[논문 리뷰] Macroscopic violation of special relativity

G. Nimtz, A. A. Stahlhofen|ArXiv.org|2007. 08. 05.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 15인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 디지털 마이크로파 신호를 사용하여 과도한 전반내반사에서의 임계모드를 통해 양자 터널링을 시뮬레이션함으로써 상대성 이론의 거시적 위반을 보여준다. 실험은 이러한 비확산파—양자전자역학에서의 가상광자와 수학적으로 유사한 것—이 초광속 위상속도를 나타내며, 이러한 현상이 정보를 빛보다 빠르게 전송하지는 않지만 거시적 척도에서 고전적 상대론적 속도 한계를 도전한다는 이론적 예측을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 터널링 효과가 일반적으로 미세입자와 관련되어 있지만, 거시적 척도에서 관찰될 수 있는지 조사하기 위해.
• 과도한 전반내반사에서의 임계광학 모드와 양자전자역학(QED)에서의 가상입자 간의 유사성을 시험하기 위해.
• 특히 위상속도에서 상대론적 속도 한계를 위반하는 것처럼 보이는 행동을 이러한 모드가 보이는지 검토하기 위해.
• 거시적 실험 장치를 통해 QED 이론에서 예측한 가상광자에 대한 예측을 검증하기 위해.
• 과도한 전반내반사에서의 임계모드가 특수 상대성 이론의 기초에 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 실험은 두 개의 프리즘을 작은 간극으로 분리한 거시적 장치를 사용하여 디지털 마이크로파 신호를 통해 양자 터널링을 시뮬레이션한다.
• 과도한 전반내반사 중 프리즘 간의 표면에서 임계모드가 유도되어 양자 터널링을 모방한다.
• 간극을 가로질러 마이크로파 신호의 위상속도를 측정하여 초광속 행동을 탐지한다.
• 장치는 터널링 해법의 특징인 순수 허수 파수를 갖는 비확산 모드를 고립하고 관찰하도록 설계되어 있다.
• 결과는 QED에서의 가상광자 교환에 대한 이론적 예측과 비교된다.
• 미터 규모의 장치를 사용함으로써 일반적으로 양자 영역에 국한된 현상을 거시적으로 관찰할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도한 전반내반사에서의 임계모드가 거시적 척도에서 초광속 위상속도를 나타낼 수 있는가?
• RQ2 거시적 마이크로파 신호가 양자전자역학에서 예측한 가상입자의 행동을 어느 정도 모방하는가?
• RQ3 정보가 빛보다 빠르게 전송되지 않더라도, 임계모드의 존재가 특수 상대성 이론의 속도 한계를 물리적으로 위반하는가?
• RQ4 임계파에서의 위상속도 관측 결과가 QED 이론에서의 가상광자 예측과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 광학적 터널링과 양자역학적 터널링 간의 유사성이 거시적 시스템에서 실험적으로 확인될 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 거시적 장치에서 마이크로파 신호가 임계모드를 통해 전파될 때 진공 속 광속을 초월하는 위상속도를 관측하였다.
• 측정된 위상속도는 QED에서의 가상광자 교환에 기반한 이론적 예측과 일치하였다.
• 순수 허수 파수를 갖는 임계모드가 마이크로파 장치에서 성공적으로 생성되고 특성화되었다.
• 실험 결과는 1949년 소머펠드가 처음 제안한 바와 같이, 과도한 전반내반사와 양자 터널링 간의 유사성이 확인되었다.
• 초광속 위상속도의 거시적 관측는 이러한 현상이 수학적 산물이 아니라 양자장론에서 물리적 의미를 가진다는 것을 지지한다.
• 이 연구는 특수 상대성 이론의 속도 한계가 정보나 신호 전송 측면에서는 위반되지 않지만, 비확산 모드에서는 위상속도가 c를 초월할 수 있음을 보여준다.