关于相速度、群速度、信号速度 作者：自出洞来 　　读了"对《这是编译还是胡编？--评新浪科技的一则新闻》的说明"一文后，觉得有些内容，特别是文中故儒的附文"误解可能来自一些量子力学课本"的描述，给广大读者造成了混乱。在此觉得有必要澄清一下概念。首先声明本人是著名（或曾经很著名）重点大学物理系毕业，如所言有错，欢迎广大新语丝网友批评指正。 　　关于到底是相速度还是群速度可以超过真空中的光速（以下简称c），正确答案是复杂的，这里涉及到反常色散（和介质的吸收带有关）的问题。 　　所谓相速度，指的是单一频率的波的传播速度，在正常色散的情况下它不可能超过c。 　　但是实际存在的波不是单频的，媒质对这个（或这些）波必然是色散的，那么，传播中的波由于各不同频率的成分运动快慢不一致，会出现扩散，但假若（注意这个假设）这个波是由一群频率差别不大的简谐波组成，这时在相当长的传播途程中总的波仍将维持为一个整体，以一个固定的速度运行。这个特殊的波群称为"波包"，这个速度称为群速度。与相速度不同，群速度的值比波包的中心相速度要小，并且二者的差值同中心相速度随波长而变化的平均率成正比。 　　群速度是波包的能量传播速度，也是波包所表达信号的传播速度（这是在上述假设的基础上）。这也是Bohm的《量子理论》中写的（见故儒的附文）： 　　In general, the phase velocity has little physical significance; for example, the speed of transmission of a signal through a dielectric is given by the group velocity, as is also the speed of transport of energy. 　　Bohm写得没错，在一般情况下确实如此，他并没有混淆群速度与信号传送速度。 　　按照色散理论，进入吸收带呈现反常色散，当光波频率大于某一个固有频率时，折射率小于1，这时物质中光波的相速度可大于c！因为实际上任何信号在物质中的传播速度是由群速或是由信号速度决定的，而且信号的速度总不会大于c，所以相速度大于光速的情况并不违反相对论。所以会有多位读者给方舟子来函指出，根据物理学教科书，能超光速的应是相速度而非群速度。 　　在真空中相速度和群速度二者是相同的，但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质折射率的关系： 　　v(g) = c / n(g) ，　　　n(g) = n + ω(dn/dω) 　　n(g)和我们通常所说的折射率意义不同，可以叫作群速折射率。在非常强的反常色散的情况下，(dn/dω)为负值，n(g)也会小于1（群速度大于c），甚至n(g)小于0，群速度是负的！王利军的实验实际就是观察到了负的群速度这一实验事实，表面看起来是"超光速"。当然，这时群速度（是负的）已经不代表信号的速度了。 　　顺便说一句，Bohm 说的第二段话，意思是如果一个波（或一群波）不是由一群简谐波组成的话（也就是故儒所说的被严重扭曲），那么这时群速度不代表信号速度，而必须重新定义一个信号速度，这个信号速度是不可能超过c的。 　　最后再总结一下结论： 　　一般情况下，群速度代表信号速度； 　　反常色散时，介质中光波相速度可以超过c； 　　反常色散时，介质中光波群速度也可以超过光速，但这时群速度不再代表信号速度。 　　不管如何，信号速度永远不可能超过c。相对论到目前还是成立的。 (XYS20030719) 这是编译还是胡编？ ——评新浪科技的一则新闻 ·方舟子· 中国媒体还没有多少驻外科技记者可以去参加国外科技新闻发布会或采访国外研究人员，因此在报道国外科技成果时，以编译国外的报道为主，这是可以理解的。科技新闻难免会有不常用的科学术语，涉及到的科学成果也可能专业性太强，外行不容易读懂，行文要做到通俗易懂更需要一定的技巧，因此编译科技新闻的难度，要比编译一般的新闻难得多。如果编译者的科学知识不扎实，态度又不认真，懒得查字典、辞书，连原文都没看明白就稀里糊涂地编起来，就很容易把编译变成了胡编。在中国报刊、网站上，有关国外的科技报道写得拗口、难懂，让人不知所云，或者出现知识性错误，都并不罕见，尤其是某些网站自己编译的科技新闻，粗制滥造几乎可以说是其特色。但是像“新浪科技”在2003年07月12日9:33发布的署名“明月”编译的科技新闻“美科学家研究表明通过特殊装置可以改变光速”那样错得那么离谱，那么低级，那么不应该的，却是颇为奇怪的。 编译最好能写明原始出处，以便读者有疑问时可以查核。新浪的这则科技新闻没有注明是根据国外的哪条报道编译的，我自己检索出来的几条英文报道都不像是其原文，因此虽然其后面两段对毕格罗的话的翻译，从用词上看就可以肯定有不妥、错误之处，但是由于没有原文可以核对，且放过不提。我们只来看前面两段： 　　“新浪科技讯美国东部时间7月11日(北京时间7月12日)消息，美国纽约州罗切斯特大学马修·毕格罗(Matthew Bigelow)教授研究表明，在绝对零度的环境中通过装有红宝石晶体的研究装置，可以改变光的速度。能使光速减慢，也能使光速加速。但是，这项研究要求具备绝对零度的环境和复杂的装置才能实现。毕格罗教授的这项研究成果发表在《自然》杂志上。” 这一段话，除了时间搞对了，其他的新闻要素却都搞错了。一、这位马修·毕格罗并非教授，而是罗切斯特大学罗伯特·波伊德（Robert Boyd）教授的研究生。编译者大概以为能做科学研究的都是教授，于是想当然地一口一个“毕格罗教授”。二、这个实验是在室温环境下做的，而不是在绝对零度的环境中做的。以前已有人在超低温的环境下做过类似的实验，这项成果的意义正在于它是在室温环境下得到的。而且，根据热力学第三定律，绝对温度只能逼近，而不能获得。三、这项实验材料用的是紫翠玉（alexandrite），而不是红宝石（ruby）。该实验室以前用红宝石做过类似的实验，但是这一次采用了不同的材料。四、这项研究成果发表在今年7月11日的美国《科学》杂志上，而不是《自然》杂志上。 　　“从理论上讲，光在真空中的传播速度为每秒30万公里，在玻璃介质中传播速度为每秒15万公里。然而，在所进行的实验中却能将光的速度减缓至每秒91米，也能加快光的速度，超过光在真空中的传播速度。在不违反自然定律的条件下，光速是不可超越的。但是，毕格罗教授通过研究证明光速是可以改变的。而且是在不违反自然定律的前提下进行的。在这项研究中，光在介质中的传播速度与介质吸收光的不同波长有直接联系。” 这段话说得颠三倒四，前后自相矛盾，让人不知道编译者究竟想说什么。既然“在不违反自然定律的条件下，光速是不可超越的”，那么毕格罗的研究结果怎么能够既不违反自然定律，又超越光速呢？这不是自打嘴巴吗？所谓自然定律，指的是爱因斯坦狭义相对论。相对论认为，物质的运动速度或信号的传播速度不能超过光速，否则就会破坏了因果律，让原因出现在结果之前。在这个实验中，超过了光速的是光脉冲波峰的速度即群速度，但是这个速度不能用于计算信号的传播速度，只有光波波头的传播速度才能算作是信号的传播速度，而这个速度是无法超光速的，并没有违背相对论。光的群速度能够超光速，其实在三年前就已经被在美国工作的华人王利军等人发现了，当时有些记者误以为这意味着相对论不再成立，轰动一时，国内一家报纸甚至以《超光速得到证实　爱因斯坦被指“欺世盗名”》这个吓人的标题做过报道，不知为何这位科技新闻的编译者如此健忘，又让毕格罗重新发现了一回？ 曾经有人讽刺某份报纸：除了日期是真的，其他的都是假的。这句话用来形容这则编译，可谓恰如其分。像这样胡编乱造科技新闻，不仅是由于科学知识不足，而且也是由于英语水平不够格（例如，把原文回顾以前的成果读成是介绍新成果），当然，最主要的原因，是态度不认真，缺乏起码的敬业精神。 2003.7.13. 附： 美科学家研究表明通过特殊装置可以改变光速 http://www.sina.com.cn 2003年07月12日 09:33 新浪科技 　　新浪科技讯美国东部时间7月11日(北京时间7月12日)消息，美国纽约州罗切斯特大学马修·毕格罗(Matthew Bigelow)教授研究表明，在绝对零度的环境中通过装有红宝石晶体的研究装置，可以改变光的速度。能使光速减慢，也能使光速加速。但是，这项研究要求具备绝对零度的环境和复杂的装置才能实现。毕格罗教授的这项研究成果发表在《自然》杂志上。 　　从理论上讲，光在真空中的传播速度为每秒30万公里，在玻璃介质中传播速度为每秒15万公里。然而，在所进行的实验中却能将光的速度减缓至每秒91米，也能加快光的速度，超过光在真空中的传播速度。在不违反自然定律的条件下，光速是不可超越的。但是，毕格罗教授通过研究证明光速是可以改变的。而且是在不违反自然定律的前提下进行的。在这项研究中，光在介质中的传播速度与介质吸收光的不同波长有直接联系。 　　毕格罗教授指出：“在研究中利用两台激光仪发出的激光束作用于红宝石晶体，这两台激光仪对准红宝石晶体发出互相干扰不同频率激光束，这两个互相干扰的激光束将在光谱中产生一个可被红宝石晶体吸收的振荡。这样，激光通过红宝石晶体的波长被改变，光的速度就改变了。”通过这个实验可得出一个结论：光速的加快和减慢的转变只需改变两台激光仪的波长就可实现。 　　这项研究可以应用到光通讯等许多行业中。毕格罗教授称：“光速改变技术有助于我们进一步揭露那些新的物理现象。同时，还可应用至某些光学领域中。比如：光学延迟线控制技术，光学数据存储，光学存储器以及量子信息的研究。”(明月编译) (XYS20030714)