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爱因斯坦再获胜

新实验对时间旅行的打击

作者:Laura Wright
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三年前,研究人员创造了一个似乎违背了自然界基本速度限制的光脉冲——它的传播速度超过了真空中的光速。如果能够以这样的速度传输信息,爱因斯坦的相对论将岌岌可危,因果关系原则——即原因必须总是在结果之前——也将失效。例如,有了超光速电话,你就可以打电话回到过去,告诉你的父母不要生下你。现在,物理学家们(以及所有被时间旅行悖论困扰的人)可以松一口气了。杜克大学实验物理学家丹·高蒂尔(Dan Gauthier)最近的一系列实验证实,早期的结果是一种错觉;信息无法超越光速的极限。

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这场轰动始于2000年,当时普林斯顿NEC研究所的物理学家李俊旺(Lijun Wang)和他的同事们将一束光脉冲穿过充满铯原子云的腔体,并记录了光脉冲从另一侧出来所需的时间。令人惊讶的是,光脉冲似乎在研究人员看到它进入之前就已从腔体中出来了。当光脉冲的峰值进入腔体时,构成脉冲的不同波分离了,每个波在波长和频率上都发生了变化。当这些波离开腔体时,它们重新组合形成一个峰值,与王看到的几分之一秒后进入腔体的峰值完全相同。这些波的表现就像它们被拉伸并向前投射到了时间中,腔体中的气体就像弹弓一样。但这些波并没有真正打破任何规则——只是它们的形状发生了变化。然而,由于至少有一部分波确实以超光速传播,王声称光速限制并非一成不变。

如果爱因斯坦还活着,他今天也不会对这些说法感到惊讶。在20世纪初,爱因斯坦担心有一天会开发出挑战光速极限的实验。他担心如果事物可以移动得如此之快,以至于因果关系可能颠倒,就会产生悖论,因此他和他的同僚们提出了修正的狭义相对论,该理论规定,任何质量、信息脉冲或能量都不能以超过光速的速度传播。但没有人确定这个修正理论将如何影响一个简单波的速度限制。

王并没有声称传输了超光速的*信息*。事实上,物理学家们从未测量过携带信息的光束的最大速度。尽管如此,许多新闻报道将王的工作描述为对爱因斯坦的挑战,许多物理学家也难以理解光束如何在进入一个测试腔体之前就逃离它。“我们对结果很感兴趣,想知道我们是否能找出如何测量信息速度,”高蒂尔说。

高蒂尔和他的学生迈克尔·斯滕纳(Michael Stenner)以及亚利桑那大学的马克·尼菲尔德(Mark Neifeld)设计了一个与王进行的实验非常相似的实验,使用光脉冲穿过钾原子气体。不出所料,光脉冲似乎以超光速移动。高蒂尔的真正目标是测量信息到达给定位置的速度,因此他和他的同事们在脉冲上刻了一个简单的信号——两个可以代表二进制码的“1”和“0”的不连续点,并观察信号何时从腔体中出来。王观察的是波峰,而高蒂尔则关注波前——脉冲上刻有信号的第一个光子——他认为,如果波前没有以超光速传播,那么脉冲中的任何信息也无法超光速。“你可以让脉冲的峰值旅行得更快,这样它就能赶上,”高蒂尔解释说。“但你不能让整个脉冲比那个最先出现的时刻更快。”

《自然》杂志10月16日刊登的这些实验表明,改变后脉冲的第一个光子以接近光速的速度传播,但并未超过它,尽管脉冲中后续的峰值以超光速追赶波前。这一系列精心设计的测试最终得出了一个简单的结论:一如既往,爱因斯坦是对的。

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