“光障”挡不住人类前进的脚步——纪念第242次香山科学会议召开10周年

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

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“光障”挡不住人类前进的脚步
——纪念第242次香山科学会议召开10周年

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

第242次香山科学会议的主题是“宇航科学前沿与光障问题”。如所周知A.Einstein于1905年断言“超光速没有存在的可能”，后人称为“光障”。但在这次会议上宋健院士指出，该说法仅是假设，因为超光速运动不能完全观测，在什么也看不见的地方只能是猜测或假说。现在把太阳系内飞行称为航天，系外飞行称作宇航。估计在本世纪将有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回，而飞出太阳系是人类的伟大理想。但这有许多理论与技术问题需要解决。所以必须加大航行速度，应达到光速，可能的话应为超光速。

本文回顾了10年前召开的第242次香山科学会议的成就，探讨了2003～2013年间的超光速研究工作。首先对“光障”和“声障”作了比较研究，认为可压缩流体力学可用在超光速研究中，空气动力学发展对突破光障有参考作用。其次讨论了信息速度问题，指出近10年来负群速(NGV)已在许多科学实验中发现，而NGV是超光速的一种形式。众多群速超光速实验是很大的成绩，从波粒二象性角度看就有可能发现以超光速运动的奇异电子。故可考虑改装加速器，使粒子在通过某种势垒后能量减小从而速度加快(v>c区域的规律)。这类似于使用Laval管突破声障的方法。……本文还讨论了Alcubierre曲速引擎的改变空时以实现超光速宇航方案，虽只是假说，但美国《时代》周刊已于2012年9月19日报道说：“美国航天局着手研究超光速曲速引擎”。因此，重要之点在于NASA已认可超光速宇宙航行。

根据10年来超光速研究的发展，认为新学科“超光速物理”的建立已是既成事实。最后进一步讨论了真空中光速c的定义及光速恒定性问题。

香山科学会议；光障；超光速宇航；超光速物理；曲速引擎

1 引言

1905年A.Einstein[1]在其论文中写道：“velocities greater than that of light have no possibility of existence”；这一判断的物理含意是物质的运动、能量的输送、信息的传递，其速度均不可能超过真空中光速c，因而后人将这一限制称为“光障”(light barrier)。近年来在国际上以及我们国内却开展了超光速研究[2]，10年前还成为中国北京香山科学会议的议题，这就引起了人们的关注。大家知道，香山科学会议是由国家科技部(原国家科委)发起，在科技部和中国科学院支持下于1993年创办，得到中国工程院、教育部等部门的支持和资助，而逐步开展工作的。它以探索科学前沿、促进知识创新为主要目标，是高层次、跨学科、小规模的常设性学术会议。其议题集中，前瞻性强，人员档次较高(多数为教授、研究员、院士)，因而受到各方面的重视。

2004年11月26日～28日在北京香山饭店召开了第242次香山科学会议，由北京前沿科学研究所主办，《现代基础科学发展论坛》协办。会议主题是“宇航科学前沿与光障问题”(Frontier Issues on Astronautics and Light Barrier)。与会专家学者约50人(内院士9人)；会议执行主席为：宋健院士、陈佳洱院士、王越院士。会议筹备期长达14个月，林金研究员、毕大川研究员和笔者受邀参加筹备工作。为了确定会议的指导思想，宋院士在会议前的一年内召开了3次小型科学家座谈会，如此认真实属罕见。中心议题有两个：①宇航科学前沿与光的传播；②宇宙学与宇航。主题评述报告为“航天、宇航和光障”(宋健)。中心议题报告有5个：①宇航中时间的定义与测量机制和超光速运动(林金)；②超光速研究的40年——回顾与展望(黄志洵)；③暗能量、重力和时空(余燊)；④万有引力速度，广义相对论之精密测量及宇航应用(王力军)；⑤强子物体内的超光速可能性和量子引力问题(V.Sabbata)。此外，有15位专家学者作了学术报告。中国传媒大学向全体代表赠送了黄志洵的新作《超光速研究的理论与实验》(科学出版社)。

与会代表对这次会议感到振奋。例如，著名电磁理论专家宋文淼研究员于2005年在学术刊物上撰文回忆说，该会议“是在科学发展的重要时刻探讨关键问题的一次重要会议，标志着中国科学家对重大科学问题的参与，具有历史里程碑的意义。”又如，宋健和林金等航天专家对超光速研究的介入，使我们深受启发，促使笔者思考了许多问题，写出了新的文章。

从第242次香山科学会议至今，已过去了10年。虽然在一篇文章中不可能对会议本身和会后10年来的研究工作给出全面总结；本文仍将努力描绘当时和后来的情况，尽可能介绍中国科学家们的有关工作，并在此基础上就超光速问题阐述笔者的观点。

2 中国科学家论超光速

第242次香山科学会议(以下简称“会议”)为中国科学家提供了一个展示超光速学术观点的平台，这里略述其中几个报告的内容。主场报告是“航天、宇航和光障”[3]。宋健首先介绍了世界范围内航天、宇航事业的发展及成就，论述了寻找地外生命的问题。他认为：生命的出现是大自然规律决定的，在任何适宜的环境中，只要时间足够长(地球上是5—10亿年)，必然会出现生命。所以，找液态水是今后相当长时期内航天深空探测的目标。……若干年后，如果在火星上、木卫2和土卫6上都找不到生命存在的证据，人们的注意力必然转向太阳系以外的探测。2004年7月初美国太空探测研究所宣布，仅哈勃空间望远镜就单独发现了100多个太阳系外可能的新行星，使已发现的行星总数上升到220多个。

1961年4月前苏联的第一次太空飞行，标志着载人航天时代的开始。但当时达到的飞行速度只有每秒十余公里，大致在第一、第二和第三宇宙速度范围内(7.91km/s，11.18km/s和16.63km/s)。用化学燃料火箭、多极火箭、原子火箭，难以达到每秒数千公里。这在太阳系内飞行是可以的。例如美国航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)联合制造的卡西尼—惠更斯飞船1997年10月15日发射后，于2004年7月1日进入环土星轨道，总航程3.5×109km，平均速度为第三宇宙速度16.5km/s。即使平均速度能提高2个数量级，达到3000km/s，要飞到半人马座α和β需要440年。所以要进入银河系必须加大航行速度，直到接近光速，如果可能的话应超过光速。

Einstein的名言：“不可能存在任何大于光速的运动”，现在被称为“光障”。航天技术的发展迫使人们细察和反思，为什么飞船不能超过光速。对Einstein的著作，应该区别哪些是它的核心理论，哪些是带有假说性的外推。在设定的范围内(v

宋健认为，20世纪下半叶至今，很多物理学家继续研究存在超光速运动的可能性。但是，从早期的虚质量、快子，到改变空间尺度、超光速传播、负质量等努力都没能绕过β=v/c=1这个奇点。从技术科学来看“光障”，这个奇点的产生不是来自数学，而是来自以光学和电磁波手段测距的技术基础。用光学或雷达往返信号时间间隔之半去定义距离，用这种技术，由于光速的有限性，根本看不到运动速度等于和大于c的目标，所以它不可能成为研究和发展超高速宇航的基础。

SR公式的适用范围只在vc向地面飞来，地面将看到一条反转的轨迹，晚发出(或反射)的信号早收到，有如离我而去。所以从技术实际来说用电磁波不能完全地观测超光速运动。在什么也看不见的地方，或者无法取得任何信息的领域去讨论它是什么样子，只能是猜测或假说。所以，“光障”只是猜测，不能把这当作“科学定律”，因为没有试验根据。无论如何，我们看不见它不能成为不存在的证据。

电磁波传播速度的有限性也限制了超光速双向宇航通讯的可能性。地面站用电磁波无法向以接近或超过光速c运动的飞船发出指令或建议。航天技术呼唤实验物理学家们寻找传播速度大于c的信号源，只要能找到这种新的信号源，以光速或超光速作宇宙航行的可能性就会大为增长。

航天技术现在能达的飞行速度是每秒数十公里，远小于c(0.001c)，所以关于火箭推力、轨道计算和实验都以Newton力学为基础。有人曾用相对论力学计算过接近光速的飞行速度，并没有引起航天界的注意，都觉得离现实太远，那是遥远未来的事。如果从40年航天技术实践反过来检查SR的计算结果，就会发现即使在远低于光速的情况下，自主导航的工程实践与SR动力学的结构也发生某些冲突。例如，发动机推力依赖其惯性速度的现象就从未发现过。

半个多世纪的航天技术实践都证明至少在第三宇宙速度(v3=16.6km/s)左右，齐奥尔科夫斯基公式是足够准确的，从未发现过推力依赖于速度的情况，无论是飞船上和火箭上用加速表自主测量和地面光测、雷测都证明了这一点。人们常说，只有v接近c时才会发生。那也要有实验证明才能作为解决技术问题的基础。所以利用狭义相对论动力学公式去计算航天器飞行速度要十分谨慎。……

宋健报告的重点在于，认为飞出太阳系是人类伟大的理想。要飞出太阳系面临很多理论和技术问题，要一步一步解决。科学界已开始考虑和工作。若干年后，将会有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回，那将是一个新的宇航时代的开始。……总之，他的报告大气磅礴，既充满激情又脚踏实地，10年后重读之仍令人激动。最后他回顾了人类突破声障实现超声速飞行的历史，期待在光障问题上也有类似前景。在报告中他提到，近年来很多学者对超光速存在的可能性进行了大量研究，许多结果令人鼓舞。中国科学家在超光速及相关问题上也取得了进展。例如，2000年王力军等率先在光频以量子光学实验实现了超光速群速和负群速；北京大学陈徐宗等在光频以实验实现了超慢光速和负群速；北京广播学院黄志洵、逯贵祯等在短波以实验实现了模拟光子晶体结构中的超光速群速。这些进展体现了中国科学家的创新精神和努力，是非常可喜的。

中国运载火箭技术研究院林金研究员是卫星导航与惯性导航专家、国际宇航科学院院士；他在作报告时说[4]：火箭自主惯性导航理论模型发人深省之处在于：一个运动质点自己可以测量自己相对一个给定惯性系的加速度、速度和位置，作为运动质点上自带的钟固有时间的函数。原理上无需与外界交换信息，可以不存在任何信号传递的速度问题。自主的纯惯性导航系统是基于引力场的基本性质；即使没有光和电磁场，纯惯性系统照样工作，照常自主定位、自主测速。那么在一个只有引力场而无电磁场的世界中，为何每秒30万公里会成为速度的极限？……只要开发出新型动力源，宇宙飞船航行速度不存在上限，未来的载人宇航理论上没有限制”。……在这里还要指出，到2010年林金[5]更深刻地对超光速宇航可能性作了论述。他指出，Einstein早年的理论是对今天惯性导航原理的描述，而后者只用一只钟的固有时间，完全自主，无需发射或接收光(电磁)信号与外界联系。飞船相对惯性坐标系作加速飞行，只要积分时间够长，飞船相对惯性系的速度可以超过c。3×108m/s被9.8m/s2除，得到354天，亦即大约一年后飞船速度超过3×108m/s。也就是说，宇航员只看惯性仪表指示即可作超光速宇航。

中国传媒大学黄志洵教授的报告讲了以下几方面内容[2]：Einstein为何认定有“光障”存在；超光速研究的3个阶段；不越出SR框架的超光速研究；几类不同的超光速问题；关于负波速；Proca电磁理论中的波速度；关于引力速度。他认为几十年研究已证明超光速可以实现，但还处在初步阶段。

首都师范大学物理系耿天明教授在报告中说[6]，一个由真空的电磁特性常数ε0和μ0决定的电磁作用传递速度c=(ε0μ0)-1/2为什么可以操控其他所有作用的传递快慢？这是难于理解的。电磁场其实是一种特殊的现象，它不具有普遍性。自然界存在各种类型的作用，在形式上有力、势、关联或纠缠，在途径上有通过媒介的和直接超距的；在传递速度上有光速和超光速的。例如电磁场理论是针对电磁作用而言的，并不涉及引力作用，因此，本该和Newton引力论各司其事，并行发展。但相对论的出现打破了二者并行不悖的局面。狭义相对论虽不涉及引力问题，但Einstein称光速c是一切物理作用和信息的传递速度之最高极限，不得违反，并将此“戒律”作为一条原则(常被称为光速极限原则或定域性原则)，去判别一个物理事件或过程能否发生，这就不对了。自然界原本是丰富多彩的，所以对它的理论描述和解释不能过分简单化。

西北工业大学航空学院杨新铁教授是空气动力学家，他在题为“突破光障”的报告中说[7]，空气动力学发展的早期遇到的困难和探讨超光速问题遇到的困难相类似。考虑亚声速情况下流动的性质，按照小扰动理论，对于缩口管道流动来说，如果把相对静止时的质量密度看成是ρ0，那么相对速度为β时的质量密度就增长为：

(1)

式中ρ=v/c，即Mach数(在航空界用M)，现在c不是光速而是声速。这个关系和相对论力学中的质速关系完全一样；后者为

(2)

在其他学术报告中，北京师范大学天文系曹盛林教授从Finsler几何角度分析了超光速可能性等问题[8]；北京大学陈徐宗教授介绍了课题组在光频完成的负群速实验[9]；中国传媒大学逯贵祯教授介绍了课题组在短波完成的同轴光子晶体群速超光速实验[10]；首都师范大学物理系沈京玲教授介绍了英国科学家在太赫波段利用消失波(微型截止波导和双三棱镜)完成的超光速实验[11]；北京石油化工学院董晋曦教授详细论述了SR理论中光速不变原理存在的问题[12]。……这些报告都给人耳目一新之感。

3 “突破光障”与“突破声障”的比较研究

对会议的回忆到此为止，以下将论述超光速研究的发展，并提出笔者的观点。首先用比较研究法讨论“突破光障”与“突破声障”。如所周知，声学和光学是两门不同的学科。声波是声源在媒质中引起质点在平衡位置振动造成的，是机械波，在真空中不能传播。光波是电磁波，在真空中可以传播。声速和光速的差别非常大，接近6个数量级——空气中声速c=344m/s(20℃时)；真空中光速c=299792458m/s，在媒质中光速为c/n(n是折射率)。两个方面似乎缺乏可比性。然而，无论声波或光波，波速均等于波长与频率的乘积，与波的强度无关。在“波动光学”与“波动声学”中，波的行为有相似的规律[13]；在反射、透射、衍射和散射方面界面上的状况如此接近，甚至近年来的热门研究课题“负折射”(negative refraction)，可以在相距遥远的波段(超声波与可见光)做非常类似的实验，得到几乎一致的物理现象。我们都知道在微波有金属壁管子做成的波导(waveguide)；在光频有介质光波导(optical waveguide)，即光纤；而在声频也有声波导(acoustic waveguide)。其传播规律是：横截面上不同的模式有不同的声场分布，每个模有自己的截止频率(cutoff frequency)，只有高于它(f>fc)的声波才能传播。低于截频(f

18世纪时数学家L.Euler在论文“论声音的传播”中给出了3维波方程

(3)

(4)

(5)

(6)

理想流体的可压缩流有多种解法，其中之一是扰动线化法。参考直匀流的情况，规定来流的流速为v∞，声速为c∞，Mach数为M∞；那么位(势)垒方程经处理和线化后，在2维流动条件下可得

(7)

所谓声障是指飞行器的速度曾长时间在亚音速(M<1)的水平上徘徊，以声速(M=1)飞行的企图遇到了实在的困难。早期的飞机速度慢，按不可压缩流体处理空气动力学问题便可满足要求。当M≥0.4，可压缩效应渐显，接近声速(M→1)时机头前空气密度急剧增大。当M=1，流体中的扰动相对于飞机已不传播，而是集中形成波面；机头与前面空气相遇时强烈压缩，密度剧增形成无形的墙(激波)，造成的阻力称为波阻。它消耗发动机功率约75%，带来很大困难。这时需要发展“近声速空气动力学”和“超声速空气动力学”。

钱学森和T.von Kármán在30年代最早提出了高超声速流的概念，为飞机克服声障提供了理论依据。他们的理论应用于高亚声速飞机的设计；实际上是在亚声速区域内把小扰动理论向非线性有所推进，虽然不能用于超声速问题的计算，但避免了奇点——在v=c时不会出现无限大质量密度。实际上，超声速飞机穿过声障时的气体密度只增大6倍[3]。在技术上，40年代有两大突破，一是后掠翼理论，二是使用Laval喷管，终于在1947年实现了超声速飞行。理论方面必须掌握以下要点，首先是空气动力学中，可压缩流体的速度势的波方程，经过线性化的形式为

(8)

这里我们用符号β取代符号M，是为了把相对论与空气动力学作比较。上式表示，从本质上讲波动力学的基本操作是对微分方程的辨识和求解。其次，在转到超声速区域后，物理规律也变了——压力越低、密度越小，速度反而不断增大。这时密度随相对速度变化的规律改变为

(9)

因而即使β>1，也不出现虚数。

回顾突破“声障”的过程，要点在于空气动力学经历了从线性化处理到作为非线性系统而处理的阶段。然而SR自诞生后就凝固化了，仍停留在初期的线性化阶段，而且理论物理学家拒绝作任何改变。航空界的飞机设计师们却没有诸多的理论思想限制，很快就实现了超声速飞行。因此，为了突破“光障”或许应当对SR添加一些高阶的非线性修正；而且也不能把Lorentz-Einstein质速公式当作教条而死抱不放。正如国际宇航联合会(IAF)的P.A.Murad[16]所说：“创建超光速宇宙飞船是一种挑战；虽然超光速航行与狭义相对论(SR)矛盾，但该理论并非包容一切，而是处理亚光速问题的理论”。

如果人类将来可以突破光障，是否就能进行超光速宇航？回答是非常困难，但并非毫无希望。化学燃料推进火箭的速度距光速c非常远(v/c=6×10-5)。将来改用新技术时，可变比冲磁等离子体火箭可达v/c=10-3；氘核聚变发动机火箭可达v/c=5×10-3；太阳帆可达v/c=10-2(激光驱动时可达3×10-1)；束芯反物质火箭可达v/c=5×10-1。……依靠这些已有的或可能有的技术手段，都不足以实现v/c≥1。为实现超光速宇航，目前已在概念上进行讨论的方法有：暗物质火箭，黑洞星船，曲速引擎。提出者认为它们可以用极高的超光速飞往其他星系。

4 “超光速物理”学科逐渐成型

超光速研究涉及物质的运动、万有引力、质量和能量与速度的关系、量子非局域性、宇宙中几种基本作用、波动现象的内涵、波粒二象性、光的本性、不同媒质间界面上的折射和反射、Gasimir效应、对光速的认识与测量……等众多问题，当然它也就成为通向更深刻的理论物理和实验物理的切入点。由于研究工作数量扩大、质量提高，近年来出现了“超光速物理”(Superluminal Light Physics，SLP)的提法[17]。我们认为这是事物发展的自然结果，虽然物理学界迄今并不认为有这一学科存在。按照笔者的观点，如果SLP可以成立，它还应包括粒子的近光速力学和超光速力学，以及超光速波动力学；甚至还应包含粒子隧穿(势垒)动力学；如此等等。

2007年出现了两本引人注目的专著，一是宋健的《航天纵横》[20]；二是国防科技大学谭暑生教授的《从狭义相对论到标准时空论》[21]。后者55.7万字，是作者在1983年提出标准时空论后多年研究的全面总结，宋健院士作序。此书在建立自己的理论体系的同时对以下概念作了否定：同时的相对性、局域性和光速极限性。该理论承认超光速运动的可能性，而无需依靠虚质量。在书的结尾处说：“现代物理学中的事实是：波函数ψ的相速度始终是超光速的；电子自旋的线速度是超光速的；暴胀宇宙学中存在超光速膨胀的物质相互作用。……标准时空论的研究表明，超光速联系、超光速作用和超光速运动是允许存在的，不与任何已有的实验事实相悖。利用超光速的弥散态背景场，可以建立宇宙中各种文明之间的通讯联系。可以设想在星际空间作弥散态的超光速飞行。……研究和掌握超光速运动的科学技术，是意义无与伦比的事业。研究和掌握超光速科学技术，人类才能真正摆脱孤独和愚昧，与各外星文明联系起来，进入崭新的时代！”

2008年笔者的书《超光速研究及电子学探索》出版[22]，内有7篇论文涉及超光速研究。其中的“引力传播速度研究及有关科学问题”一文，详细论述了为什么引力作用传播速度不可能是c，而是比c大很多的值；同时给出了引力波不可能存在的原因。另一篇文章探讨了负速度问题。

2009年季灏发表了题为“量热学法测量电子能量实验”一文[23]，在直线加速器上产生(6～15)Mev的高速电子轰击一个铅靶，用量热法测量电子的动能，从而研究电子的质速关系。实验数据结果与SR有很大矛盾，与Newton力学却接近。亦即认为电子质量与速度无关，而Lorentz力与速度有关。实验时电子速度达0.9997c。

近年来，上海交通大学的不同团队展开了研究并在国际学术期刊上发表论文。例如2011年张亮等在PRL刊登的文章“建基于Brillouin激光振荡之上的光纤中的负群速超光速传播”[17]。又如2012年任怀瑾等在PRL刊登的文章“反常色散媒质中的非线性Chrenkov辐射”[24]。后者的研究表明，当激光进入介质并激发非线性极化波时，特定的微纳结构可以对该极化波的相位传播进行可控的加速，从而实现“超光速”这一特殊物理过程，并产生奇异的光辐射现象。群速度超光速为SR所不容，而相速度超光速却在自然界中普遍存在。如由著名的de Broglie物质波方程可推导出具有波粒二象性的基本粒子如电子、质子等，其相速度均超过光速。de Broglie将其归结为四维空间在三维世界上的投影，即维度缺失，导致了四维空间中相速度并未超过光速的粒子在三维世界中表现出“超光速”的现象。文章作者发现用特定微纳结构可以使介质中自由传播的非线性极化波发生维度缺失，在理论上预期了当传播由三维退化为二维和一维时，非线性极化波将出现相速度超光速的现象。根据Huygens原理，相速度超光速将引发Chrenkov辐射(类似于战机超声速飞行时引发的声障)。这一点得到了实验观测证实，即通过人为改变极化波的相速度，可以实现可控的光辐射输出。同时由于相速度可以任意加快，实验证明了在传统的禁忌区域同样可以产生Cherenkov辐射。这项研究由陈险峰教授课题组独立提出并实验证实，拓展了人们对非线性光学过程及其应用的认识。

通过以上实例，可以看到“超光速物理”作为学科确已逐渐成型。本文以下的内容将更证明这一观点。因此对它的陈述不是提出建议，而是对众多情况和事实的归纳命名。

5 NASA研究曲速引擎

2012年9月19日美国《Time》周刊网站称：“NASA actually working on faster-than-light warp drive”(9月21日中国《参考消息》报刊出时题为“NASA着手研究超光速曲速引擎”)。这表示美国航天局已在安排专家研究超光速宇宙航行的问题，证明许多中外科学家的意见，包括宋健院士、林金研究员、笔者和杨新铁教授的观点，在总体上是正确的——考虑未来的航天和宇航时超光速是必由之路；这就给了我们精神上的鼓舞和科学上的期望。

Miguel Alcubierre是墨西哥物理学家，上世纪90年代在英国Wales大学物理与天文系任教，后又参加德国Max Planck研究所的工作。1994年他写了一篇文章题为“The warp drive：hyper-fast travel with general relativity”(“曲速引擎：广义相对论中的超高速旅行”)[25]。文章说，本文在广义相对论(GR)框架内在不引入虫洞(wormholes)的条件下证明改变空时(spacetime)即可使宇宙飞船以任意的超大速度飞行。如局部扩张飞船后部的时空和收缩飞船前面的时空，处在干扰区以外的观察者就会看到飞船以超光速运动。造成畸变令人联想到科幻小说中的“曲速引擎”。……正文有19个编了号的公式，是在GR框架内的推导演算。按照笔者的理解，所谓warp drive，是利用Einstein的4维时空观念而避免让实体飞船作真实的光速或超光速飞行。据说，在两个时空区之间放一球体，可创建一个移动球体周围时空的“曲速泡”——它以超光速飞行，而飞船本身无需运动(就本地参照系而言)。实现的关键是要有特殊物质以弯曲时空，而这需要木星级别的巨大能量。……现在H.White说，可以用改变曲速引擎的几何形状的方法简单地解决能量问题。这观点发表在2012年秋在美国召开的《星舰(star ship)百年研讨会》上，而H.White是NASA的物理学家。

在GR中，时间、空间被看成一个整体，即“空时”(space-time)或“时空”(time-space)；由于把引力描述为一种数学的(几何的)属性，“空时”或“时空”被认为可以弯曲，而时空曲率与时空中的物质和辐射的能量—动量张量相联系，并由引力场方程描写这种联系。……Alcubierre引擎方案是在认同相对论(SR和GR)正确性之下提出的，或许对超光速宇航而言只有象征性意义，缺乏现实性。我们认为所述方法是什么并不重要，要紧的是我们这星球最大的航天及宇航机构(NASA)对“超光速旅行”的重视。NASA所鼓励的是科学家们要大胆思考和提出创新设计，不能局限在某一种方法上；而超光速宇航才是根本目标。

6 信息能否以超光速传播

近10年来人们一直关注波速度问题，兴趣在于改变光脉冲的群速，产生光停、慢光、快光(快光faste-light指超光速的光)。在2001年，科学家已认识到能量传送速度超光速是可能的，条件是vg/c要很大[2，26]。在这一时期对负速度的认识也逐步深化。负群速的最早研究是在1914年，A.Sommerfeld和L.Brillouin[27]揭示出：NGV是比vg=∞还要快的速度。而在此前的1907年，A.Einstein[28]否定了负速度和信号以超光速传送的可能。

信息能否以超光速传送是人们最关心的问题。“群速不是信息速度”的说法最早见于Brillouin的1960年著作，讲的不是信息速度而是信号速度(vs)，是为了声明“The signal velocity is always less than(or at most equal to) the velocity of light in vacuum”。信号速度定义的依据是：“The arrival of the signal can be arbitrarily defined as the moment when the path of integration reaches the polejω”。亦即“信号到达时间可人为地定义为积分路径到达极点jω0的时间”。分析和计算的结果为：在远离ω0附近的区域与vg相同，在ω0附近vs≠vg；由于c/vs>1，vs

我们认为，无论信息速度也好，信号速度也好，根本点是消息传送的快慢。众所周知，技术上传送信息的方式是用已调波(modulated waves)，即把有用信息用波包的方式(通常频率较低)调制在载波(通常频率较高)之上，作整体性的输运。人们日常生活所用的广播信号、电视信号都是如此。因此根本问题在于整个波群的传输，而波包在传送过程中不发生失真才是最重要的要求。设波群由z=0处传输到z=l处，传播常数=α+jβ，这时笔者曾导出下述方程[29]：

β(ω)≅a+vgω

(10)

可以看出：若vg在频带δω中不变(或说群折射率ng在频带δω中不变)，频带内相位常数与频率呈线性关系；若频带内衰减常数恒定，则传播中波群(例如光脉冲)的形状不会改变，即不产生失真。而Brillouin的信号速度定义存在问题，数学意义超越物理意义。因此我们可以大胆推断说，众多NGV研究者已观察到的现象或许就是超光速通信。

1991年笔者在专著[14]中公布了自己的发现——在截止波导中消失态(evanescent state)条件下，既可能出现负群速，也可能(经由负相位常数)出现负相速。SB理论虽然早就提出可能出现负群速，但在当时却说不出在何种物理条件下NGV会现身；至于NPV(负相速)则被排除了可能性。英国Strathclyde大学的科学家于1999～2000年间进行了实验[30]，方法是对超薄金属板(厚度几十微米)用激光打孔，直径50μm的圆孔形成为独特的截止波导，从而可在比微波更高的波段(太赫T-rays)进行实验，证明了负相速的存在。……最近的情况是，海峡两岸都在研究NGV——有的用同轴线构建同轴光子晶体(CPC)，如中国传媒大学[31]和西安电子科技大学[32]；有的用级联波导，如台湾清华大学[33]；有的用光纤，如上海交通大学[17]。国外的工作，有的用级联波导[34]，有的用微带线[35]；不赘述。

研究“信息以超光速传播”的重要性不低于研制某种新引擎。NASA于1972年发射的“Pioneer 10”(译作“先驱者10号”)探测器被称为地球人类向外太空派出的首位形象大使，携带有C.Sagan等天文学家设计的“宇宙名片”。2003年1月NASA曾与这个唯一飞出太阳系的人造物体联系，费时11h，这是太慢了；宇宙之大使我们不再把速度c看作一种非常快的速度，而地面站发出的指令和通信只能用电磁波(传送速度为c)这一点就限制了宇宙中相互联系的效率。还可以设想另一种情况：在将来人类可以乘坐超光速宇宙飞船离开太阳系了(姑且这么说)，但地球上发出的电磁信号或光信号追不上它，也没有回复的可能——用电磁波无法观测超光速运动。应当开展相关的研究工作，道路仍然漫长。

必须指出，与此相关的“能速可否超光速”是无法回避的问题。通常把能速ve定义为单位时间内能量传送的距离。沿波的传播方向，单位时间内通过面积A的能量W就是贮存在截面A、长度ve的柱体内的能量，即vew0(w0为单位长度的贮能)；故有ve=W/w0，即能流密度/能量密度。深入的理论分析可以证明，由于左手材料(LHM)的出现而造成了下述可能：在正常色散区实现相速、群速、能速都大于光速。因此信息(信号)速度以超光速传送在理论上是可实现的。

7 中微子飞行速度问题

中微子以什么速度飞行？过去的说法有3种：亚光速、光速、超光速。2011年9月22日出版的《Nature》文章说[36]：“neutrinos can travel faster-than-light”；此报道是根据一篇预印网站论文(arXiv.org)[37]。由于这些报道，掀起了一股热潮；在国外和国内，都有赞成(中微子以超光速飞行)和反对两种意见。在笔者建议下《科技日报》于2011年11月7日组织了“超光速科学问题学术研讨会”，包括程津培院士、张钟华院士在内的20多位专家学者及报社人员与会。……初期的消息和反应较为乐观，但在2012年2月23日新华网自日内瓦发出电讯说，欧洲核子研究中心(CERN)在公报中承认，该机构参与的名为“中微子振荡实验”的项目中使用的测速方法存在问题。其中一处问题与为测量提供GPS同步服务的振荡器有关，可能导致对中微子运行时间的测量值偏大。另一处问题出在为项目主计时器导入GPS信号的光纤连接器上，与上一问题相反，该问题可能导致对中微子运行时间的测量值偏小。又说：“中微子振荡实验”项目的研究人员正在就两处问题的潜在影响进行评估。按照计划，新一轮实验将于5月启动。”然而后来一直没有欧洲人再次实验的消息。笔者就此事询问很早就研究中微子飞行速度问题的张操教授，他回答说：“中微子速度的确超过光速。1987年2月，超新星SN1987A爆发时，科学家就发现其中既有中微子又有光子，中微子到达地球的时间比光子早了3个多小时。……” 2011年10月18日，《科技日报》社已举行过一次“中微子超光速问题研讨会”。在会上，中国科学院理论物理所李淼研究员也曾提到上述事件：“SN1987A超新星距地球16.83万光年，于公元前1681万年左右爆发，1987年光抵达地球。在光到地球的3h前，世界各地有3台中微子探测器同时测到一股中微子爆发，这似乎表明中微子比光快。”关于OPERA实验，他说“其初衷是研究中微子振荡，追寻τ中微子的踪迹。但出人意料的是，科学家们发现中微子比光子跑得快。中微子实际传播732km，旅行时间0.0024s”；速度测量的难点是如何精确测量距离和时间。计算结果表明，中微子速度为299798454 m/s，比真空中光速c(299792458 m/s)快了5996 m/s。他认为要检查测量中的系统误差，又评估了如果OPERA实验属实对物理学理论可能产生的影响。

“中微子超光速”热潮早已过去。笔者的观点是，欧洲科学家前后矛盾，发出了混乱的信号，174位实验者直到现在也未有人出来作清楚的交代。一些物理学家可能认为事情已结束，中微子没有(也不可能)以超光速飞行。我们认为情况并非如此，OPERA实验没有证明中微子以超光速飞行，不等于已证明中微子不可能以超光速飞行。现在并没有它以亚光速或光速飞行的实验证据。这样一来，中微子飞行速度仍处在未知领域。2012年，中国科学院上海应用物理所研究员艾小白在北欧刊物上发表文章(Ai X B，Phys.Scripta，2012，Vol.85，045005，1～4)，对OPERA实验测量其能量—速度关系，以帮助判断。

其实，近年来发生了另一件重要的事，却从未引起大家注意：瑞士科学家N.Gisin领导的团队经多年研究，完成了对“光子纠缠态传播速度”的测量，结果是超过光速c很多倍，但不是无限大[38]。限于篇幅，本文不再论述这个问题。

8 关于改装加速器和寻找超光速粒子

1907年，A.Sommerfeld在其著作《理论物理学教程·光学卷》中说，Maxwell方程组对超光速运动客体也同样适用。而在此前的1904年，Sommerfeld发表过一篇文章[见K.Akad.Wet.Amsterdan Proc.，8(1904)，346]，讨论了超光速粒子假如存在会出现的情况(如粒子失去能量时会加速运动，获得能量时会减速运动)。就是说，在SR提出之前，A.Sommerfeld曾认真地考虑过超光速问题，并不排除超光速运动的可能性。

20世纪60年代人们开始以实验寻找快子(tachyons)[39]，没有成功。90年代以来超光速实验有所进展，主要是发现短波脉冲、微波脉冲、光脉冲能以超光速传送，无论对无源媒质(passive media)或增益媒质(gain media)均如此。速度可以是光速c的数倍，但也可能是非常大。另外，在负波速(超光速的一种形式)方面论文很多，成绩突出。不仅如此，还发现电磁波(光波)的本身也可以被加速而成为超光速。在粒子方面，早在1993年就有Berkeley加州大学(UC-Berkeley)完成的“光子赛跑实验”，按论文作者的姓氏排序称为SKC实验[40]，确定单光子可以按照比c大70%的速度运动(v/c=1.7)。然而，至今尚无一个实验证明有质量粒子(如电子、质子、中子、原子)可以作超光速运动。

反对超光速可能性的人士常说，现有的加速器从来都是把电子或质子加速到非常接近c的值，例如0.99999c之类，根本没有加速到c以上的事情。但这样说只是一种逻辑循环互证——用“相对论正确”解释“电子(或质子)不可能被加速到光速以上”，又用“电子(或质子)只作亚光速运动”来证明“相对论正确”。问题在于，由于缺少对中性粒子(如中子)的加速技术，总是用本征速度为c的电磁场作为加速带电粒子(电子或质子)的手段；而用亚光速的加速器自然不能获得超过c的速度。作为超光速研究者，我们也不认为需要不断加大能量来获得超光速的粒子运动，前已指出，航空工程中超声速飞机设计中的Laval喷管，使气流连续地从亚声速加速到超声速的方法——压力越低、密度越小，能量越少，速度反而不断增大。受此启发笔者提出了尝试用截止波导中的消失场构建超光速电子运动电磁环境的建议[41]，又提出把广泛实现了的“群速超光速”为研究起点，希望在改装后的加速器上由实验发现可能的超光速奇异粒子(meta electron或meta proton)。而且这在理论上可与粒子的量子隧穿(quantum tunneling)联系起来思考，那里的消失态几率波正切合我们的需要。……由于笔者不是加速器专家，因此邀请中国科技大学国家同步辐射实验室裴元吉教授参加于2011年11月7日在《科技日报》社召开的会议，他在题为“超光速实验方案探讨”的报告中说，到目前为止，带电粒子动力学都是建立在“光速为极限”的基础上，即遵循相对论力学。尽管目前建造的加速器尚未发现与此有矛盾，但所有测试粒子运动参数方法的理论基础也是相对论，即便有矛盾也很难发现。建议设计相速1.05c的加速管(长1.2m)；产生束团长度ps级的电子束；然后调节移相器测量不同相位时的束流能量。通过初步实验寻找终点和原因，看看能否突破相对论的束缚。……我们高兴地看到，已有加速器专家抱持一种开放的态度，这就带来了希望。

行文至此，必须承认还没有真正可行的方法实施v/c>1的旅行，因此笔者才慎重地说：“超光速宇宙航行非常困难，但并非毫无希望”。现在要做的是以实验证明有质量的微观粒子(物质粒子)以超光速飞行是可能的，所以笔者多次提出应当对电子、质子(甚至中子、原子)进行实验。由于对中性(不带电)粒子加速有困难，可以尝试改装现有的对带电粒子(电子、质子)的加速器，为实验研究开辟一个新天地。

9 究竟是什么以299792458 m/s的速度行进

最后我们讨论光速本身的问题。1670年，丹麦天文学家Olaus Roemer提出了历史上第一个光速c观测数据：c=214000 km/s；它比真实值低了大约30%。Roemer的功绩是用实验证明光速为有限值而非无限大。在这以后一直到20世纪80年代，人类测量光速的工作持续了约300年。表1是我们搜集的1676—1958年间光速测量的3个类型、18个典型测量值。表中的系统误差是与标准值(c=299792458 m/s)作比较时算出的，而这个值是在20世纪70年代用高精度激光方法测得的。由表1可见，光学测量的最好数据是1948年用光学测距仪测得的结果(系统误差为1.8×10-6)；电学测量的最好数据是1923年用LC回路及平行双线对电磁波(导波)测得的结果(系统误差为8×10-6)；微波测量的最好数据是1950年用圆柱谐振腔对电磁波(驻波)测得的结果(系统误差为1.4×10-7)。

表1 1676—1958年的光速测量值

1972年，美国标准局(NBS)K.M.Evenson等[42]以高度复杂的技术对甲烷(CH4)稳定激光完成了测频，实现了光频测量。实验采用了铯原子频标出发的激光频率链，其中包括6台不同的激光器和5个微波速调管。结果得到

fCH4=88.376181627×1012Hz

测量精度达6×10-10；故可算出真空中光速

c=λCH4fCH4=(299792456±1.1) m/s

(11)

即精度达3.6×10-9；这样，真空中光速c的测量精度提高了100倍。1973年6月，国际计量局米定义咨询委员会决定，取激光波长λ=3.39223140μm，激光频率同前，算出

c=299792458 m/s

(12)

作为公认的光速值。同年8月，国际天文联合会决定采用。1975年，第15届国际计量大会认可了这个值。当时人们就认为，精测真空中光速c成功有新的科学意义。正如大家所知，基本的计量单位有7个，即米、千克(公斤)、秒、安[培]、开[尔文]、摩[尔]、坎[德拉]。在这些基本单位中，精度最高的是时间(频率)，其次是长度。米定义方法早期用原器，1960年才开始按原子的辐射跃迁来定义，即“Kr-86原子的2p10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73倍”。相应的长度基准称为Kr-86基准。至于时间(或频率)，1967年国际上规定的秒定义为，“Cs-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间。”尽管按原子状态来定义比起过去优越，但存在的问题也很明显：对同一辐射(同一跃迁)，波长是一种单位，频率又是一种单位，二者互相独立，建立计量基准的方法也不同。能否统一起来，从而减少一个基本单位？由于精测真空中光速c达到了高水平，出现了用下式定义长度的可能：

(13)

式中c是恒量，频率f是基本单位，波长λ成为导出单位。这样，长度不再是基本单位，而是导出单位。1983年，国际上规定了新的米定义：1m是平面电磁波在真空中在(299792458)-1s内走过的距离。此后亦不再搞光速测量。

从1983年到2013年又过去了30年。这个时期波科学及物理光学有巨大发展，超光速研究(含负波速研究)也在各国广泛展开。现在看过去的作法会产生下述问题：“究竟是什么东西以299792458 m/s的速度行进？”造成问题的原因之一是对“真空中光速c”缺乏明确定义。”如说“光子在真空中的飞行速度就是真空中光速”，但迄今无人做过直接测量光子速度的实验。因此，只能说“真空中光速是指光波在真空中传播的速度”，这样定义确有精密实验的基础。然而NBS实验是在特定条件(在一定频率上针对甲烷CH4)做的，如果条件改变(频率改变或测量物质改变)会怎样？我们并不知道。亦即存在一个c值恒定性、稳定性的验证问题。在这个问题解决前即宣称“c值不再具有不确定度，可以固定下来”，是不妥的，也没有给研究和发展留下空间。另外，c值的精确性依赖于f、λ二者的精确性；然而λ与f不同，它是一个复杂的物理量，只有平面波才有真正确定的值。然而理想的平面波并不存在[18，19]。

(14)

式中v是当地的自转线速度，L是两地间距。实验如成功将是划时代的；因为用两个地面站和卫星的实验会被人说是“地球自转的Sagnac效应”造成的，而Sagnac效应是争论性大的课题。

总之，科学家们仍在研究光速不变性问题。西安方面正准备用氢钟和光纤做实验，对氢钟信号作相位比对，数据处理后可得到光速传播的相对速度变化率。正如中国计量科学院沈乃澂研究员在《光频标》一书中所说[48]，目前复现米定义的准确度为10-11～10-14量级，科学家们致力于在更高精度下检验光速c是否恒定，这类实验是十分重要的。

2013年3月25日美国“每日科学”网站报导说，法国科学家、德国科学家各自提出了研究成果将发表在欧洲物理学杂志上，内容是说光速是真实的特性常数，而量子理论认为真空并非空无一物，而是忽隐忽现的粒子。这导致光速c不是固定不变，而是有起伏的值！

经典力学中速度不可能是没有方向的标量，而是有明确指向的矢量。1983年国际计量组织所定义的c，与空间、时间或者光子的运动都没有关系。……另一方面，由于光是波又是光子，我们似乎可以不加证明地推断光子速度就是299792458 m/s。然而自然科学不能要求人们接受缺乏实验证明的事情。由于光子有其运动路径(轨迹)，说“光子的速度是标量”恐怕不行。于是又陷入了概念上的混乱。况且光是大量光子的综合表现，人们不知道光子之间是否毫无速度上的差别，大家都精确地按照299792458 m/s飞行？这些问题都是不清楚的。

2011年6月17日美国《Phys.Rev.Lett》发表了香港科技大学学者们的单光子研究论文[52]；实验中使用的(2D)85Rb磁光阱(MOT)工作在超低温10-4K，泵频wp对应780nm波长。实验结论是对单光子而言因果性(causality)仍正确，单光子的最大速度是c。论文是生动而富含启发性的。但说它“为单一光子携带信息的最大速度之争画上句号”则欠妥。更何况，在量子理论中对因果性本来就不能简单化地理解。

10 结束语

在中国北京召开的242次香山科学会议已过去10年，在会议上和会后都取得了多方面的科学技术进展，吸引了越来越多的人参与工作。尽管当前全世界的超光速研究还处在非常初步的阶段，但已可以断言所谓“光障”挡不住人类前进的脚步。无可争辩的事实是，相关的研究在10年中已取得了许多成果。正如R.Feynman[53]所说，“科学的用处在于不断进步的过程中尝试提出新的猜想，而我们要做的事是不顾一切往前进行。”相信新学科“超光速物理”有美好的未来！

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“LightBarrier”can’tResisttheHumanAdvancements——In memory of 242nd Xangshen Science Conference

HUANG Zhi-xun

(Communication University of China，Beijing 100024，China)

The subject of 242nd Xangshan Science Conference was “Frontier Issues on Astronautics and Light Barrier”.We know in 1905，A.Einstein brought forward the confidence that “velocities greater than that of light have no possibility of existence”.It is so-called “light barrier”.But in this conference Song Jian says，this idea only may be hypothesized or guessed about the movement without any information about it and nothing could be seen.Now，a flight within the solar system is called space-flight and beyond the solar system is astronautic.In this century the first astronauts will travel beyond the solar system and come back safely.To fly out of the solar system has long been the ambition of mankind.But many paramount theoretical and technical problems have to be solved before that.As a consequence，the speed of travel to be increased to the magnitude of the speed of light or，if possible，faster than the speed of light.

In this paper，we try to remember the achievements in 242nd Xangshan Science Conference before 10 years，and we discuss the research works of faster-than-light subject in decade of 2003～2013.First，we compare the present “light barrier” problem with the past “sonic barrier” problem，the results of the compressible fluid mechanics can be used to the faster-than-light research，the developments of the aerodynamics will give good references for break through the light barrier.Second，we discuss the velocity of information，and in past decade the negative group velocity(NGV) was founded by experiments of several scientists，moreover it is accepted that the NGV is faster than the light speedc.The group velocity faster-than-light experiments was great success，from the viewpoint of wave-particle duality，we must try to discover the meta-electrons moved superluminality.We will consider to check the accelerator，and the particle loses energy to accelerates after through the potential barrier.It is similar to the break through sound barrier，such as the Laval tube.…… We also discuss the Alcubierre’s warp drive engine，the way was modified the spacetime that allows a spaceship to travel with speed of faster-than-light.Although it is a hypothesis only，but in Sep.19/2012 the 《Time》 weekly magazine says：“NASA actually working on faster-than-light warp drive”.And it is highly important for us to a correct conclusion：the faster-than-light astronautic flight be approved by the NASA.

According to the developments of faster-than-light research in past decade，there are indications that the newly subject of “Superluminal Light Physics” is an established fact.Furthermore，we discuss the definition of the light velocity in vacuumc，including the problem of light-speed constancy.

Xangshen Science Conference；light barrier；faster-than-light astronautic flight；Superluminal Light Physics；warp drive engine

2013-03-17

黄志洵(1936- )，男(汉族)，北京市人，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员。

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1673-4793(2013)03-0001-16

王谦)