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德科学家让光脉冲拥有“负质量”

2013-10-17 08:24
棒棒书香
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  德国科学家使用一些光纤环,表象上使光脉冲拥有“负质量”,让激光脉冲在其周围自我加速。科学家指出,最新研究表面似乎与牛顿第三定律不符,但只是一种假象。其重要意义在于,科研人员可藉此研制运行速度更快的电子设备和更可靠的通讯设备等。

  牛顿第三定律指出,两个物体间的作用力和反作用力总是同时在同一条直线上,大小相等,方向相反。当两球相撞时,它们会相互弹回。但如果一个球的质量为负数,当它们相遇时,会朝同一个方向加速前进。这种效应在“反向驱动器”内非常有用。“反向驱动器”是科学家们假想出来的一种设备,在其内部,正负质量相互作用,然后永远加速向前。上世纪90年代,美国航空航天局(NASA)就试图制造出这种驱动器以便为火箭发射提供更好的助推力。不过量子力学声称,物质不可能拥有负质量,即使反物质的质量也为正数。

  现在,德国爱尔兰根-纽伦堡大学的乌尔夫·佩斯彻尔和同事使用“等效质量”,制造出一种“反向驱动器”。他们解释道,当光子以光速行进时,它们没有静止质量,但如果将一束光脉冲照射在晶体这样的层叠物体内,有些光子会被晶体的一层反射回来接着再被另一层反射回去,这就会让部分脉冲发生延迟,导致它同其余脉冲相互干扰,通过材料的速度因此变得更慢。

  这样一来,光脉冲似乎就拥有了质量---“等效质量”。取决于光波的形状和晶体的结构,光脉冲能拥有负的等效质量。为了得到这样一种脉冲同具有正质量的脉冲相互作用,需要非常长的晶体,以便在两束脉冲展示反向推动效应之前将光吸收。

  为此,佩斯彻尔在两条光纤环内制造出一系列激光脉冲。这些脉冲会在两条环之间的某个连接点“分道扬镳”,而且,光会以同样的方向在每个光纤环周围移动。关键在于一个环比另一个环稍长一点,因此,在更长环周围运动的光相对来说有点延迟。当这个脉冲被反射回并且在连接点分开时,它会同另一个环内的脉冲分享部分光子。这样几趟旅程之后,脉冲会发展出一种干涉模式,赋予脉冲负质量。

  佩斯彻尔表示,半导体内的电子也可以拥有“等效质量”,因此,这些环可被用来给电子加速并提升计算机的处理能力。而且,在某些光纤内,光脉冲的速度与其波长相当,这就意味着,这种环能被用来控制光纤输出光的颜色。这种方法也有望用来增加光子通讯的带宽,帮助制造出诸如激光显示屏那样的显示设备。不过,将这种环用于实际生活中也并非易事。

  在宏观世界,质量恒定不变且能对物体运动产生作用,是反映物质运动状态变化难易程度的物理量。但到了微观量子世界,运动却成了质量产生的决定因素,运动的粒子与希格斯粒子发生碰撞才产生质量。本项研究更加深刻地揭示了在微观领域运动和质量的关系,尽管“负质量”只是一种假象,但我们却可以利用这种假象来发明新的应用。将“负质量”用于实际生活确非易事,但并不是完全不可能,反向驱动器就是一种好的尝试。

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