[论文解读] 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 19

一句话总结

本文通过数字微波信号模拟在受挫全内反射中的倏逝模，实现了宏观尺度上对狭义相对论的违背。实验确认了这些非传播波——在数学上类比于量子电动力学中的虚光子——表现出超光速相速度，支持了理论预测：尽管此类现象并未实现超光速信息传输，但在宏观尺度上挑战了经典相对论的速度极限。

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.

研究动机与目标

• 探究通常与微观粒子相关的量子隧穿效应是否可在宏观尺度上被观测到。
• 检验倏逝光学模与量子电动力学（QED）中虚粒子之间的类比关系。
• 检查此类模式是否表现出看似违反相对论速度极限的行为，特别是相速度方面。
• 通过宏观实验装置验证QED关于虚光子的理论预测。
• 探讨受挫全内反射中倏逝模对狭义相对论基础的影响。

提出的方法

• 实验使用数字微波信号，通过由两个棱镜以微小间隙分隔的宏观装置，模拟量子隧穿。
• 在受挫全内反射过程中，于棱镜界面激发倏逝模，类比于量子隧穿。
• 测量微波信号穿过间隙的相速度，以检测超光速行为。
• 实验装置设计用于隔离并观测具有纯虚数波数的非传播模式，此类模式是隧穿解的特征。
• 将实验结果与量子电动力学（QED）中虚光子交换的理论预测进行比较。
• 使用米尺度的装置，使通常局限于量子领域的现象得以在宏观尺度上观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受挫全内反射中，倏逝模是否可在宏观尺度表现出超光速相速度？
• RQ2 宏观微波信号在多大程度上能模拟量子电动力学所预测的虚粒子行为？
• RQ3 即使没有信息以超光速传输，倏逝模的存在是否构成对狭义相对论速度极限的物理违背？
• RQ4 对倏逝波相速度的实验观测与QED对虚光子的理论预测在多大程度上吻合？
• RQ5 光学隧穿与量子力学隧穿之间的类比是否可在宏观系统中通过实验得到证实？

主要发现

• 实验观测到微波信号在宏观装置中通过倏逝模传播时，相速度超过真空中光速。
• 测得的相速度与基于量子电动力学（QED）中虚光子交换的理论预测一致。
• 成功生成并表征了具有纯虚数波数的倏逝模。
• 实验结果证实了1949年索末菲最初提出的受挫全内反射与量子隧穿之间的类比关系。
• 宏观尺度下观测到的超光速相速度支持了此类现象并非仅仅是数学构造，而是在量子场论中具有物理意义的观点。
• 本研究表明，尽管信号或信息传递未违反狭义相对论的速度限制，但在非传播模式中相速度可超过c。