光的波粒二象性以及量子力学本质的认识。在爱因斯坦提出‘光子’这一名称100多年后，我们让人们对于光子可以看到一个更加清晰的图景，从而修正之前存在的一些错误的或者说误导性的观点。”
　　在最近几年间，全球有数个小组一直在致力于用实验证明光究竟可以达到多高的传播速度。尽管先前的实验已经证明光的“群速度”可以超越光速c，但是“信号速度”——即光携带信息的传播速度，不行。由此，物理学家们希望了解单个光子情形下，其传播速度将遵循群速度还是信号速度。
　　为了回答这一问题，杜胜望教授的团队不仅要获得单个光子，还要将“光前驱”，即一个光学脉冲前端的波形属性，从光子的其它部分剥离开来。先前进行的，基于宏观电磁波传播(即包含大量光子)的实验已经证明，光前驱是一个光学脉冲中传播速度最快的部分。而此次杜教授的实验则是首次证明，在单个光子层面同样存在这种光前驱，并且它们同样也是单个光子波形中传播速度最快的部分。
　　为了分离单个光子中的光前驱，科学家们首先获取一对光子，随后让其中一个光子通过一群低温状态下的铷原子，并与此同时使用一台光电调幅器来控制光子的波形。这些原子将产生一种被称为“电磁诱导透明”(EIT)的效应，这使得科学家得以将单个光子的光前驱从整个波形中分离出来。当光前驱和光子的其他波形部分通过第二群铷原子时，科学家们便能分别测量光子的这两个部分的传播速度。
　　实验结果发现，单个光子的光前驱传播速度一直保持光速c，这和大群光子的信号速度是一致的。而在任何介质中，单个光子的其他波形部分传播速度均不超过光速c，而在一种慢光介质中，其速度可以延迟大约500纳秒。在这种介质中，光子群的传播速度同样会出现减慢，小于光速c。
　　杜教授解释说：“在慢光情形下，即光子群速度低于光速c时，其主波形中央部分遵循群速度。而当介质密度增加(即加入更多原子)之后，群速度会出现下降。而在快光实验，或称超光速实验中，即群速度大于光速c情形下，其主波形似乎出现了紊乱，并且不再遵循群速度。我们现在确定主波形的传播速度无法超越光前驱，即光速。”
　　这一实验结果和先前的研究相符，这些研究对未经分离的单个光子光前驱和主波形进行了分析，并报告了一种震荡结构。这种震荡结构可以用光前驱和稍有延迟的主波形之间产生的相互干涉效应进行解释。
　　除了为单个光子携带信息的最大传播速度之争画上一个句号之外，此项研究同时证明了单个光子传播速度无法超越光速，这一结果本身也将具有重要的实际意义，因为它能帮助科学家们加深对于量子信息传播机理的理解。
　　“由于光前驱的上升波峰振幅在任何介质中都是无损的，只要确保其上升边缘时间无限小或者近于0。此时光前驱甚至可以应用于吸收介质中的光学通信，如水下光学通信等等。”不过他同时也指出，在实际实验中，光前驱还存在一些损耗。
　　杜教授坦言。由于受现有技术手段的限制，光前驱通讯仍然无法进行实际应用。但是他相信这项技术将不断改进，并最终挑战现有的通信技术。
　　“在未来，随着光电子技术进步到步进时间缩短至小于10飞秒时仍然能被高速光探测器直接检测到，那么光前驱技术将在光学通讯领域中大显身手；当然，单光子光前驱将可以被应用于量子通讯技术之中。”
　　他表示：“有人可能会说现在我们就已经有了飞秒激光器，它们可以产生时长仅数飞秒的脉冲，但是我们还无法在这些脉冲山加载信息。并且在现有技术条件下，光探测器也还无法对这样的脉冲进行直接的检测。”

高科技 到实现还有时间啊。。

好复杂，有点理解不了了

是这个意思吧，，
他们把一个光子的波函数调整到这样一个状态，，沿着光子前进的方向，波函数斜率非常大的部分出现在最前面，后面跟着波函数斜率不太大的其他部分，，，他们的实验显示，无论在什么介质中，斜率非常大的那部分波函数的传播速度都是c，斜率不太大的的其他部分的传播速度小于c，具体数值与介质有关，，

好复杂~~~~~~~~~~~~~~~~~

作个标记，以后详细学习下。关于什么是“群速度”。“光前驱”是不是就是光运动方向最前锋、最前端的波面呀（球面）？

明确表示看不懂，哪位来解释一下这些专业的光学名词。

何谓光的群速度？何谓光前驱？一个光子的运动还能区分光前驱……，我知识明显不够啊……

另外，楼主又没有给出信息来源链接

就跟水管一样，一开水龙头，出来的是水龙头附近的水分子，不是水厂的水分子，水从水厂到你家水龙头的速度实际上不快的，可是你一开水龙头的瞬间就有水出，这样就有两个速度，，，是不是可以这样理解？

因果律，那要是超越了光速呢？？

我很想知道这篇文章里指的“原因”和“结果”是怎么和光速挂钩的

百度名词解释：
1 波的群速度，或简称群速，是指波的包络传播的速度。实际上就是波实际前进的速度。 　　形象一点说，你拿电钻在一个很坚固的墙上钻洞，你会觉得电钻的钻头的螺纹在旋转时似乎以高速前进，但这只是你的错觉，因为你看到的是螺纹的“相速度”，虽然很快，但是你的电钻却很慢很慢地向墙内推进，也就是说电钻的总的向前推进的速度就是“群速度”。如果墙壁很硬，你的电钻根本就钻不进去，电钻向前推进的速度为“0”，但是你从电钻的螺纹上看却总是觉得电钻是不断钻进去的。
     群速度：许多不同频率的正弦电磁波的合成信号在介质中传播的速度。不同频率正弦波的振幅和相位不同，在色散介质中，相速不同，故在不同的空间位置上的合成信号形状会发生变化。群速是一个代表能量的传播速度。
2 相速
　　无线电波在介质中传播时，如果该介质的介电常数ε与频率无关，波的传播速度也与频率无关，这种介质称为非色散介质；与此相反，如果介质的ε或传播速度v与频率有关，则称为色散介质[1]。 　　单色波传播速度的公式是从等相面的传播导出的，因此称为相速。
　　相速度：单一频率的正弦电磁波波的等相面（例如波峰面或波谷面）在介质中传播的速度v=c/n，c为自由空间中的光速，n为介质对该频率电磁波的折射指数。

这单个的光量子是如何“捉”出来的，真是新闻。第一次听说。。

这个问题今天总算大概弄明白了，，
以下将用半经典半量子的观点分析一下，，，，，、


如图，，，，上下两排共6个波包，向右传播，假设介质材料内部是许多本来是静止的谐振子，，，波包进入介质后将输出一定能量驱动谐振子震动，震动的谐振子辐射新的电磁场（也是个波包），，最后穿过介质并失去了一定能量的入射波包与谐振子辐射出来的新的波包叠加形成穿越介质的最终波包，，，，

先看第一排，表示的是一个正常波包穿过介质（比如说玻璃）时所发生的情况，，
最左面的一个波包是未进入介质前的状态，A点是电磁场波动的起点，，，中间的波包是谐振子受到驱动而辐射的新的波包，因为激励波包的电磁场起伏比较缓慢，所以谐振子的辐射波包大致上是一个相位延后的同样的波形，，注意谐振子辐射的波包的起点B是与激励波包（也就是损失掉一部分能量的入射波包）的起点A完全重合的，在介质中他们都是光速传播的，，，最右面那一个就是离开介质后损失掉部分能量的入射波包与谐振子（也就是介质）辐射的新的波包叠加而成的出射波包，，场强比较大的波形部分被显著后移（相对于一直都在以光速运动的波包起点来说），不过波包的起点仍然是光速穿透介质的，，，，，
接下来加上一点量子角度的分析，，空间某处电磁场场强的平方正比于在那个位置观测到光子的概率（电磁波就是光子的物质波，就是光子的几率波，电磁波场强的模的平方就是概率波，，只考虑纸面上的震动情况的话取不取模都一样的），，，于是对于这个普通波包穿越介质的模型来说，入射波包场强最大的位置在整个波包的中间，出射波包场强最大的位置相对来说处于更远的后面（最左面的波包中间位置到A的距离显然要比最右面的波包后部位置到C的距离更远），就是说，在普通波包穿越介质的过程中会发现，光子会以非常大的概率被减速，，这就是普通的光在介质中变慢的含义，，，，

接下来看看第二排，左面第一个是入射波包，波包起点A那里非常尖锐高耸的应该就是文章中提到的光前驱，，因为波包起点变化剧烈，变化所用时间又非常短暂，所以介质中的谐振子会跟不上如此迅速的电磁场波动，于是谐振子辐射的新的波包将不具有激励波包（入射波包）尖锐高耸的光前驱，谐振子辐射的波包波形类似中间那一个，，最右面的就是合成的出射波包，尖锐高耸的光前驱被保留，而且是以光速传播出来的，，，，与普通波包不同的是，光前驱位置电磁场场强非常大，光子具有非常大的概率在这里被观测到，就是说，在具有光前驱的波包穿越介质的过程中，光子会以很大的概率保持恒定的光速运动，他不会被介质减速，，，，，这就是顶楼的实验意义所在，，，

另外，这种光子不但不会被介质减速，他还有可能不会被介质偏折，，，不过相关计算我目前做不了，，，，，
其实如果不是单光子实验也不用特意去往量子的概率波解释上靠，，，，麦克斯韦电磁理论关于电磁波穿越电介质的说明已经具有足够复杂性了，，，，，

feng1734 发表于 2011-12-25 01:33

                               
登录/注册后可看大图

这个问题今天总算大概弄明白了，，
以下将用半经典半量子的观点分析一下，，，，，、

我是直接采用了电磁波就是光子的几率波的观点，，，，
不过这一观点是有争议的，，，，麦克斯韦的电磁理论是与狭义相对论相容的，，薛定谔波动方程则与狭义相对论冲突，，所以电磁波和几率波不可能是同一个东西，至少不会是那么简单的等同，，，，严格的协调光子与电磁波的解释还是要到相对论量子力学中去寻找，，，，

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%85%89%E5%AD%90

光子的波动性是指经典的电磁波呢，还是量子力学的几率波呢？

光子和像电子那样的物质粒子都能够在双缝实验中形成类似的干涉条纹。在数学上，干涉条纹分布的计算既可以用经典波动干涉的方法，也能够完全从量子力学波函数的方法推导出[42]。由于单个光子穿过双缝时也会发生干涉，这种干涉很容易让人理解为光子的波函数的几率波干涉；因为这种干涉完全无法用经典电磁理论解释，几率波的概念似乎更接近光子波动性的本质。不过一般教材在讨论光子的波动性时只使用经典电磁理论，而物质粒子的波动性只使用波动力学，这涉及到在物理学界光子的波函数本身仍然是一个有争议的概念。经典波动来自麦克斯韦方程组，而波函数来自薛定谔方程，但大多数物理学家都不认为这意味着对于光子而言麦克斯韦方程是薛定谔方程的简化形式[43][44]，原因是通常意义下的薛定谔的几率波函数概念无法应用到光子上[45]，光子的波函数无法拥有非相对论波动力学中薛定谔方程的所有性质。光子没有质量，无法定域化一个光子，这造成光子没有一个定义完备的位置本征态

                               
登录/注册后可看大图

，不确定性原理的一般形式

                               
登录/注册后可看大图

对于光子而言没有定义。尽管现在有一些建立光子波函数的尝试[46][47][48][49]，这些都没有得到广泛认可和应用，甚至有一些物理学家认为光子的波函数根本不存在。现在被普遍接受的观点是光子的二次量子化理论，即在量子电动力学中，光子是量子化的电磁场激发模式。