[論文レビュー] Macroscopic violation of special relativity

G. Nimtz, A. A. Stahlhofen|ArXiv.org|Aug 5, 2007

Relativity and Gravitational Theory参考文献 15被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、デジタルマイクロ波信号を用いて、不完全全内部反射における消え去るモードを模倣することで、量子トンネル効果を模擬し、特殊相対性理論の巨視的違反を示している。実験は、量子電磁力学における仮想光子と数学的に類似した非伝搬波が、光速を超える位相速度を示すことを確認した。これは、情報の伝達が光速を超えないにもかかわらず、古典的相対論的速度制限が巨視的スケールで挑戦を受ける現象であるという理論的予測を支持するものである。

ABSTRACT

Feynman one of the founders of Quantum Electronic Dynamics (QED) introduced in his diagrams virtual particles as intermediate states of an interaction process. Such virtual particles are not observable, however, from the theoretical point of view they represent necessary intermediate states between observable real states. Such virtual particles were introduced for describing the interaction process between an electron and a positron and for much more complicated interaction processes. Other candidates for virtual photons are evanescent modes known from optics. Evanescent modes have a purely imaginary wave number, they represent the mathematical analogy of the tunneling solutions of the Schrödinger equation. Evanescent modes are present in the optical processes of total reflection and in undersized wave guides for instance. The most prominent example of the occurrence of evanescent modes is frustrated total internal reflection at double prisms. In 1949 Sommerfeld \cite{Sommerfeld} pointed out that this optical phenomenon represents the analogy of quantum mechanical tunneling. The evanescent modes and tunneling violate the theory of special relativity, obviously, they represent the exception which proves the special theory of relativity. We demonstrate the quantum mechanical behavior of evanescent modes extbf{with digital microwave} signals at a macroscopic scale of the order of a meter and show that evanescent modes are well described by virtual photons as predicted by former QED calculations.

研究の動機と目的

• 量子トンネル効果が、通常は微視的粒子に関連するとされるが、巨視的スケールでも観測可能かどうかを調査すること。
• 光の消え去るモードと量子電磁力学（QED）における仮想粒子との類似性を検証すること。
• このようなモードが、特に位相速度において相対論的速度制限に反する挙動を示すかどうかを検討すること。
• 巨視的実験装置を用いて、仮想光子に関するQEDの理論的予測を検証すること。
• 不完全全内部反射における消え去るモードが、特殊相対性理論の基礎に与える影響を検討すること。

提案手法

• 実験は、小さな間隔をあける2つのプリズムを用いた巨視的装置を用い、デジタルマイクロ波信号を用いて量子トンネル効果を模倣する。
• 不完全全内部反射の際、プリズムの界面で消え去るモードが励起され、量子トンネル効果を模倣する。
• ギャップを通過するマイクロ波信号の位相速度を測定し、超光速挙動を検出する。
• 伝搬しないモード（波数が純虚数である）を分離・観測できるように装置を設計し、トンネル効果解の特徴を有する。
• 量子電磁力学（QED）における仮想光子交換の理論的予測と結果を比較する。
• メートルスケールの装置を用いることで、通常は量子領域に閉じ込められる現象の巨視的観測が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全全内部反射における消え去るモードが、巨視的スケールで超光速位相速度を示すか。
• RQ2 巨視的マイクロ波信号が、量子電磁力学が予測する仮想粒子の挙動をどの程度模倣するか。
• RQ3 消え去るモードの存在が、情報が光速を超えて伝わらないにもかかわらず、特殊相対性理論の速度制限を物理的に違反していると見なせるか。
• RQ4 消え去る波の位相速度の実験的観測が、仮想光子に関する理論的QED予測とどの程度一致するか。
• RQ5 光学的トンネル効果と量子力学的トンネル効果との類似性が、巨視的系で実験的に確認可能か。

主な発見

• 巨視的装置におけるマイクロ波信号が、消え去るモードを介して伝搬する際、真空中の光速を超える位相速度が観測された。
• 測定された位相速度は、量子電磁力学における仮想光子交換に基づく理論的予測と一致した。
• 波数が純虚数である消え去るモードが、マイクロ波装置で実際に生成され、特徴づけられた。
• 1949年にゾンメルフェルトが提唱したように、不完全全内部反射と量子トンネル効果との類似性が実験的に確認された。
• 超光速位相速度の巨視的観測は、このような現象が単なる数学的アービファクトではなく、量子場理論において物理的意味を持つ可能性を支持する。
• 特殊相対性理論の速度制限は、信号や情報の伝達においては破られないが、非伝搬モードでは位相速度がcを超えることが実証された。