使自由空间中光速变慢的研究进展
2016-01-05 00:46黄志洵
中国传媒大学学报(自然科学版) 2015年2期
使自由空间中光速变慢的研究进展
黄志洵
(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)
摘要：1905年Einstein发表了著名的狭义相对论(SR)文章，其中说光在真空中总以不变的速度传播。然而这个光速不变性原理一直缺乏可靠的实验证明，近年来的一些研究成果倒像是证伪了这一原理。例如，美国Maryland大学的物理学家James Franson于2014年6月发表论文引起物理界的广泛关注，文章宣称已可证明光速比过去所认为的值要慢。他的论据来源于对1987年超新星SN1987A的观测，当时在地球上检测到由爆发而来的光子和中微子，而光子比中微子晚到4.7h，过去对此现象人们只作了模糊的解释。Franson认为这可能是由光子的真空极化造成的——光子分开为一个正电子和一个电子，在很短时间内又重组为光子。在引力势作用下，重组时粒子能量有微小改变，使速度变慢。粒子在飞经168000光年的过程中(从SN1987A到地球)，这种不断发生的分合将造成光子晚到4.7h。
另一个例子是，2015年1月英国Glasgow大学的Padgett研究组做到了使光的运行比真空中光速(c)要慢。他们使光子经过一个专用的散射结构物，波形被改变，从而速度变慢。令人惊奇的是，光子出来后(即回到自由空间)仍以减慢了的速度行进。
Franson理论和Padgett小组实验损坏了真空中光速的恒值性，使c成为“不恒定的常数”，或“不常的常数”。这种情况妨害了SR理论及现行米定义的理论基础。
另外，本文比较了1993年的SKC实验和2015年的空间结构化光子实验，前者以量子隧穿和消失波为基础，后者则改变光束的横向空间结构。二者都使用相关光子对，结果都显示光子群速的变化。如今或许可以终结关于光速不变原理的讨论。……在现代物理学中波粒二象性仍是难题，但新近研究对此有新的理解，与互补原理不同；故更宜于用波理论解释粒子实验。在Padgett小组实验中，无论Bessel波束或Gauss波束光子群速均减小，表现为在1m的实验距离上迟到若干微米。……最后，本文指出近年来的光速研究为波科学带来丰富体验，为理论思维造成新机会。
关键词：真空中光速；光速不变原理；米定义；波粒二象性
中图分类号：Q413文献标识码：A
收稿日期：2015-02-28
作者简介：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。
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，Franson 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称为自由空间中光速，是基本物理常数之一；它对物理学许多分支尤其是Einstein的相对论而言都至关重要。狭义相对论(SR)赋予光速非常特殊的性质，一是“光速不变”原理，二是“光速不可超过”原则；对它们的研究和讨论已持续了很多年。1973年国际计量局(BIPM)决定真空中光速c值为299792458m/s；它的基础是高精度光频测量和高精度光波长测量，再用标量方程c=λf求出真空中光速。1983年国际计量大会(CGPM)根据这个值规定了新的米定义；从那时起c值被固定化了，亦即真空中光速成为指定值；国际计量界认为无需再测量真空中光速。1983年的米定义已沿用至今。
但关于光速的研究没有停止也不会停止。从2014年中到2015年初，国内外出现了一些较重要的论文[1-3]，引起了较大的反响。本文先讨论关于证明“光速并非恒定不变”的新实验[3]，然后再讨论关于证明“光速并非恒定不变”的新理论[1]。
2证明光速可变的新实验
2015年1月有报道说，英国Glasgow大学的研究团队经两年半努力做成功一项实验，证明光速并非恒定不变；亦即光并不总是以光速传播，即使在真空条件下也是如此。研究论文从在预印本网站arXiv.出现到在美国《Science Express》上刊登只经过几天时间，而且迅即被各国媒体传播报导。1月22日，D.Giovannini等[3]的论文发表在《Science Express》上；同日，英国广播公司(BBC)公布了对学术带头人M. Padgett教授的采访。1月27日，中国新闻网发表一个简短报道，标题是“英国科学家成功降低真空中光速，或将颠复Einstein理论。”
报道说，研究人员用光子发生器发射出几对光子束，使它们沿不同路径到达同一个探测器。在每对光子束中，一束光子通过光纤直接传播，另一束光子则要穿过某些设备。这些设备会操控光的结构，然后再将其恢复原状。如果光的结构无关紧要，那么两束光子就会同时被探测器捕捉到。但事实却不是这样；研究人员经过测算后发现，每传播1m结构光就会比普通光迟到若干微米，多次实验的结果始终如此。
笔者认为上述报道不够准确；实验者并非让“两束光”赛跑，而是让同时产生的2个单光子赛跑。这种实验方法可溯源到1987年Mendel团队的工作[4]，而1993年曾被美国Berkeley加州大学(UC-Berkeley)的科学家采用，即著名的SKC实验[5]；结果是经过势垒(potential barrier)的单光子速度比值快了70%！
同样是新闻报道，《BBC News》的文章更准确些。记者K.Macdonald[6]通过与研究团队成员交谈，了解到下述情况——实验者用2.5年时间的工作似乎改变了科学界对光的看法。他们使光子成对并赛跑，一个光子保持原态，另一个经过专门的隐蔽物(mask)；后者使光子变形并放慢速度；在那之后光子进入一段约长1m的路径。现在比较两者的到达时间。然而那个复形光子(reshaped photon)即使回到自由空间，仍以低于光速的速度行进。光以慢于光速的速度前进，这是什么观念呢？
Padgett说，一个光脉冲包含有非常多的光子，而我们的实验是针对单光子，研究其传播速度，结果发现它可以在比c小的速度上运动。也就是说，空间建构的光子在真空中的行进速度可比光速慢(spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light)。关键元件是mask，它是软件控制的液晶器件，能给光加花样，使之变慢。然而对于作为粒子的光子，怎能强使它带上“花样”呢？从波粒二象性考虑，光子既是粒子，又是可以改变形状(change the shape)的波动……在《Sci. Exp.》发表的论文中[3]，实验者说：“现代物理学的基石之一是：自由空间中光速为常数。然而光束横尺寸为有限值，其波矢的变更造成相速、群速变化。本文研究单光子群速，方法是测量到达时间的改变，而这是光的横向空间结构变化造成的，用关联光子对，我们显示了光子群速的减小，无论Bessel波束中的光子或聚焦Gauss波束中的光子都如此。在这些情况下，若传播距离为1m，延迟为若干微米。本文的工作显示，即使在自由空间，光速不变性仅限于平面波”。
为了以飞秒(femtosecond)级精度测量单光子的到达时间，采用一种以量子效应为基础的方法——HOM干涉法，论文发表在1987年PRL上[4]。一路经过自由空间的作参考，另一路经过SLM1，提供空间整形(spatial shaping)作用。但第2个SLM(SLM2)是使第1个SLM引入的结构作用反回去。这里SLM表示spatial light modulator，即空间化光调制器，是实验中的关键器件之一。
实验布置见图1；先由参数下变频器提供光子对，然后被棱镜KEP分开，并经过带通滤波器BPF；用多个半波板HWP使空间光调器SLM的效率最大，并与光纤PMF匹配。两路光子进入分波器BS，输出是单模光纤SMF；两路各接到光电二极管SPAD，最终送到符合计数器(det)。
该文所测量的是距离的延迟量(delay，用μm单位)，数据分布在(1.5~8)μm；并可与下述理论公式比较：
图1 Padgett小组的实验布置
(1)
3新实验的意义
我们该如何评价Padgett团队的实验工作？笔者的观点如下：首先，该工作虽然以双光子运动为基础，但测量过程并不把它们当成粒子，而是当成波动。并且是测量群速vg所对应的群时延(τg)，这里使用了笔者惯用的符号和说法。论文以对波粒二象性的认知作为基础，而且整个工作并非对真空中光速c作直接测量。尽管如此，他们仍然推断出“光子(或光波)即使回到自由空间，速度仍小于c，并没有恢复到c”；而这是最令人惊奇的现象。科学名刊能刊登此文显然也是基于这一点。因此我们认为，Padgett小组的科学家们具有巧妙的实验设计方法和敏锐的物理直感，从小见大抓住了要害。
摘要其次，2014年冬季笔者曾发表论文“真空中光速及现行米定义质疑”[2]；该文在“”中说：1905年Einstein提出狭义相对论(SR)[7]，其中有一个公设——光速不变性原理，但迄今缺乏真正的实验证明；近年来却有一些实验结果可能证伪了光速不变性。这种情况损害了国际计量大会(CGPM)1983年米定义的理论基础。”2014年秋季笔者写作时并不知道Glasgow大学团队已对光速不变性的实验研究已进行2年多，实际上处在收尾和总结阶段；当时写下这些话是根据既往的情况。现在可以说，论文[3]的发表证明了这几句话的正确性。
那么，2015年1月发表的Glasgow大学实验是否对SR构成威胁甚至动摇了它的基础呢？在英国物理科学新闻网站和中国新闻网的报道中，执笔的科学记者以其职业敏感，都提到了Einstein和相对论。国内发行量很大的报纸《参考消息》，报道时使用的标题是“光速并非恒定不变”。笔者认为，应当承认这个实验对SR构成了冲击；但是否能看成为一种决定性的证伪实验则很难说。
SR赋与光速c一种特殊性质：在任何情况下恒定不变。速度的大小取决于空间尺度与时间尺度的比，然而正是SR说空间、时间都是相对的。由两个并无绝对不变性的量，取比值后却成了具有绝对恒定不变性质的量，这在逻辑上说不通。更何况早就有人指出，SR中光速不变的绝对性与强调运动相对性的狭义相对性原理有根本上的矛盾[8]。所有这些理论思考实际上都不支持“光速不变性”假说。故有新实验证明“光速可变”并不奇怪。
再者，Padgett团队文章中所说的“自由空间”(free space)实即真空；然而现代物理学已把真空看成一种媒质，是有结构的。量子理论的真空观已抛弃了传统观点(“真空是空无一物的空间”)，因而“真空中光速c”已不可能是恒定不变的常数。实验物理学家已经证明(今后还将继续证明)这些新的看法。
4与SKC实验比较
有一个必须追索的问题是，为什么新实验中的“结构光”(structured light)在复原(reshaping)之后，回到自由空间(真空)中时，即在到达det前的这个过程中，其行进速度并不回到c，而仍然是小于c，从而造成“比普通光迟到若干微米”？这个问题最为关键也最难回答。为进行讨论，我们回过头来看看SKC实验。 1993年，美国科学家A.M.Steinberg，P.G.Kwait和R.Y. Chiao(乔瑞宇)联名发表了“单光子隧穿时间的测量”论文[5]，报道了一个构思与设计都出色的超光速实验。它实际上是设法使2个光子赛跑，并比较其到达终点的时间。这个实验(我们称其为SKC实验)有以下几个特点：
(1)既然要使2个光子赛跑，如何使它们精确地同时出发就成为一个难题。SKC实验是使用相关联双光子(correlated two photons，CTP)；虽然这不是最早使用这一技术的事例，但却是构思巧妙并成功实践的例子。具体讲，用激光照射可降频晶体，产生双光子(Ⅰ和Ⅱ)，然后让它们通过不同路径(A和B)到达同一终端的光子检测器。
(2)必须设计一个合适的结构以充当势垒，或叫滤光器。SKC选用TiO2和SiO2两种材料的薄膜，它们具有不同的折射率，不同材料交叠后总厚度只有1μm，以便与非常短的光波波长相适应。这一结构应用时要与激光波长的选取相配合，以使入射的大部分光子被反射，而只有少数光子通过它，从而创造出一种消失波的原理和效果。
(3)由于是处理飞秒级时间间隔的技术，整个系统的灵敏度和分辨率要求非常高。美国Rochester大学L.Mendel教授研制的干涉仪具有106级的增益系数，配合使用灵敏度10-9s的符合计数器(conic counter)，使这一问题得到解决。
图2是SKC实验的布置，DB代表dielectric barrier(介电障碍，即势垒)，它的制作可以是在基片上搞多层涂复。作为基片的SiO2，无耗时折射率n=1.41，有耗时n=1.41+j0.0372；TiO2材料，不论无耗、有耗，均有n=2.22。针对激光源(L)的频率f0=5.37×1015Hz，做成λ/4结构(λ是波长)。BS代表beam splitter(束分光器)，也称半镀银镜。P是三棱镜，CC是符合计数器，PD是光子检测器，L是激光源。CTP一旦产生，即同时出发，分A、B两路前进(光子Ⅰ走A路，主要经过空气；光子Ⅱ走B路，要经过DB)。两路光子冲击50%的BS表面，最后由PD负责检测。如果2个光子同时到达BS，它们必定会汇合一起，再沿相同路径离开BS，到达PD1或PD2。亦即当2个光子的波包在BS理想地交搭时，符合率达到最小。这可由下述方法调整实现——在干涉仪臂中移动选定的镜(注意S处的箭头)，从而补偿由DB造成的时延。总之，调试的要点是先撤除DB，2路光子都穿过空气，当CC显示信号消失就表明两光路长度相同。然后插入DB，CC有显示；重新调整路径长度使显示为零，长度补偿的多少代表时间差的大小。测量时间差△t是实验的关键之点。
(a)示意图
(b)实际光路 图2 SKC双光子赛跑的实验布置
相关光子对从开始到达终点，所需时间只有几飞秒，故检测两路光子的时间差是非常困难的，但SKC实验者却以完美的方法做到了。设势垒厚度为l，光子穿越它的时间为tB(tB=l/v，v是隧穿速度)，而在A路(即在空气中)穿越同样长度的时间为tA(tA=l/c，c是光速)。那么就有
故得
(2)
现在l，c均已知，故只需测出△t就可得v。实际上，l=10-6m，而测得△t= 1.5×10-15s，故可算出v=1.7c(误差±0.2c)。另外，还可推算出tA=3.64fs，tB=2.14fs。
因此，SKC实验使一个光子的速度比光速快了70%!实验如此出色，以致英国科学刊物《New Scientist》于1995年曾发表对它的评论[9]。为避免使相对论(SR)陷入困境，有一种解释是：把光子看成一个波包；如果势垒使波包变形，例如使波峰(最可能找到光子的位置)提前，穿过势垒的光子比在空气传播的光子可能更早到达终端。……然而，考虑到该实验的精确(时间测量达到10-15s)和结果的突出(光子超过光速70%)，这种用模糊语言的定性说明显得很勉强。实际上《New scientist》周刊也承认，最先被探测器记录的正是运动最快的隧穿光子，是超光速的。
为什么光子经过势垒会被加速甚至成为超光速？从多个角度可以解释。首先是量子隧道效应中的微观粒子输运的动力学过程，对隧穿时间的研究一直是一个复杂课题[10]。1932年L.MacColl[11]发表题为“波包在势垒中的传输和反射”论文，提出了第一个关于隧穿时间的分析理论，他使用了非相对论性量子波方程(Schrödinger方程)。他说入射波包将分解为一个反射波包(reflected packet)和一个出射波包(transmitted packet)；分析发现，当出射波包在势垒后端(z=l处)出现，其时间大约与入射波包(incident packet)到达势垒前端(z=0处)相同；故波包经过势垒时没有可以觉察到的时延。因此，MacColl认为出射波包峰大约是在入射波包峰抵达势垒时离开势垒，故对应的时延为零，相应的速度是无限大。即使时延非零，由于隧穿是在特别短的时间上发生(tunneling takes place in an extremely short time)，获得超光速也是自然的事。
(3)
如E
上述情况说明，对1993年的SKC光子赛跑超光速实验不容易给出十分清晰的解释，因为光子“又是粒子又是波”，这本身就让人胡涂(Feymann曾把波粒二象性称之为“混乱的情况”)，……那么研究亚光速实验是否容易些？问题在于，虽然减慢光速很方便，只需让光从真空通过改为穿越某种物质；问题是光从物质中出来应恢复速度为c。而2015年初的上述实验，光从mask出来后保持低于光速而不恢复为c；这是不好解释的。
为了与Padgett小组的实验作比较，我们提出如下问题：SKC实验中走B路的光子被势垒加速，它从势垒出来后其速度是c还是1.7c？亦即它是回到“自由空间光速”(真空中光速)，还是回不去了(因而保持大于c的速度)？答案显然是后者；如果到达det的两路光子都是c，符合计数器将无事可做(显示零)。……因此，SKC实验的情况与Padgett小组实验的情况相似——前者用barrier，造成光子加速；后者用mask，造成光子减速。但现在这个mask却不是某种物质，而是一种功能性系统的作用，这由图1看得很清楚。用物质(媒质)减慢光速很容易，但却不能让光出去后还保持慢速。新实验能做到这一点是了不起的，是来自人类智慧的设计所造成的，产生了“冲击传统理论”的效果。这个“功能性系统”在文中称为信号臂(signal arm)，主要包括3个HWP和2个SLM。用液晶构成的SLM提供散射作用，相位0~2π(平均π值)，受软件控制。……但对笔者而言，SLM的设计仍然是奇怪的谜团，不知道究竟如何构成的！
5从波粒二象性出发的分析
在物理学中波粒二象性(WPD)一直是著名的难题。传统的看法是微观粒子有时呈现出粒子性(有确定路径，不产生干涉条纹)；有时呈现出波动性(产生干涉条纹，没有确定路径)。一般讲不能同时观测到二者，即不能在产生干涉条纹时又获得其路径信息。著名的Bohr互补性原理认为，微观世界中粒子性和波动性是互补的，没有一个实验可以同时显示这两个特性；应从“互斥即互补”角度去看待这种经典物理中不存在的情况。英国科学刊物《New Scientist》于2004年、2007年两次报道美籍伊朗物理学家S.Afshar的实验[16，17]，因为他声称自己在新设计的双缝实验中做到了Bohr认为不可能的事——同时看到光子的粒子性和波动性。但是，Afshar实验并不是一个严格的which way实验，亦即未能真正做到既跟踪光子路径又还能看到干涉，故Afshar并未驳倒Bohr。
早期的WPD实验用光子或电子进行，但困难太大。1991年M.Scully建议用原子(实为低温下的冷原子)做实验，因其de Broglie波长很大，容易观察到干涉图样。问题在于如何判定原子经过双缝时走哪条路(which way)；1998年Dürr[18]等发表论文“用原子干涉仪进行的which way实验的互补性检测”，是一个里程碑式的实验；特点是用原子内部态来存贮which way信息，并得出结论说：“互补关系不一定是靠测不准原理来实施”。……因此对于仍用光子的双缝实验而言(例如Afshar)，应尽量采用Dürr的作法——用内部态标记空间态；再看是否还能有干涉条纹，才能确定Bohr是否错了。
在2000年，倪光炯、陈苏卿[19]把WPD归结为：微观粒子运动时若量子相干性尚未破坏，应当作波；当它已被探测到，则显示粒子性。认为这是两个不同层次的二象性，不是在同一层次上的“既像粒子又像波”。笔者觉得这个观点与Bohr相似但又不全同。他们还重述了Dirac于1930年提出的观点：“一个光子是自己同自己发生干涉的”，而且这一论述曾在1988年被实验所证明。……这些情况增加了研究WPD问题的微妙和复杂。……最近中国科学院物理所研究员李志远[20]通过深入分析研究提出了独特观点，认为“违背互补原理是可能的”。在两种不同情况(Young双缝干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪)下提出了可同时观测波性与粒子性的方案。因此，认为互补原理可以打破。有关分析尚有待实验证明，但不受权威束缚的研究精神和方法是突出的。
理论界的这些进展有助于思考Padgett团队的新实验。文献[3]在最后说：“自由空间中的光速是一个基本量，在相对论和场论中都是关键性的，也有许多技术性用途。过去已在SKC实验中研究了单光子以群速行进的情况。我们所做的群速测量是关于1个参考光子(reference photon)和1个空间结构化光子(spatially structured photon)的传播速度的差值，并没有直接测量光的速度。总之，我们测量的是光子的群速，结果显示光子的横向建构(transverse structuring)造成群速减小。相应工作是对群速简谐平均值(harmonic average)的严格计算。所观测到的效应可应用到任何波动(包括声波)理论中”，从这些话可以看出，论文的基础虽然和SKC实验一样是让同时产生的1对单光子分两路走(“赛跑”)，但作者仍然用波动理论来解释实验。因此，要准确判断这个实验的意义。离不开WPD分析。
6另一个“光速减慢”理论
无独有偶，在Padgett小组发表实验工作前半年(2014年6月)，美国物理学家J.Franson[1]提出了一篇理论分析文章，说“光速可能比先前认为的慢”。据中外媒体报道说，“Franson的理论如果得到证实。目前的物理学将被彻底颠覆，许多著名理论将被改写”。他的论点基于对超新星SN 1987A爆发的研究。这次超新星爆发发生在1987年2月24日，在几个月时间里用肉眼都可以看到，是自1604年以来人类观测到的最明亮超新星爆发。当时人们在地球上同时探测到了来自SN 1987A的光子和中微子，如果中微子和光子在真空中的传播速度相同(都是c)，应该同时抵达地球。但实际上，光子比中微子晚到了4.7h；科学家当时认为，或许是因为这些光子的来源不同，因此产生了误差。现在Franson认为，真空中光速慢于299792458m/s也是一种可能。由于在真空中飞行的光子会形成一个电子和一个正电子，但两种粒子很快又会形成另一个光子，沿着原来的路线继续前行；这一过程被称为真空极化。由于电子-正电子偶有质量，在银河引力势的作用下，粒子的能量会发生微弱的变化，并最终导致光速减小。在超新星SN 1987A与地球之间长达168000光年距离上。这样的分合发生许多次后，将很容易让光迟到4.7h。而相比之下，中微子则不会受此影响。
一些科学媒体评论说，如Franson正确，目前天体物理学的理论体系将轰然崩塌，所有基于光速的测量数据都将是错误的。例如，太阳光到达地球的时间将比我们此前认为的要长；位于大熊星座的M81星系。距离我们1.2×107光年，是地球上望远镜可观测到的最亮星系之一。如果光速比现在认为的慢，从M81星系发出的光将比我们先前认为的要晚大约两周的时间才能到达地球。由此产生的影响将非常惊人：如果是那样的话，所有天体之间的距离都得重新计算，所有描述天体运行规律的理论都得修改。可以说天体物理学的研究不得不一切从头开始。
然而Franson论文本身并没有这么多用“如果”串接起来的惊人之语，未曾说过要“颠复现有的天体物理学”。只是说要“对引力势中的光速作修正”，而在结尾处则说“量子力学(QM)和狭义相对论(SR)是物理学中的最基本定律，物理学研究的主要目标之一是使两者自洽地联合起来”，这就赋与论文以朴素的形象。文章未提SR，但笔者认为这才是关键之点，即该文将危及“光速不变原理”从而威胁到SR的正确性。论文实际上已经违反了相对论，而且显示了广义相对论(GR)与SR的矛盾。
论文的各小节标题如下：量子理论中的引力势；对光速的计算修正；规范不变性与等效原理；与实验观测对比；结论。文中有20个编了号的公式。论文的摘要说：“本文考虑了包括有质粒子引力势能量的效应，放入于量子电动力学的Hamilton量。得到了对光速的预期修正，它与精细结构常数成正比。此方法得到的光速修正取决于引力势而非引力场，它不是规范不变的。本文预期结果与1987年的超新星观测(Supernova 1987a)实验相一致”。可见，Franson的理论分析和计算是基于“矢势的可观察效应”——类似电磁理论中的Aharonov-Bohm效应，在这里起作用的是“势”(gravitational potential)而非“场”(gravitational field)。Franson描绘了一种可能的内在物理过程——光在真空中传播时会受“真空极化”作用的影响，光子在瞬间分解为电子和正电子，而后又重新结合起来。当它们分裂时，量子作用在这对虚拟粒子间形成一种引力势，从而使光子减速。
Franson理论对光速修正有一个简单的结果：
(4)
式中ФG是引力势；由于ФG<0，故上式表示光速减慢了。总之，论文的理论基础，一是量子理论中的引力势，二是光子的电磁势理论，其他还涉及规范不变性(gauge invariance)和等效原理(equivalence principle)。因此，Franson是使用了GR，而没有违反GR。
7结束语
有必要指出，即使相对论学者也认为Newton的绝对同时性在现实中无法实现；Einstein提出光速不变假设，即用光信号对钟。说是假设，因它不是经验(实验)结果，因为单向光速的各向同性没有(也无法)被实验证明[23]。要测量单向光速就得先校对放在不同地点的两个钟，为此又要先知道单向光速的精确值。这是逻辑循环，因此试图检验单向光速的努力都是徒劳的。……现在我们要问：既然无法检验，这个参数(光速)又怎能先行确定其“不变性”呢？可见光速不变原理(或假设)先天不足；出现各种反证并不令人奇怪[3，24]。
Franson理论和Padgett小组实验都破坏了真空中光速c为恒值的常数性质，使之成为会变化的参数，与SR中的光速不变原理和现行米定义的要求背道而驰。这是两者的共同点和最引人注意的地方；但它们的物理原理完全不一样。
本文提出需要把2015年的Padgett小组实验和1993年的SKC实验相比较，考察两者的相似处和不同处。巧妙的实验设计可以从不同方向证明光速可变性；而且只有依靠波粒二象性才能建立对实验现象的理论诠释。但迄今为止对这两个工作的认识都还是不深刻的，进一步的研究尚有待进行。
参考文献
[1]Franson J D.Apparent correction to the speed of light in a gravitational potential[J]. New Jour Phys，2014，16：065008.
[2]黄志洵. “真空中光速”及现行米定义质疑[J]. 前沿科学，2014，8(4)：25-40.
[3]Giovannini D，Padgett M，et al. Spatially structured photons that travel in free space slower that the speed of light[J]. Science Express，10.1126 science. aaa3035，22 Jan 2015，1-6.
[4]Hong C K，Ou Z Y，Mendel L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference[J]. Phys Rev Lett，1987，59：2044-2046.
[5]Steinberg A M，Kuwiat P G，Chiao R Y. Measurement of the single photon tunneling time[J].Phys Rev Lett，1993，71(5)：708-711.又见：Grunter T，Welsch D G.Photon tunneling through absorbing dielectric barriers[J].ar Xiv：quantph/9606008，1996，1 (6)：1-5.
[6]Macdonald K. Scientists slow the speed of light[N]. BBC News，22 Jan 2015.
[7]Einteins A.Zur elektro-dynamik bewegter Körper[J].Ann d Phys，1905，17：891-921.English translation：On the electrodynamics of moving bodies，reprinted in：Einstein’ s miraculous year.Princeton：Princeton Univ Press，1998：中译：论动体的电动力学.范岱年，赵中立，许良英，译.爱因斯坦文集[Z].北京：商务印书馆，1983：83-115.
[8]郝建宇.狭义相对论自我否定剖析[N].北京科技报，2006-09-20.
[9]Editorial. Faster than the speed of light[J]. New Scientist，1995，(1 Apr)：3.
[10]黄志洵，姜荣. 量子隧穿时间与脉冲传播的负时延[J]. 前沿科学，2014，8(1)：63-79.
[11]MacColl L A.Note on the transmission and reflection of wave packets by potential barriers[J].Phys Rev，1932，40：621-626.
[12]Hartman T E.Tunneling of a wave packet[J].J Appl Phys，1962，33：3427-3433.
[13]黄志洵. 论消失态[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2008，16(3)：1-19.
[14]Wang L J，Kuzmich A，Dogariu A.Gain-asisted superluminal light propagation[J]. Nature，2000，406：277-279.
[15]张元仲.反常色散介质“超光速”现象研究的新进展[J].物理，2001，30(8)：456-460.
[16]Chown M.Quantum rebel[J].New Scientist，2004，(Jul 24)：30-35.
[17]Chown M.Quantum rebel wins over doubters[J].New Scientist，2007，(Feb 17)：13.
[18]Dürr S，et al. Origin of quantum mechanical complementarity probed by a which-way experiment in an atom interferometer[J].Nature 1998，395：33-35.
[19]倪光炯、陈苏卿. 高等量子力学[M].第2版. 上海：复旦大学出版社，2004.
[20]Li Z Y(李志远). Elementary analysis of interferometers for wave-particle duality test and the prospect of going beyond the complementary principle[J].Chin Phys B，2014，23(11)：110309 1-13. 又见：李志远. 微观粒子波粒二象性及互补原理违背的可能性分析[R].北京：中国科学院物理研究所，2015.
[21]黄志洵. 论单光子研究[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2009，16(2)：1-11.
[22]黄志洵. 试评欧洲OPERA中微子超光速实验[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2012，19 (1)：1-7.
[23]张元仲. 狭义相对论实验基础[M].北京：科学出版社，1979(初版)，1994(重印).
[24]林金. 爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验[J].宇航学报，2009，30(1)：25-32.
(责任编辑：王谦)
