香港科技大学教授证实单光子不能超越光速
香 港 科 技 大 学 ( 科 大 ) 物 理 学 研 究 人 员 在 杜 胜 望 教 授 的 带 领 下 ， 不 但 首 次 成 功 在 实 验 中 观 测 到 单 个 光 子(光 的 基 本 粒 子) 的 前 驱 波 ， 还 首 证 单 个 光 子 不 能 超 越 光 速 极 限 c ， 从 而 验 证 爱 因 斯 坦 的 理 论 依 旧 有 效 ， 即 没 有 任 何 物 体 的 运 动 可 以 比 真 空 中 的 光 走 得 更 快 ， 平 息 了 过 去 十 年 来 有 关 单 光 子 速 度 的 争 论 。
科 大 物 理 学 系 助 理 教 授 杜 胜 望 及 其 研 究 团 队 的 研 究 结 果 最 近 于 《 物 理 评 论 快 报 》 中 刊 登 。 文 章 的 合 作 撰 写 人 包 括 科 大 物 理 学 系 研 究 生 张 善 超 、 陈 洁 菲 和 刘 畅 ， 以 及 两 位 讲 座 教 授 雷 明 德 和 王 克 伦 。 杜 教 授 团 队 亦 已 于 过 去 两 年 第 五 次 获 声 誉 卓 著 的 《 物 理 评 论 快 报 》 刊 登 研 究 文 章 ， 更 凭 着 上 述 研 究 第 二 次 获 选 为 《 物 理 评 论 快 报 》 编 辑 推 介 论 文 。 此 外 ， 该 研 究 并 获 美 国 物 理 协 会 在 其 物 理 学 纲 要 中 以 题 为 「 单 光 子 遵 从 光 速 极 限 」 作 重 点 推 介 。
杜 胜 望 教 授 团 队 的 研 究 显 示 ， 单 光 子 跟 一 般 的 电 磁 波 同 样 都 遵 守 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 。 爱 因 斯 坦 指 出 ， 光 速 是 星 际 旅 行 的 极 限 速 度 ， 简 单 来 说 ， 即 没 有 任 何 实 体 的 运 动 可 以 超 越 真 空 中 的 光 速 。 杜 教 授 团 队 不 但 首 次 成 功 找 到 单 光 子 的 光 前 驱 波 ， 而 且 证 实 以 光 速 传 播 的 光 前 驱 波 永 远 是 单 光 子 波 包 中 最 快 的 部 分 ， 即 使 是 在 所 谓 的 「 超 光 速 （ 群 速 度 ） 」 介 质 里 。
杜 教 授 表 示 ： 「 我 们 的 研 究 结 果 将 有 助 加 深 对 单 个 光 子 运 动 的 理 解 ， 以 及 确 定 了 光 讯 息 传 播 速 度 的 上 限 。 我 们 证 实 了 单 光 子 速 度 不 能 超 越 光 速 ， 平 息 了 过 去 有 关 单 光 子 速 度 的 争 论 ； 从 应 用 层 面 来 看 ， 这 项 研 究 结 果 亦 将 加 深 科 学 家 们 对 量 子 讯 息 传 播 机 理 的 理 解 。 」
科 大 校 长 陈 繁 昌 教 授 称 ： 「 杜 胜 望 教 授 与 研 究 团 队 成 功 证 实 物 理 学 中 的 关 键 特 质 ， 对 信 息 传 播 技 术 带 来 深 远 的 影 响 ， 我 对 此 感 到 十 分 欣 喜 。 他 们 的 研 究 成 果 ， 充 分 体 现 科 大 的 使 命 ， 透 过 发 展 及 深 化 基 础 理 论 ， 提 升 科 研 对 社 会 发 展 的 影 响 力 。 作 为 一 所 着 重 科 研 的 研 究 型 大 学 ， 科 大 将 继 续 透 过 多 方 面 的 突 破 性 研 究 ， 促 进 基 础 理 论 与 应 用 科 学 的 发 展 。 」
十 几 年 前 光 脉 冲 在 介 质 中 超 光 速 传 播 现 象 的 发 现 ， 曾 经 引 起 无 数 人 对 时 间 穿 梭 的 的 遐 想 。 然 而 ， 随 后 人 们 失 望 地 发 现 那 只 不 过 是 一 大 群 光 子 组 成 的 光 脉 冲 的 群 速 度 ， 是 一 种 视 觉 效 应 ， 并 不 能 用 来 传 递 信 息 。 于 是 人 们 寄 望 于 单 光 子 ， 因 为 在 奇 异 的 量 子 世 界 里 似 乎 什 么 都 有 可 能 ： 或 许 单 个 光 子 在 那 里 可 以 超 光 速 ， 因 为 它 可 以 不 需 要 遵 守 经 典 世 界 里 的 规 则 。 由 于 缺 少 实 验 的 证 据 ， 物 理 学 家 们 对 这 个 问 题 也 是 争 论 不 休 。 为 了 解 决 上 述 问 题 ， 杜 教 授 团 队 成 功 控 制 单 个 光 子 的 量 子 波 包 ， 并 测 量 了 单 光 子 的 速 度 极 限 。 研 究 发 现 ， 单 个 光 子 也 不 能 超 越 光 速 c ， 印 证 了 爱 因 斯 坦 的 理 论 ， 即 结 果 不 能 先 于 原 因 出 现 。
科 大 团 队 进 行 研 究 时 ， 不 但 需 要 制 造 单 个 光 子 ， 更 要 将 单 个 光 子 的 光 前 驱 波 （ 位 于 光 学 脉 冲 最 前 端 ） 从 光 子 波 包 其 他 部 分 分 离 出 来 。 为 了 达 到 以 上 效 果 ， 杜 教 授 团 队 先 预 备 一 对 光 子 ， 然 后 引 导 其 中 一 个 光 子 通 过 一 团 激 光 （ 激 光 ） 冷 却 的 铷 原 子 ， 利 用 电 磁 诱 导 透 明 的 技 术 ， 终 于 成 功 观 察 单 个 光 子 的 光 前 驱 波 ， 带 来 革 命 性 突 破 。
团 队 发 现 ， 光 前 驱 波 为 单 光 子 速 度 最 快 的 部 分 ， 永 远 以 真 空 中 的 光 速 移 动 。 单 个 光 子 的 主 要 波 包 ， 无 论 在 任 何 介 质 中 均 不 能 超 越 光 在 真 空 中 的 速 度 。 在 慢 光 介 质 实 验 里 ， 该 团 队 成 功 将 其 延 迟 达 500 纳 秒 。 在 快 光 媒 介 内 ， 尽 管 一 个 光 脉 冲 的 群 速 度 可 以 比 真 空 的 光 速 快 ， 但 单 个 光 子 的 任 何 部 位 则 不 能 超 越 光 前 驱 波 ， 即 光 速 。
杜 胜 望 教 授 2008 年 加 入 科 大 物 理 学 系 成 为 助 理 教 授 ， 之 前 曾 于 美 国 史 丹 福 大 学 担 任 博 士 后 学 者 。 杜 教 授 分 于 别 南 京 大 学 及 北 京 大 学 ， 取 得 电 机 工 程 学 士 及 物 理 硕 士 学 位 ， 并 于 美 国 科 罗 拉 多 大 学 波 尔 德 分 校 取 得 电 机 工 程 硕 士 与 物 理 学 博 士 学 位 。
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