使自由空間中光速變慢的研究進(jìn)展
2016-01-05 00:46黃志洵
中國傳媒大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2015年2期
使自由空間中光速變慢的研究進(jìn)展
黃志洵
(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)
摘要：1905年Einstein發(fā)表了著名的狹義相對論(SR)文章，其中說光在真空中總以不變的速度傳播。然而這個光速不變性原理一直缺乏可靠的實驗證明，近年來的一些研究成果倒像是證偽了這一原理。例如，美國Maryland大學(xué)的物理學(xué)家James Franson于2014年6月發(fā)表論文引起物理界的廣泛關(guān)注，文章宣稱已可證明光速比過去所認(rèn)為的值要慢。他的論據(jù)來源于對1987年超新星SN1987A的觀測，當(dāng)時在地球上檢測到由爆發(fā)而來的光子和中微子，而光子比中微子晚到4.7h，過去對此現(xiàn)象人們只作了模糊的解釋。Franson認(rèn)為這可能是由光子的真空極化造成的——光子分開為一個正電子和一個電子，在很短時間內(nèi)又重組為光子。在引力勢作用下，重組時粒子能量有微小改變，使速度變慢。粒子在飛經(jīng)168000光年的過程中(從SN1987A到地球)，這種不斷發(fā)生的分合將造成光子晚到4.7h。
另一個例子是，2015年1月英國Glasgow大學(xué)的Padgett研究組做到了使光的運(yùn)行比真空中光速(c)要慢。他們使光子經(jīng)過一個專用的散射結(jié)構(gòu)物，波形被改變，從而速度變慢。令人驚奇的是，光子出來后(即回到自由空間)仍以減慢了的速度行進(jìn)。
Franson理論和Padgett小組實驗損壞了真空中光速的恒值性，使c成為“不恒定的常數(shù)”，或“不常的常數(shù)”。這種情況妨害了SR理論及現(xiàn)行米定義的理論基礎(chǔ)。
另外，本文比較了1993年的SKC實驗和2015年的空間結(jié)構(gòu)化光子實驗，前者以量子隧穿和消失波為基礎(chǔ)，后者則改變光束的橫向空間結(jié)構(gòu)。二者都使用相關(guān)光子對，結(jié)果都顯示光子群速的變化。如今或許可以終結(jié)關(guān)于光速不變原理的討論。……在現(xiàn)代物理學(xué)中波粒二象性仍是難題，但新近研究對此有新的理解，與互補(bǔ)原理不同；故更宜于用波理論解釋粒子實驗。在Padgett小組實驗中，無論Bessel波束或Gauss波束光子群速均減小，表現(xiàn)為在1m的實驗距離上遲到若干微米?！詈?，本文指出近年來的光速研究為波科學(xué)帶來豐富體驗，為理論思維造成新機(jī)會。
關(guān)鍵詞：真空中光速；光速不變原理；米定義；波粒二象性
中圖分類號：Q413文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
收稿日期：2015-02-28
作者簡介：黃志洵(1936-)，男(漢族)，北京市人，中國傳媒大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所客座研究員。
Recent Advances in Study that Scientists Slow
the Light Speed of Free Space
HUANG Zhi-xun
(Communication University of China，Beijing 100024，China)
Abstract：In 1905，Einstein published his famous paper of Special Relativity(SR)，that the speed of light will be locally the same for all condition.But this principle be short of verification of experiment.In recent years，some results falsifying the principle of the light-speed constancy.For example，in June 2014，physicist James Franson of the University of Maryland，has captured the attention of the physics community by posting an article，in which he claims to have found evidence that suggests the speed of light as described by the theory of General Relativity(GR)，is actually slower than has been thought. Franson’s
arguments are based on observations made of the supernova SN 1987A，it exploded in Feb 1987. Measurements here on Earth picked up the arrival of both photons and neutrinos from the blast but there was a problem—the arrival of the photons was later than expected，by 4.7 hours. Scientists at the time attributed it to a likelihood that the photons were actually from another source. But what if that wasn’t what it was，F(xiàn)ranson wonders，what if light slows down as it travels due to a property of photons known as vacuum polarization—where a photon splits into a positron and an electron，for a very short time before recombining back into a photon. That should create a gravitational potential，between the pair of particles，which，he theorizes，would have a tiny energy impact when they recombine—enough to cause a slight bit of a slowdown during travel. If such splitting and rejoining occurred many times with many photons on a journey of 168000 light years，the distance between us and SN 1987A，it could easily add up to the 4.7 hour delay.
For another example，in Jan 2015，a team of scientists in Glasgow University has made light travel slower than speed of light in vacuum (c). The photons through a special mask，it changed the wave shape of photon，and slowed it to less than light speedc. But it had not just been slowed by the mask，but had continued to travel at less than light speed (c) even after it has returned to free space.
The theory of Franson and the experiment of Padgett’s team wrecked the constancy of light-speedcin vacuum. Then，cis an “inconstant constant”，or an “not-so-constant constant”. This situation impair the theoretical basis of SR and the definity on meter by CGPM in 1983.
In other words，we compare the two experiments—the first article pulished in 1993，it named the “SKC experiment”；the second article pubished in Jan 2015，it named “spatially structured photons experiment”. The first experiment was based on quantum tunneling effect and evanescent waves，and the second experiment was based on changing the beam’s transverse spatial structure. Both them are using time-correlated photon pairs，and the results shows a variation of the group velocity of photons. Anyway，we may say perhaps that these experiments was the summation of discussions about the constancy of light speedcin free space. …… Now，the particle-wave duality still the magic ghost in modern physics.Recent advances in study shows，the quantum objects can behave beyond the wave-particle duality and the complementarity principle would stimulate new conceptual examination and exploration of quantum theory at a deeper level. Then we are very reasonable if we expect to understand the photon’s experiment that explaned by the wave’s theory. In the article of Padgett’s team，it shows a reduction of the group velocity of photons in both a Bessel beam and photons in a Gaussian beam. In both cases，the delay is several micrometers over a propagation distance of 1m. …… Finally，the study on light velocity in recent years has a great deal of experience on wave sciences，and bring the new chance on theoretical thinking.
Keywords：light speed in vacuum；principle of light speed constancy；definity of meter；wave-particle duality
1引言
通常以英文字母c表示的真空中光速也稱為自由空間中光速，是基本物理常數(shù)之一；它對物理學(xué)許多分支尤其是Einstein的相對論而言都至關(guān)重要。狹義相對論(SR)賦予光速非常特殊的性質(zhì)，一是“光速不變”原理，二是“光速不可超過”原則；對它們的研究和討論已持續(xù)了很多年。1973年國際計量局(BIPM)決定真空中光速c值為299792458m/s；它的基礎(chǔ)是高精度光頻測量和高精度光波長測量，再用標(biāo)量方程c=λf求出真空中光速。1983年國際計量大會(CGPM)根據(jù)這個值規(guī)定了新的米定義；從那時起c值被固定化了，亦即真空中光速成為指定值；國際計量界認(rèn)為無需再測量真空中光速。1983年的米定義已沿用至今。
但關(guān)于光速的研究沒有停止也不會停止。從2014年中到2015年初，國內(nèi)外出現(xiàn)了一些較重要的論文[1-3]，引起了較大的反響。本文先討論關(guān)于證明“光速并非恒定不變”的新實驗[3]，然后再討論關(guān)于證明“光速并非恒定不變”的新理論[1]。
2證明光速可變的新實驗
2015年1月有報道說，英國Glasgow大學(xué)的研究團(tuán)隊經(jīng)兩年半努力做成功一項實驗，證明光速并非恒定不變；亦即光并不總是以光速傳播，即使在真空條件下也是如此。研究論文從在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.出現(xiàn)到在美國《Science Express》上刊登只經(jīng)過幾天時間，而且迅即被各國媒體傳播報導(dǎo)。1月22日，D.Giovannini等[3]的論文發(fā)表在《Science Express》上；同日，英國廣播公司(BBC)公布了對學(xué)術(shù)帶頭人M. Padgett教授的采訪。1月27日，中國新聞網(wǎng)發(fā)表一個簡短報道，標(biāo)題是“英國科學(xué)家成功降低真空中光速，或?qū)㈩崗?fù)Einstein理論。”
報道說，研究人員用光子發(fā)生器發(fā)射出幾對光子束，使它們沿不同路徑到達(dá)同一個探測器。在每對光子束中，一束光子通過光纖直接傳播，另一束光子則要穿過某些設(shè)備。這些設(shè)備會操控光的結(jié)構(gòu)，然后再將其恢復(fù)原狀。如果光的結(jié)構(gòu)無關(guān)緊要，那么兩束光子就會同時被探測器捕捉到。但事實卻不是這樣；研究人員經(jīng)過測算后發(fā)現(xiàn)，每傳播1m結(jié)構(gòu)光就會比普通光遲到若干微米，多次實驗的結(jié)果始終如此。
筆者認(rèn)為上述報道不夠準(zhǔn)確；實驗者并非讓“兩束光”賽跑，而是讓同時產(chǎn)生的2個單光子賽跑。這種實驗方法可溯源到1987年Mendel團(tuán)隊的工作[4]，而1993年曾被美國Berkeley加州大學(xué)(UC-Berkeley)的科學(xué)家采用，即著名的SKC實驗[5]；結(jié)果是經(jīng)過勢壘(potential barrier)的單光子速度比值快了70%！
同樣是新聞報道，《BBC News》的文章更準(zhǔn)確些。記者K.Macdonald[6]通過與研究團(tuán)隊成員交談，了解到下述情況——實驗者用2.5年時間的工作似乎改變了科學(xué)界對光的看法。他們使光子成對并賽跑，一個光子保持原態(tài)，另一個經(jīng)過專門的隱蔽物(mask)；后者使光子變形并放慢速度；在那之后光子進(jìn)入一段約長1m的路徑?，F(xiàn)在比較兩者的到達(dá)時間。然而那個復(fù)形光子(reshaped photon)即使回到自由空間，仍以低于光速的速度行進(jìn)。光以慢于光速的速度前進(jìn)，這是什么觀念呢？
Padgett說，一個光脈沖包含有非常多的光子，而我們的實驗是針對單光子，研究其傳播速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它可以在比c小的速度上運(yùn)動。也就是說，空間建構(gòu)的光子在真空中的行進(jìn)速度可比光速慢(spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light)。關(guān)鍵元件是mask，它是軟件控制的液晶器件，能給光加花樣，使之變慢。然而對于作為粒子的光子，怎能強(qiáng)使它帶上“花樣”呢？從波粒二象性考慮，光子既是粒子，又是可以改變形狀(change the shape)的波動……在《Sci. Exp.》發(fā)表的論文中[3]，實驗者說：“現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一是：自由空間中光速為常數(shù)。然而光束橫尺寸為有限值，其波矢的變更造成相速、群速變化。本文研究單光子群速，方法是測量到達(dá)時間的改變，而這是光的橫向空間結(jié)構(gòu)變化造成的，用關(guān)聯(lián)光子對，我們顯示了光子群速的減小，無論Bessel波束中的光子或聚焦Gauss波束中的光子都如此。在這些情況下，若傳播距離為1m，延遲為若干微米。本文的工作顯示，即使在自由空間，光速不變性僅限于平面波”。
為了以飛秒(femtosecond)級精度測量單光子的到達(dá)時間，采用一種以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的方法——HOM干涉法，論文發(fā)表在1987年P(guān)RL上[4]。一路經(jīng)過自由空間的作參考，另一路經(jīng)過SLM1，提供空間整形(spatial shaping)作用。但第2個SLM(SLM2)是使第1個SLM引入的結(jié)構(gòu)作用反回去。這里SLM表示spatial light modulator，即空間化光調(diào)制器，是實驗中的關(guān)鍵器件之一。
實驗布置見圖1；先由參數(shù)下變頻器提供光子對，然后被棱鏡KEP分開，并經(jīng)過帶通濾波器BPF；用多個半波板HWP使空間光調(diào)器SLM的效率最大，并與光纖PMF匹配。兩路光子進(jìn)入分波器BS，輸出是單模光纖SMF；兩路各接到光電二極管SPAD，最終送到符合計數(shù)器(det)。
該文所測量的是距離的延遲量(delay，用μm單位)，數(shù)據(jù)分布在(1.5~8)μm；并可與下述理論公式比較：
圖1 Padgett小組的實驗布置
(1)
3新實驗的意義
我們該如何評價Padgett團(tuán)隊的實驗工作？筆者的觀點(diǎn)如下：首先，該工作雖然以雙光子運(yùn)動為基礎(chǔ)，但測量過程并不把它們當(dāng)成粒子，而是當(dāng)成波動。并且是測量群速vg所對應(yīng)的群時延(τg)，這里使用了筆者慣用的符號和說法。論文以對波粒二象性的認(rèn)知作為基礎(chǔ)，而且整個工作并非對真空中光速c作直接測量。盡管如此，他們?nèi)匀煌茢喑觥肮庾?或光波)即使回到自由空間，速度仍小于c，并沒有恢復(fù)到c”；而這是最令人驚奇的現(xiàn)象?？茖W(xué)名刊能刊登此文顯然也是基于這一點(diǎn)。因此我們認(rèn)為，Padgett小組的科學(xué)家們具有巧妙的實驗設(shè)計方法和敏銳的物理直感，從小見大抓住了要害。
摘要其次，2014年冬季筆者曾發(fā)表論文“真空中光速及現(xiàn)行米定義質(zhì)疑”[2]；該文在“”中說：1905年Einstein提出狹義相對論(SR)[7]，其中有一個公設(shè)——光速不變性原理，但迄今缺乏真正的實驗證明；近年來卻有一些實驗結(jié)果可能證偽了光速不變性。這種情況損害了國際計量大會(CGPM)1983年米定義的理論基礎(chǔ)。”2014年秋季筆者寫作時并不知道Glasgow大學(xué)團(tuán)隊已對光速不變性的實驗研究已進(jìn)行2年多，實際上處在收尾和總結(jié)階段；當(dāng)時寫下這些話是根據(jù)既往的情況?，F(xiàn)在可以說，論文[3]的發(fā)表證明了這幾句話的正確性。
那么，2015年1月發(fā)表的Glasgow大學(xué)實驗是否對SR構(gòu)成威脅甚至動搖了它的基礎(chǔ)呢？在英國物理科學(xué)新聞網(wǎng)站和中國新聞網(wǎng)的報道中，執(zhí)筆的科學(xué)記者以其職業(yè)敏感，都提到了Einstein和相對論。國內(nèi)發(fā)行量很大的報紙《參考消息》，報道時使用的標(biāo)題是“光速并非恒定不變”。筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)承認(rèn)這個實驗對SR構(gòu)成了沖擊；但是否能看成為一種決定性的證偽實驗則很難說。
SR賦與光速c一種特殊性質(zhì)：在任何情況下恒定不變。速度的大小取決于空間尺度與時間尺度的比，然而正是SR說空間、時間都是相對的。由兩個并無絕對不變性的量，取比值后卻成了具有絕對恒定不變性質(zhì)的量，這在邏輯上說不通。更何況早就有人指出，SR中光速不變的絕對性與強(qiáng)調(diào)運(yùn)動相對性的狹義相對性原理有根本上的矛盾[8]。所有這些理論思考實際上都不支持“光速不變性”假說。故有新實驗證明“光速可變”并不奇怪。
再者，Padgett團(tuán)隊文章中所說的“自由空間”(free space)實即真空；然而現(xiàn)代物理學(xué)已把真空看成一種媒質(zhì)，是有結(jié)構(gòu)的。量子理論的真空觀已拋棄了傳統(tǒng)觀點(diǎn)(“真空是空無一物的空間”)，因而“真空中光速c”已不可能是恒定不變的常數(shù)。實驗物理學(xué)家已經(jīng)證明(今后還將繼續(xù)證明)這些新的看法。
4與SKC實驗比較
有一個必須追索的問題是，為什么新實驗中的“結(jié)構(gòu)光”(structured light)在復(fù)原(reshaping)之后，回到自由空間(真空)中時，即在到達(dá)det前的這個過程中，其行進(jìn)速度并不回到c，而仍然是小于c，從而造成“比普通光遲到若干微米”？這個問題最為關(guān)鍵也最難回答。為進(jìn)行討論，我們回過頭來看看SKC實驗。 1993年，美國科學(xué)家A.M.Steinberg，P.G.Kwait和R.Y. Chiao(喬瑞宇)聯(lián)名發(fā)表了“單光子隧穿時間的測量”論文[5]，報道了一個構(gòu)思與設(shè)計都出色的超光速實驗。它實際上是設(shè)法使2個光子賽跑，并比較其到達(dá)終點(diǎn)的時間。這個實驗(我們稱其為SKC實驗)有以下幾個特點(diǎn)：
(1)既然要使2個光子賽跑，如何使它們精確地同時出發(fā)就成為一個難題。SKC實驗是使用相關(guān)聯(lián)雙光子(correlated two photons，CTP)；雖然這不是最早使用這一技術(shù)的事例，但卻是構(gòu)思巧妙并成功實踐的例子。具體講，用激光照射可降頻晶體，產(chǎn)生雙光子(Ⅰ和Ⅱ)，然后讓它們通過不同路徑(A和B)到達(dá)同一終端的光子檢測器。
(2)必須設(shè)計一個合適的結(jié)構(gòu)以充當(dāng)勢壘，或叫濾光器。SKC選用TiO2和SiO2兩種材料的薄膜，它們具有不同的折射率，不同材料交疊后總厚度只有1μm，以便與非常短的光波波長相適應(yīng)。這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用時要與激光波長的選取相配合，以使入射的大部分光子被反射，而只有少數(shù)光子通過它，從而創(chuàng)造出一種消失波的原理和效果。
(3)由于是處理飛秒級時間間隔的技術(shù)，整個系統(tǒng)的靈敏度和分辨率要求非常高。美國Rochester大學(xué)L.Mendel教授研制的干涉儀具有106級的增益系數(shù)，配合使用靈敏度10-9s的符合計數(shù)器(conic counter)，使這一問題得到解決。
圖2是SKC實驗的布置，DB代表dielectric barrier(介電障礙，即勢壘)，它的制作可以是在基片上搞多層涂復(fù)。作為基片的SiO2，無耗時折射率n=1.41，有耗時n=1.41+j0.0372；TiO2材料，不論無耗、有耗，均有n=2.22。針對激光源(L)的頻率f0=5.37×1015Hz，做成λ/4結(jié)構(gòu)(λ是波長)。BS代表beam splitter(束分光器)，也稱半鍍銀鏡。P是三棱鏡，CC是符合計數(shù)器，PD是光子檢測器，L是激光源。CTP一旦產(chǎn)生，即同時出發(fā)，分A、B兩路前進(jìn)(光子Ⅰ走A路，主要經(jīng)過空氣；光子Ⅱ走B路，要經(jīng)過DB)。兩路光子沖擊50%的BS表面，最后由PD負(fù)責(zé)檢測。如果2個光子同時到達(dá)BS，它們必定會匯合一起，再沿相同路徑離開BS，到達(dá)PD1或PD2。亦即當(dāng)2個光子的波包在BS理想地交搭時，符合率達(dá)到最小。這可由下述方法調(diào)整實現(xiàn)——在干涉儀臂中移動選定的鏡(注意S處的箭頭)，從而補(bǔ)償由DB造成的時延?？傊?，調(diào)試的要點(diǎn)是先撤除DB，2路光子都穿過空氣，當(dāng)CC顯示信號消失就表明兩光路長度相同。然后插入DB，CC有顯示；重新調(diào)整路徑長度使顯示為零，長度補(bǔ)償?shù)亩嗌俅頃r間差的大小。測量時間差△t是實驗的關(guān)鍵之點(diǎn)。
(a)示意圖
(b)實際光路 圖2 SKC雙光子賽跑的實驗布置
相關(guān)光子對從開始到達(dá)終點(diǎn)，所需時間只有幾飛秒，故檢測兩路光子的時間差是非常困難的，但SKC實驗者卻以完美的方法做到了。設(shè)勢壘厚度為l，光子穿越它的時間為tB(tB=l/v，v是隧穿速度)，而在A路(即在空氣中)穿越同樣長度的時間為tA(tA=l/c，c是光速)。那么就有
故得
(2)
現(xiàn)在l，c均已知，故只需測出△t就可得v。實際上，l=10-6m，而測得△t= 1.5×10-15s，故可算出v=1.7c(誤差±0.2c)。另外，還可推算出tA=3.64fs，tB=2.14fs。
因此，SKC實驗使一個光子的速度比光速快了70%!實驗如此出色，以致英國科學(xué)刊物《New Scientist》于1995年曾發(fā)表對它的評論[9]。為避免使相對論(SR)陷入困境，有一種解釋是：把光子看成一個波包；如果勢壘使波包變形，例如使波峰(最可能找到光子的位置)提前，穿過勢壘的光子比在空氣傳播的光子可能更早到達(dá)終端?！欢?，考慮到該實驗的精確(時間測量達(dá)到10-15s)和結(jié)果的突出(光子超過光速70%)，這種用模糊語言的定性說明顯得很勉強(qiáng)。實際上《New scientist》周刊也承認(rèn)，最先被探測器記錄的正是運(yùn)動最快的隧穿光子，是超光速的。
為什么光子經(jīng)過勢壘會被加速甚至成為超光速？從多個角度可以解釋。首先是量子隧道效應(yīng)中的微觀粒子輸運(yùn)的動力學(xué)過程，對隧穿時間的研究一直是一個復(fù)雜課題[10]。1932年L.MacColl[11]發(fā)表題為“波包在勢壘中的傳輸和反射”論文，提出了第一個關(guān)于隧穿時間的分析理論，他使用了非相對論性量子波方程(Schr?dinger方程)。他說入射波包將分解為一個反射波包(reflected packet)和一個出射波包(transmitted packet)；分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出射波包在勢壘后端(z=l處)出現(xiàn)，其時間大約與入射波包(incident packet)到達(dá)勢壘前端(z=0處)相同；故波包經(jīng)過勢壘時沒有可以覺察到的時延。因此，MacColl認(rèn)為出射波包峰大約是在入射波包峰抵達(dá)勢壘時離開勢壘，故對應(yīng)的時延為零，相應(yīng)的速度是無限大。即使時延非零，由于隧穿是在特別短的時間上發(fā)生(tunneling takes place in an extremely short time)，獲得超光速也是自然的事。
(3)
如E
上述情況說明，對1993年的SKC光子賽跑超光速實驗不容易給出十分清晰的解釋，因為光子“又是粒子又是波”，這本身就讓人胡涂(Feymann曾把波粒二象性稱之為“混亂的情況”)，……那么研究亞光速實驗是否容易些？問題在于，雖然減慢光速很方便，只需讓光從真空通過改為穿越某種物質(zhì)；問題是光從物質(zhì)中出來應(yīng)恢復(fù)速度為c。而2015年初的上述實驗，光從mask出來后保持低于光速而不恢復(fù)為c；這是不好解釋的。
為了與Padgett小組的實驗作比較，我們提出如下問題：SKC實驗中走B路的光子被勢壘加速，它從勢壘出來后其速度是c還是1.7c？亦即它是回到“自由空間光速”(真空中光速)，還是回不去了(因而保持大于c的速度)？答案顯然是后者；如果到達(dá)det的兩路光子都是c，符合計數(shù)器將無事可做(顯示零)。……因此，SKC實驗的情況與Padgett小組實驗的情況相似——前者用barrier，造成光子加速；后者用mask，造成光子減速。但現(xiàn)在這個mask卻不是某種物質(zhì)，而是一種功能性系統(tǒng)的作用，這由圖1看得很清楚。用物質(zhì)(媒質(zhì))減慢光速很容易，但卻不能讓光出去后還保持慢速。新實驗?zāi)茏龅竭@一點(diǎn)是了不起的，是來自人類智慧的設(shè)計所造成的，產(chǎn)生了“沖擊傳統(tǒng)理論”的效果。這個“功能性系統(tǒng)”在文中稱為信號臂(signal arm)，主要包括3個HWP和2個SLM。用液晶構(gòu)成的SLM提供散射作用，相位0~2π(平均π值)，受軟件控制。……但對筆者而言，SLM的設(shè)計仍然是奇怪的謎團(tuán)，不知道究竟如何構(gòu)成的！
5從波粒二象性出發(fā)的分析
在物理學(xué)中波粒二象性(WPD)一直是著名的難題。傳統(tǒng)的看法是微觀粒子有時呈現(xiàn)出粒子性(有確定路徑，不產(chǎn)生干涉條紋)；有時呈現(xiàn)出波動性(產(chǎn)生干涉條紋，沒有確定路徑)。一般講不能同時觀測到二者，即不能在產(chǎn)生干涉條紋時又獲得其路徑信息。著名的Bohr互補(bǔ)性原理認(rèn)為，微觀世界中粒子性和波動性是互補(bǔ)的，沒有一個實驗可以同時顯示這兩個特性；應(yīng)從“互斥即互補(bǔ)”角度去看待這種經(jīng)典物理中不存在的情況。英國科學(xué)刊物《New Scientist》于2004年、2007年兩次報道美籍伊朗物理學(xué)家S.Afshar的實驗[16，17]，因為他聲稱自己在新設(shè)計的雙縫實驗中做到了Bohr認(rèn)為不可能的事——同時看到光子的粒子性和波動性。但是，Afshar實驗并不是一個嚴(yán)格的which way實驗，亦即未能真正做到既跟蹤光子路徑又還能看到干涉，故Afshar并未駁倒Bohr。
早期的WPD實驗用光子或電子進(jìn)行，但困難太大。1991年M.Scully建議用原子(實為低溫下的冷原子)做實驗，因其de Broglie波長很大，容易觀察到干涉圖樣。問題在于如何判定原子經(jīng)過雙縫時走哪條路(which way)；1998年Dürr[18]等發(fā)表論文“用原子干涉儀進(jìn)行的which way實驗的互補(bǔ)性檢測”，是一個里程碑式的實驗；特點(diǎn)是用原子內(nèi)部態(tài)來存貯which way信息，并得出結(jié)論說：“互補(bǔ)關(guān)系不一定是靠測不準(zhǔn)原理來實施”。……因此對于仍用光子的雙縫實驗而言(例如Afshar)，應(yīng)盡量采用Dürr的作法——用內(nèi)部態(tài)標(biāo)記空間態(tài)；再看是否還能有干涉條紋，才能確定Bohr是否錯了。
在2000年，倪光炯、陳蘇卿[19]把WPD歸結(jié)為：微觀粒子運(yùn)動時若量子相干性尚未破壞，應(yīng)當(dāng)作波；當(dāng)它已被探測到，則顯示粒子性。認(rèn)為這是兩個不同層次的二象性，不是在同一層次上的“既像粒子又像波”。筆者覺得這個觀點(diǎn)與Bohr相似但又不全同。他們還重述了Dirac于1930年提出的觀點(diǎn)：“一個光子是自己同自己發(fā)生干涉的”，而且這一論述曾在1988年被實驗所證明。……這些情況增加了研究WPD問題的微妙和復(fù)雜?！罱袊茖W(xué)院物理所研究員李志遠(yuǎn)[20]通過深入分析研究提出了獨(dú)特觀點(diǎn)，認(rèn)為“違背互補(bǔ)原理是可能的”。在兩種不同情況(Young雙縫干涉儀、Mach-Zehnder干涉儀)下提出了可同時觀測波性與粒子性的方案。因此，認(rèn)為互補(bǔ)原理可以打破。有關(guān)分析尚有待實驗證明，但不受權(quán)威束縛的研究精神和方法是突出的。
理論界的這些進(jìn)展有助于思考Padgett團(tuán)隊的新實驗。文獻(xiàn)[3]在最后說：“自由空間中的光速是一個基本量，在相對論和場論中都是關(guān)鍵性的，也有許多技術(shù)性用途。過去已在SKC實驗中研究了單光子以群速行進(jìn)的情況。我們所做的群速測量是關(guān)于1個參考光子(reference photon)和1個空間結(jié)構(gòu)化光子(spatially structured photon)的傳播速度的差值，并沒有直接測量光的速度?？傊?，我們測量的是光子的群速，結(jié)果顯示光子的橫向建構(gòu)(transverse structuring)造成群速減小。相應(yīng)工作是對群速簡諧平均值(harmonic average)的嚴(yán)格計算。所觀測到的效應(yīng)可應(yīng)用到任何波動(包括聲波)理論中”，從這些話可以看出，論文的基礎(chǔ)雖然和SKC實驗一樣是讓同時產(chǎn)生的1對單光子分兩路走(“賽跑”)，但作者仍然用波動理論來解釋實驗。因此，要準(zhǔn)確判斷這個實驗的意義。離不開WPD分析。
6另一個“光速減慢”理論
無獨(dú)有偶，在Padgett小組發(fā)表實驗工作前半年(2014年6月)，美國物理學(xué)家J.Franson[1]提出了一篇理論分析文章，說“光速可能比先前認(rèn)為的慢”。據(jù)中外媒體報道說，“Franson的理論如果得到證實。目前的物理學(xué)將被徹底顛覆，許多著名理論將被改寫”。他的論點(diǎn)基于對超新星SN 1987A爆發(fā)的研究。這次超新星爆發(fā)發(fā)生在1987年2月24日，在幾個月時間里用肉眼都可以看到，是自1604年以來人類觀測到的最明亮超新星爆發(fā)。當(dāng)時人們在地球上同時探測到了來自SN 1987A的光子和中微子，如果中微子和光子在真空中的傳播速度相同(都是c)，應(yīng)該同時抵達(dá)地球。但實際上，光子比中微子晚到了4.7h；科學(xué)家當(dāng)時認(rèn)為，或許是因為這些光子的來源不同，因此產(chǎn)生了誤差?，F(xiàn)在Franson認(rèn)為，真空中光速慢于299792458m/s也是一種可能。由于在真空中飛行的光子會形成一個電子和一個正電子，但兩種粒子很快又會形成另一個光子，沿著原來的路線繼續(xù)前行；這一過程被稱為真空極化。由于電子-正電子偶有質(zhì)量，在銀河引力勢的作用下，粒子的能量會發(fā)生微弱的變化，并最終導(dǎo)致光速減小。在超新星SN 1987A與地球之間長達(dá)168000光年距離上。這樣的分合發(fā)生許多次后，將很容易讓光遲到4.7h。而相比之下，中微子則不會受此影響。
一些科學(xué)媒體評論說，如Franson正確，目前天體物理學(xué)的理論體系將轟然崩塌，所有基于光速的測量數(shù)據(jù)都將是錯誤的。例如，太陽光到達(dá)地球的時間將比我們此前認(rèn)為的要長；位于大熊星座的M81星系。距離我們1.2×107光年，是地球上望遠(yuǎn)鏡可觀測到的最亮星系之一。如果光速比現(xiàn)在認(rèn)為的慢，從M81星系發(fā)出的光將比我們先前認(rèn)為的要晚大約兩周的時間才能到達(dá)地球。由此產(chǎn)生的影響將非常驚人：如果是那樣的話，所有天體之間的距離都得重新計算，所有描述天體運(yùn)行規(guī)律的理論都得修改?？梢哉f天體物理學(xué)的研究不得不一切從頭開始。
然而Franson論文本身并沒有這么多用“如果”串接起來的驚人之語，未曾說過要“顛復(fù)現(xiàn)有的天體物理學(xué)”。只是說要“對引力勢中的光速作修正”，而在結(jié)尾處則說“量子力學(xué)(QM)和狹義相對論(SR)是物理學(xué)中的最基本定律，物理學(xué)研究的主要目標(biāo)之一是使兩者自洽地聯(lián)合起來”，這就賦與論文以樸素的形象。文章未提SR，但筆者認(rèn)為這才是關(guān)鍵之點(diǎn)，即該文將危及“光速不變原理”從而威脅到SR的正確性。論文實際上已經(jīng)違反了相對論，而且顯示了廣義相對論(GR)與SR的矛盾。
論文的各小節(jié)標(biāo)題如下：量子理論中的引力勢；對光速的計算修正；規(guī)范不變性與等效原理；與實驗觀測對比；結(jié)論。文中有20個編了號的公式。論文的摘要說：“本文考慮了包括有質(zhì)粒子引力勢能量的效應(yīng)，放入于量子電動力學(xué)的Hamilton量。得到了對光速的預(yù)期修正，它與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)成正比。此方法得到的光速修正取決于引力勢而非引力場，它不是規(guī)范不變的。本文預(yù)期結(jié)果與1987年的超新星觀測(Supernova 1987a)實驗相一致”?？梢?，F(xiàn)ranson的理論分析和計算是基于“矢勢的可觀察效應(yīng)”——類似電磁理論中的Aharonov-Bohm效應(yīng)，在這里起作用的是“勢”(gravitational potential)而非“場”(gravitational field)。Franson描繪了一種可能的內(nèi)在物理過程——光在真空中傳播時會受“真空極化”作用的影響，光子在瞬間分解為電子和正電子，而后又重新結(jié)合起來。當(dāng)它們分裂時，量子作用在這對虛擬粒子間形成一種引力勢，從而使光子減速。
Franson理論對光速修正有一個簡單的結(jié)果：
(4)
式中ФG是引力勢；由于ФG<0，故上式表示光速減慢了?？傊?，論文的理論基礎(chǔ)，一是量子理論中的引力勢，二是光子的電磁勢理論，其他還涉及規(guī)范不變性(gauge invariance)和等效原理(equivalence principle)。因此，F(xiàn)ranson是使用了GR，而沒有違反GR。
7結(jié)束語
有必要指出，即使相對論學(xué)者也認(rèn)為Newton的絕對同時性在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)；Einstein提出光速不變假設(shè)，即用光信號對鐘。說是假設(shè)，因它不是經(jīng)驗(實驗)結(jié)果，因為單向光速的各向同性沒有(也無法)被實驗證明[23]。要測量單向光速就得先校對放在不同地點(diǎn)的兩個鐘，為此又要先知道單向光速的精確值。這是邏輯循環(huán)，因此試圖檢驗單向光速的努力都是徒勞的。……現(xiàn)在我們要問：既然無法檢驗，這個參數(shù)(光速)又怎能先行確定其“不變性”呢？可見光速不變原理(或假設(shè))先天不足；出現(xiàn)各種反證并不令人奇怪[3，24]。
Franson理論和Padgett小組實驗都破壞了真空中光速c為恒值的常數(shù)性質(zhì)，使之成為會變化的參數(shù)，與SR中的光速不變原理和現(xiàn)行米定義的要求背道而馳。這是兩者的共同點(diǎn)和最引人注意的地方；但它們的物理原理完全不一樣。
本文提出需要把2015年的Padgett小組實驗和1993年的SKC實驗相比較，考察兩者的相似處和不同處。巧妙的實驗設(shè)計可以從不同方向證明光速可變性；而且只有依靠波粒二象性才能建立對實驗現(xiàn)象的理論詮釋。但迄今為止對這兩個工作的認(rèn)識都還是不深刻的，進(jìn)一步的研究尚有待進(jìn)行。
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(責(zé)任編輯：王謙)
