物理学界对光速的研究论文

那么量子纠缠和引力波超光速了吗？这其实是两个问题，我们必须分开讨论，因为两者的性质完全不同。 量子纠缠最早是由爱因斯坦提出的，用以质疑玻尔为首的哥本哈根学派对波函数坍缩的概率解释。他从哥本哈根学派认为在被测量到之前，微观粒子不存在确定的状态出发，提出了这么一种情况： 通过特殊的方式，我们可以得到一对状态（量子态）互相纠缠的光子，为了方便理解，我们可以假设这对光子的自旋方向 一个是上旋，一个是下旋。 我们可以把这对光子通过光路分开到一定的距离，比如1光年。然后对两者分别进行测量。 根据哥本哈根解释，在其中一个光子被测量到的那一刻，状态才会确定，也就是当我们在A点测量光子a时，它才随机坍缩到一个自旋态， 比如为上旋，那么基于纠缠的特性，在1光年外的B点处的光子b就应该会是下旋。 所以当我们通过以纠缠光子的发射点作为标准进行时间校准后，在相隔1光年的A、B两点同时进行测量，那么将会分别测量到一个上旋和一个下旋的光子，而肯定不会同时测量到两个上旋或两个下旋的光子。 （量子纠缠）那么问题来了，此时a、b两个光子相距已经有1光年远了，它们是怎么做的瞬间随机坍缩到一个状态而又能保证互为相反的呢？ 如果a、b光子确实是被测量那一刻自旋态才被确定并且完全随机的话，那a、b之间就必须存在某种关联让双方知道对方的状态，而这种关联是瞬时的，也就是超光速的，这就违背了狭义相对论里的信息传递不能超光速了。 于是爱因斯坦以此向玻尔为首的哥本哈根学派发起挑战：是放弃狭义相对论还是放弃哥本哈根诠释？ 在爱因斯坦看来，如果要承认狭义相对论的正确性，那么互相纠缠的光子应该在分开的那一刻状态就已经确定，这样无论它们之后分开多远，都能在测量时得到相反的自旋态。 所以他认为哥本哈根学派认为光子的状态在被测量时才确定的说法是错误的。 （爱因斯坦和玻尔）然而玻尔并不这么认为，他坚持哥本哈根诠释的正确性，他指出， 在测量前不存在两个光子的波函数，而是只有一个波函数，只有当其中一个光子被测量到时，这个唯一的波函数才随机坍缩为确定的两个光子。 既然只有一个波函数，随机坍缩的两个光子的状态自然是同时确定的，但这不需要在两个光子间传递信息，因为坍缩前只有一个波函数。这其实跟单个光子的波函数坍缩是完全一样的，单个光子在被测量前波函数弥漫在整个空间任何可能的地方，但一旦测量，它就从全空间坍缩到一个确定的位置，并且是唯一的位置，它无需告知别处所有可能出现的地方的“自己”不要出现。 在这种解释里，两个光子之间是不传递信息的，而由于其坍缩前无法确定状态，因此光子本身也不携带信息，而由于测量即坍缩，因此也不能提前录入信息。 既没有传递信息，也没有携带信息，也不能录入信息，量子纠缠自然就根本不存在超光速传递信息了。 量子纠缠没有超光速那引力波呢？这个问题分两种情况。首先引力波传播速度等于光速这是广义相对论得出的结论，虽然它其实是利用 光速常数c 强行规定的，但是在多次引力波事件的测量中已经证明，引力波传播速度就是光速！特别是双中子星合并引力波事件，由于引力波和多波段电磁波接收到同一信号，因此已经非常确定引力波传播速度与电磁波波速，即光速一致！（双中子星合并）但是在引力波问题上还存在另一种情况，就是宇宙膨胀。 我们知道根据天文观测，宇宙正以大约70km/s/Mpc的速度膨胀，这就导致 宇观尺度 下两点间的距离在渐渐拉大，因此在引力波源处发出引力波后，引力波沿空间传播过程中，空间距离被拉大了。距离变了那引力波速度怎么算？这问题其实跟宇宙膨胀下的光速是同一个问题。很显然，如果忽略掉宇宙膨胀本身的距离增加问题，宇观尺度下的引力波和光速都将下降，也就是都将低于 真空光速常数c 。这是很容易理解的，比如说一个距离地球1亿光年的双中子星发生碰撞，那么伽马射线爆和引力波将以光速向地球传播，这将需要1亿年时间，然而在这1亿年的传播过程中，双中子星与地球之间的空间在不断膨胀， 距离在不断增加，那么它还能在1亿年时到达地球吗？显然不可能，不然就超光速了。实际情况是引力波和伽马射线暴都将超过1亿年后才能到达地球，如果此时我们依然按照静态宇宙的距离1亿光年来计算，那引力波和伽马射线暴都将低于光速了…… 但实际上当我们引入考虑了宇宙膨胀的距离定义，问题就迎刃而解了，引力波和伽马射线暴依然刚好就是光速c。 （宇宙膨胀导致空间距离增加）综上分析，量子纠缠和引力波都没有超光速，量子纠缠压根不存在速度问题，它既没有能量传递，也没有信息传递。而引力波速度则严格等于光速，这已经在天文观测中得到严格证实了。 首先澄清一点，目前所知，引力波并没有超光速，这从理论上和实践上都已经得到证明：引力波是100多年前爱因斯坦在广义相对论中预测的，并从其引力场方程中推算出引力波的速度为光速；2017年8月17日美国LIGO探测器探测到距我们亿光年远的双中子星并合产生的引力波， 引力波和电磁对应体几乎同时到达地面，这有力地证明了引力波的速度为光速。 就目前的实践和认识水平，光速是不可超越的。实际上这个论断来自于爱因斯坦狭义相对论的光速不变原理。这个原理说的是对于任何惯性系来讲，光在真空中的传播速度是不变的，与观察者和光源的运动状态无关。这个速度的大小为299792458米/秒。光速对于无论以多快速度运动的物体来说仍然是不变。这意味着任何物体的运动速度不能超过光速，甚至达到光速都不行。光速就是最高速，这就是光速限制原理。你可以无限接近299792458米/秒，但在接近的过程中肯定会产生一些效应来阻止你接近，最终是没法达到光速的。比如质量趋向于无限大。（其中m为物体质量，m0为物体静质量，Ⅴ为物体运动速度，C为光速。） 当速度V→C时，分母→0，则物体质量m→+∞从上式可以看出，只有物质的静止质量m0为0，物质的质量才有可能为0，物质的速度才有可能达到或超过光速。中微子静止质量几乎为0，所以它接近光速；而电磁场（光子）的静止质量为0，所以它达到光速。空间没有质量，所以它的膨胀速度可以超光速（应该说相对论结论可以进一步延伸）。有的读者看到这里会觉得奇怪，不是说光速不可超越吗？怎么有的能超光速？对此传统的解释是：光速限制原理说的是有效信息和能量的传递速度不能超光速，对于没有信息传递的速度没有限制。比如说量子纠缠就没有信息的传递，所以它可以超光速。所谓的量子纠缠，指的是几个粒子在相互作用后，各个粒子的特性已综合成为一个整体性质，无法单独描述单个粒子的特性，只能描述整体系统的性质。纠缠就是分不开，即使分开了，也是一个整体。根据不确定性原理，在未观测之前两个量子还是一个整体，是没办法确定它们单独的状态的。观测时其中一个量子的自旋被确定了，另一个相距再远，即使在宇宙的另一边，也会瞬间被确定，即在观测前并没有两个实在量子，是观测影响了结果。其传输速度远远超过光速，至少是10000倍光速。由于并没有传递任何信息和能量，所以并没有违反相对论。 另一种解释是：两个量子的超光速作用并没有把任何一个粒子加速至超光速，这里根本就不涉及物质的运动。没有运动何来的超光速？量子力学是非定域化的，波函数弥漫全宇宙，宇宙是一个全息整体，所以量子才能超光速纠缠。 上面提到了空间膨胀速度，根据哈勃定律，以地球为中心，宇宙空间膨胀速度每326万光年增加7公里/秒，大约距地140亿光年，空间膨胀速度就达到了光速，现在的可观测宇宙是140亿光年以内的天体在它们随着空间超光速膨胀前发出的光经过若干亿年陆续到达地球后人们所看到的。据推算它们现在距我们有460亿光年了。那空间为什么可以超光速？ 因为光速限制原理说的是所有在空间中运动的东西的最高速度，包括光子本身，这些运动都属于空间中的运动。物体的运动速度是以空间为背景衡量的（没有空间就没有速度可言），也是在空间的运动（再快的物体也跑不出空间“之外”去）。 而空间的膨胀则是空间自身的运动，是空间成份之间的相互远离运动，光速限制原理怎么能管了它 ？ 这就是空间超光速的真正原因，而非什么没有信息传递可以超光速的说法。相对论是局域化的，即超光速的或探测不到的影响不到我们，对于我们就是不存在的。但量子力学却是认为全宇宙都有影响的，所以相互运动怎么会不传递信息？从上面叙述想到一个问题：引力波是时空的涟漪，如果空间超光速膨胀，那么引力波的传播速度是否也会超光速？目前发现的引力波距离我们较近、次数较少，它的速度问题还有待进一步确定。 关于量子纠缠，你可以这样理解：把一双鞋的左右两只分别放进两个盒子里，然后把这两个盒子分别放在宇宙两端，你打开其中一个盒子发现鞋子是左脚的，立马就知道了宇宙另一端的那只鞋是右脚。这个感知速度几乎就是无限的，但是并不违反相对论，因为这里的信息传递应该是从把鞋子分开那一刻算起的，而不是打开盒子的瞬间。其实量子纠缠的信息传递模式跟这个差不多，传递是从创造出一对纠缠粒子开始算起，而不是检测粒子自旋状态的时候，所以并不存在超光速信息传递，这个信息传递速度远低于光速。以上只是我为了便于理解打个比方而已，其实颇有不妥之处，但我相信这是最易懂的科普语言。量子通信的意义在于信息传递的绝对安全性，因为量子信息被接收一次后量子态就坍缩了。 关于引力波速度：在广义相对论理论里面，引力波的确是光速，这是爱因斯坦最早得到引力波的方程的时候就发现的。目前公开的几个探测到的引力波事件，同时测量到了对应的电磁波也就是光的信号，所以有力地证明了引力波速度和光速一致。 关于量子纠缠的问题，最先的争论方分别是爱因斯坦和波尔。 1935 年 5 月，爱因斯坦同美国两位年轻的物理学家波多尔斯基和罗森在美国第 47 期《物理评论》杂志上，发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在物理学界、哲学界引起了巨大反响。 这篇论文提出了一个名垂千古的思维实验，以论文的三位联合作者的首字母命名，称为“ EPR 实验”。正如这篇论文的标题所表达的意思那样，爱因斯坦想用这个思维实验告诉物理界，哥本哈根的量子力学解释是有问题的。 玻尔在听到这个 EPR 实验之后确实大吃一惊，据说茶饭不思好多天。隔了几个月后他终于出声了，居然以同样的标题写了一篇论文，来回应爱因斯坦们的挑战。简单说来（抱歉我只能“简单说来”，复杂了我也说不来），玻尔说狭义相对论我是不反对的，但是这里面的关键问题在于，粒子 A 和粒子 B 在你爱因斯坦看来是不同的两个粒子，但是在我玻尔眼里，它们从未分开，它们仍然是一个完整的整体，不论它们相隔得有多远，它们都是一个整体，两个量子是难分难解地纠缠在一起，组成了一种量子纠缠态，这种纠缠与空间距离无关，哪怕它们分别位于宇宙的两端，它们也是纠缠在一起的。 爱因斯坦对于波尔提出的量子纠缠坚决否定，但是苦于他们只有一个理论基础，并没有做实验来证明这个理论的正确与否。在物理学上如果没有实验来证明你的理论，这个理论则是等于没用的。很遗憾，知道爱因斯坦和波尔都逝世了，这个实验还没有做出来。 直到出现了一个英国数学奇才，他的名字叫贝尔（注意不是发明电话的那个贝尔），他发现了一个数学“不等式”，这个不等式被科学界称为“贝尔不等式”，被誉为“科学中最深刻的发现”。这个惊天地泣鬼神的贝尔不等式有一个巨大的魔力，可以对我们这个宇宙的本质做出终极裁决，它可以使得 EPR 实验从思维走向实验室。 1982 年，法国奥赛研究所。 人类 历史 上，这是对 EPR 实验进行的首次严格的实验检测，这次实验被称为“阿斯派克特实验”，以这次实验的领导者阿斯派克特命名。这次实验总共进行了三个多小时，两个分裂的量子分离的距离达到了 12 米，积累了海量的数据。最后的结果与量子论的预言完全相符，爱因斯坦输得彻彻底底，从此 EPR 实验也被称之为“ EPR 佯谬”。 EPR 实验的结果无可辩驳地呈现给当时的整个物理学界这样一个事实：要么放弃定域，要么放弃客观实在。定域性是经受了几十年严苛考验的伟大的相对论的推论，而客观实在则是大多数物理学家心目中的公理，不证自明的。如果是你，你会怎么选择呢？我看你可能最好奇的是那个发现贝尔不等式的可怜的贝尔，到底会做出怎样的选择。那个可怜的贝尔在被逼急了以后，只好表示如果非要放弃一个的话，他只能放弃定域了，但他仍然试图想说或许不用两个都放弃。 其实EPR 佯谬只是证明了定域和实在不可能同时正确，并没有证明有超光速的信号存在，这是两个不同的概念。如果愿意放弃实在性，则相对论依然是牢靠的。 量子这种纠缠态也被称之为量子的超隐形传输，可以用来做通信的加密，但是不能用来做超光速的通信。更加需要强调的一点是，量子的超隐形传输，传递的是量子态，而不是能量和物质。所以应与相对论的力学、运动学都没关联，也称不上超光速了！ 关于引力波……这个也是爱因斯坦闲的蛋疼提出来的东东。爱因斯坦在 1916 年和 1918 年分别发表了两篇论文预言了引力波的存在。 先说明一下引力波是什么鬼，它是宇宙空间中的涟漪，靠着时空的卷曲在宇宙中震荡。首先我们得知道广义相对论里面的时空弯曲特点，也是引力的本质（引力的实质并不是一种力，只不过就是空间弯曲的外在表现）。在质量超大的物体所处的空间，会发生时空的弯曲。比如说我们的宇宙空间就好像一张张开的大网，太阳就压在这张时空的网上，网被压得凹陷了下去。如果太阳的质量突然变大或者突然爆炸没了，地球是不是会突然没受到太阳的万有引力，马上飞走了呢？答案是否定的。这个网就会以太阳凹下去的时空凹网会发生震荡，并以爱因斯坦命名的引力波传递作用给地球，根据狭义相对论所证明的，没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速，所以这个过程也是有一段时间的，可能就那光速传过来最快也要8分钟…… 总结……量子纠缠只是量子态的同步，并没有和相对论运动学有冲突。引力波属于能量波，不会比光速块…… 光速不可超越应该是这样的，假如一个人某一时刻乘坐光速飞船离开地球，他观察到地球上的人永远静止在他离开时的那一瞬间画面。同时，地球上的人也观察到他也静止在离开地球时的那一刻画面。 对于地球上的人来说，他的时间好像停止了，他坐着光速飞船不需要时间，在宇宙中无限远的地方任意穿梭。 如果他坐上亚光速飞船离开地球，他观察到地球上的人动作很慢，例如吃一顿饭用了一年时间。同时地球上的人观察到他的动作也很缓慢。 对于地球上的人观察到的结果来说，他在亚光速飞船上时间变慢了，如果他再次回到地球，和他同年龄的人已经是白发苍苍的老人了，他还是原来那么年轻。 如果他坐在超光速飞船上离开地球，他可以观察到他和地球上的人过去的情境(时光倒流)，因为他的超光速飞船追上了他和地球上的其他人以前发到宇宙空间中的光。 但他以超光速离开地球时，地球人再也永远看不到他了，就好像不存在这个超光速飞船了。这也可能就是相对论不能超光速的根本原因吧。 以上都是地球上的人和飞船上的人观察到的现象。但是无论如何，地球上和飞船上的人实际流逝的时间并未丝毫的减慢、停止和倒流。 理由是飞船不论以光速、亚光速还是超光速离开地球后匀速飞行时，不论把地球作为参照系还是把飞船作为参照系都是同等的，地球上的实际流逝时间不变慢、停止和倒流，飞船上的实际流逝时间绝不会减慢、停止和倒流。 由此可见，超光速在宇宙中不是没有的，而是普遍存在的。物体间万有引力的相互作用就是远超光速的，根据万有引力定律几乎是同时进行的。引力波的传播速度也是远超光速的。 众所周知，我们所在宇宙的直经为920亿光年。在量子纠缠中，一对手套在未观察前，它的状态是不确定的。如果把一只手套放在宇宙的这端，另一只手套放在宇宙的那端，当某一时刻观察到宇宙的这端为左手套，就立刻知道宇宙那端是右手套。 由此可见，量子纠缠的速度也远超光速，是瞬时进行的。 引力波是一个有趣的话题，前几年，诺贝尔哥让大家知道了引力波这个物理学名词。但真正了解它具体含义的却很少。至今还有人认为引力波是诺贝尔哥发现的。事实上，诺贝尔哥说的引力波根本就是他胡乱引用的一个物理学名词。引力波是100年前，由爱因斯坦通过广义相对论预言的现象。在当时，爱因斯坦认为引力波可能永远无法被探测出来，因为它实在是太微弱了。直到100年后，才由高灵敏度的LIGO装置探测到。该研究成果也获得了诺贝尔奖。 引力波的传播速度是光速。 自从潘建伟团队搞出量子加密通讯卫星后，量子纠缠这一名词也被大众知晓。在量子纠缠系统中，对其中一个粒子进行测量，就会立即影响到另一个粒子的状态，无论它们间隔多远。据测量， 纠缠中的量子相互影响的速度远远超过了光速。 不是常说“光速是宇宙的极限速度吗”？这句话其实并不完整。完整的是：光速是这个宇宙信息传递的极限速度。关键词是“信息”、“光速”。 量子纠缠是不会传递信息的，它在量子加密通讯里的作用是产生密码，而不是传递信息。信息依然走的传统信道，例如：光纤、电缆等。 我们能够通过引力波探测器了解在宇宙遥远地方的事情。例如，LIGO系统发现的第一个引力波信号就来自于距离地球约13亿光年处的，质量分别为36个与29个太阳质量黑洞的并合。引力波携带了黑洞合并的信息，所以，它不能超越光速。 宇宙膨胀也可以超过光速，它不传递任何信息，所以是相对论所允许的。 图：宇宙膨胀示意图。气球的膨胀并不会在气球表面上的两点之间传递信息 综上所述，只要不传递信息，超光速都是可以的。 都说了N遍了，力场如磁场和电场都是瞬间场，不需要传播时间，瞬间抵达远处，这个你能想象吗？ 估计绝大多数人都无法想象，因为它超出了我们思维的惯性，我可以举出一百个理由来说明力场是瞬间场，就拿静电场来说，假设在空中有一个静电荷，那么在这个静电荷周围空间就存在着辐射状的电场力线，如果这个力场的传播是需要时间的，那么当这个电荷匀速运动时，那么在这个电荷运动方向后部的电场线就会收缩，而前部的电场线就会膨胀，也就是说电场线就不再是辐射状直线了，而是曲线形状。 这就直接违反了相对性原理，因为爱因斯坦的相对性原理告诉我们：在所有的惯性系统中，物理规律相同，而在这里我们却会在不同的坐标系中看到的同一个东西是不一样的，这显然是错误的，解释只有一个：静电场只能是瞬间场，只有这样、在所有的惯性系统中，你看到的都是辐射状的场线。 … 不是因为“都说光速不可超越”光速就不可超越了，有事实理论证明光速不可超越，这个事实就是爱因斯坦的狭义相对论。 有些人可能会说，或许爱因斯坦的相对论是错误的，那么光速就可以超越了，但请不要总是在自己想象的世界里获得满足感和成就感，我也一样爱因斯坦的相对论是错的，那样我们就有超越光速的可能了，但不能光有想象猜测，证据在哪里？ 还有一点，引力波并没有超越光速，而是恰恰等于光速，也就是说引力波的传播速度正好等于光速，巧合吗？世界上哪有如此巧合的事情？ 量子纠缠的速度确实远超光速，甚至可以说是瞬间的，但并不违反爱因斯坦的相对论，相对论并没有说“光速不可超越”，而是说“任何携带信息和能量的物体不能超越光速”！ 言外之意，只要不携带任何信息和能量，你可以尽情地超越光速，而量子纠缠本身就不携带任何信息和能量，也不会传递任何信息，所以它超越光速也在情理之中！ 量子纠缠讲的是一个整体，我们需要把纠缠中的各个量子用整体的概念去描述，而不是单独描述单个量子的行为状态。当我们试图观测任何一个量子的状态时，其他量子马上感知到，纠缠就也不存在了，这就是所谓的“鬼魅般的超距作用”！ 为什么超光速或者说光速是一个坎，是一个瓶颈。首先相对论中对我们宇宙的描述没有问题，同时也是非常准确的。在我们的三维时空中光速就是极限，是一个常数，同时它限制了质量，为什么会造成这种现象，因为光速限制了我们的三维空间的时间轴。所有参数都被其限制。其实相对论不完善的地方就是没有把时间或者说时空加进去，其实光速就是我们时空的密度常数。有了这个常数再来看质量，似乎质量越大达到光速所需的能量越大。有质量的物体看似永远达不到光速，成为瓶颈。实际上应该还有一种物质形态，其场作用越强质量越低，甚至会成为负数。物理学上讲时间是不存在的，但是我们的时空却有着时空密度，这个密度导致了引力的产生，也影响着时间的速度。我很期待在受控核聚变试验和研究中人类能发现新的物质状态，在磁场中可以隔绝超高温，也许再大点可以隔绝时空也说不定，并且还可能改变物质形态。关于黑洞是什么，最新研究表明黑洞内部密度极低，奇点很有可能就是一个场。但是黑洞貌似质量又非常大，那么问题来了，这么大质量怎么来的？首先黑洞光子不可逃逸，在场的作用下，把光子加速到超光速，自然就不可见。根据相对论讲如果物体被加速到接近光速，那么在三维宇宙中质量无限大，那么黑洞所表现出来的质量是否就是事件视界物质的质量呢？这个问题留给天文学家解决吧！首先说答案：量子纠缠超光速，但不传递信息；引力波的速度等于光速而非是超光速。 知道了上述的两种描述方法就可以知道为什么量子纠缠超光速和宇宙膨胀可以超光速了，一个不传递信息一个膨胀的是空间。 爱因斯坦广义相对论提出后就预言了引力波的存在，从本质上解释了引力，认为引力是时空弯曲的外在表现。简单的理解就是：质量告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物体如何运动。而弯曲的时空像波纹一样传递就是引力波，也被称为时空涟漪。 一般黑洞或者中子星的融合产生的引力波，按照现在人类的技术才可以观测的到。这里天体可以使时空弯曲的曲率变得非常大，同时也是快速运动一直在“扰乱”平坦的时空。引力波的速度为光速意味着引力的速度同样为光速，也解释了牛顿万有引力定律中的“超距作用”。 而量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，而实际上波尔对量子纠缠的解释是：处于纠缠态的两个量子已经不能分为两个独立的个体，而是一个统一的系统。即使是相隔天涯海角它们也是统一的整体，这里的超光速就没有实际意义了。潘教授团队研究的量子通信技术有的人误解为通过量子纠缠超光速传递信息，其实这是理解上的错误。 量子通信技术只是在加密信息，依托的依然是传统的电磁波通信，也超不了光速。