超光速:可能与不可能

收稿日期：2011-07-09

作者简介：黄政新（1948—），男，福建泉州人，南京航空航天大学人文社会科学学院教授。

摘要：“奥佩拉”(OPERA)实验结果显示中微子运动得比光速还快。这引 起许多人对爱因斯坦关于自然界不存在超光速运动这一断言的怀疑。本 文回顾了半个世纪以来国内外快子（超光速粒子）研究的简要历史。接 着，本文指出：（1）爱因斯坦断言自然界不存在超光速运动是没有充分 理由的；（2）所有已建立的超光速理论都没有坚实的实验基础；（3）一 个正确的超光理论在极限条件下（当速度趋于光速时）时应当回归狭义 相对论。

关键词：中微子；超光速； 快子； 狭义相对论； 爱因斯坦

中图分类号：G305文献标识码：A文章编号：1008-2646（2012）01-0007-04

2011年9月22日，英国《自然》杂志网站报道了有关中微子超光速传播的重大科学新闻，［1］该文不仅冠以醒目标题“粒子打破光速极限”（“Particles break light-speed limit”)，而且还给出刺激性的提要“中微子结果挑战现代物理学基础”（“neutrino results challenge cornerstone of modern physics”）。它通过各种媒介（包括《科学》杂志网站、CNN、BBC、纽约时报和华盛顿邮报等）在世界各地迅速传开，我国央视新闻、相关网站和各种报刊也纷纷加以报道，并已成为一个公众事件。这则新闻的简要内容是，意大利格兰萨索（Gran Sasso）实验室“奥佩拉”（OPERA ，它的全称是“Oscillation Project with Emulsion-tracking Apparatus”)项目研究人员使用一套装置接收位于730公里外的欧洲核子研究中心（CERN,在瑞士日内瓦）发射的中微子束，发现中微子比光子提前60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）到达，由光速的标准值299792458米/秒，可推知中微子速度达到了299798454米/秒，比光速多了6495米。这一研究成果的论文“Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”［2］已经发表在预印本网站，它长达24个版面，署名作者多达174位，分别来自意、法、德、俄、瑞、以、韩、日和土耳其、克罗地亚等十个国家。作者们声称，从2009至2011年，已观测到超过1.6万个中微子超光速事例。该实验获得6个标准偏差数（6σ），这表明实验结果是可信的。由于物理学界普遍信奉爱因斯坦关于光速是自然界一切物理作用或信息的最高速度的断言，因而引起了不小的震动，包括著名物理学家霍金(Hawking)和几位诺贝尔物理学奖金获得者在内的一些物理学家发表了自己的意见，既有审慎支持和敦促进一步的实验，也有强烈表示不信任、甚至打赌（输掉金钱或吃掉短裤）。其实，在2007年，美国费米国家实验室已在实验中获得中微子超光速运动的迹象，但因获得的标准偏差数太小（1.7σ）因而未能给出肯定结论。费米实验室已于2011年9月30日终止寻找“上帝粒子”即Higgs粒子的项目，而转向寻找超光速中微子。

也许有些读者会问，为什么OPERA实验重复了1.6万次中微子超光速事例还不能获得公认？为什么爱因斯坦会断言自然界不可能存在超光速运动？在这次发现之前，学术界是否有过超光速的探索？如果自然界真有超光速运动，那么狭义相对论是否会被否定或颠覆？对此，笔者提出如下的一些见解。

1. 一个科学事实必须能为他人加以重复才能获得公认

在科学研究中，科学事实必须得到他人（而不是自己）的重复才能获得公认；反之，如果只是孤例，不管这个发现可能有多么重大的意义，也不会得到承认。这一点已是科学界的一个共识。物理学史上也有着正反两方面的例子：丁肇中和里希特（Richter） 于1974年几乎同时发现了新粒子J/Ψ, 互为重复，被授予1976年度诺贝尔物理学奖；贝尔实验室的彭齐亚斯（Penzias）和威尔孙（Wilson）于1964年发现宇宙空间的3K背景辐射，随后为普林斯顿小组和剑桥小组所重复，于1978年获得诺贝尔物理学奖。相反地，美国马里兰大学韦伯（Weber）关于来自银河系的直接引力波的发现，斯坦福大学卡布雷拉(Cabrera)关于磁单子的发现，如属实，无疑都将是意义重大的科学发现，但均因为孤例而未得到科学界的公认。现在，对于科学共同体而言，欧洲物理学家关于发现超光速中微子的实验，尽管该实验捕获的中微子超光速事例多达1.6万个，但它只是一次实验而已，尚未得到别人的重复，换句话说，它只是孤例。正是基于这个原因，这个实验结果尚不足以作为科学事实而获得公认。 因此，前面提及的费米实验室的转向对于验证中微子超光速运动是否存在有着重大作用。近半个世纪以来，也曾多次有过关于发现超光速粒子的报道，但都由于孤例或其他原因而被否认，其中一个典型的例子是，澳大利亚两位物理学家Clay和Crouch于1974年曾在Nature发表论文，声称他们发现在广延大气簇射过程中的超光速粒子。据此，笔者认为，如果这次中微子超光速运动最后遭到否定，也是完全有可能的，是一点也不奇怪的。反之，即使今后一、二年内费米实验室也重复中微子超光速实验结果，由于事关重大，科学共同体也不会那么轻易地和快速地加以承认。

2.关于自然界不存在超光速运动的断言

物理学界大多数人之所以坚持自然界不可能存在超光速运动的信念，是出于对爱因斯坦和狭义相对论的信赖。在1905年狭义相对论的原始论文 “论动体的电动力学”［3］83-115和1907 年“关于相对论原理和由此得出的结论”［3］150-210文中，爱因斯坦反复强调自然界不可能存在超光速运动及其种种理由。简言之, 如有超光速, 狭义相对论中的洛仑兹变换及诸如长度收缩、时间延缓、质能关系和质速关系等公式中的洛仑兹因子(1-v2/c2)均为负数，这在物理学中是无意义的，人们也无法通过速度迭加或动力学的方法使物体的速度超过光速;另外，也许更重要的是，如物理作用的传播速度和惯性系的速度大于光速，那么将出现时序颠倒即时间倒流，这将导致因果律的破坏。对于这些理由，笔者［4］于1991年发表在《大自然探索》杂志的论文“快子（超光速粒子）理论能建立在狭义相对论的基础上吗？”（亦可见笔者的学术著作《爱因斯坦学术思想与EPR问题》，今日中国出版社1997年版）已有较为详细的分析。由于爱因斯坦的权威和狭义相对论的重大成就, 物理学界绝大多数人相信自然界不可能存在超光速运动这一断言。在大学的物理学教育中，这一断言也被一代又一代地传承下去。 当然，物理学界大多数人之所以坚持自然界不可能存在超光速运动的信念，也与至今为止尚没有站得住脚的超光速实验事实有密切的关系。

3. 国内外超光速研究简况

虽然人们对自然界不可能存在超光速运动这一断言也有一些质疑，但真正对这一断言进行挑战的是, 美国物理学家Bilaniuk, Deshpande 和Sudarshan［5］三人于1962年在美国物理学杂志发表了一篇题为“‘Meta’ Relativity”的论文，从而开始了物理学上真正的超光速研究。 Sudarshan（印度人）说过一句颇为有道理的话：生活在印度次大陆的人们从来就没有翻越过喜玛拉雅山， 但如果由此而断言喜玛拉雅山北边从来就没有人生活过，这显然是不正确的；我们不能把低于光速的物体进行加速而使之超越光速，但如果由此就断言自然界也不可能存在着一类产生出来就以超光速运动着的物体（粒子），这显然也是不正确的。1967年，Feinberg［6］ 把所谓超光速粒子（faster-than-light-particle）命名为快子（tachyon），而比光速慢的粒子命名为慢子（bradyon）。 慢子不可能用任何办法达到超光速, 而快子从来就是以超光速运动。 随后，寻找快子的实验同时在宇宙线和加速器中进行着。 20世纪七、八十年代应是快子研究比较集中的年代。由于在理论和实验两方面的研究均遇到巨大困难，后来的研究也随之而降温。进入21世纪，较轰动的事件是，留美学者王力军博士等人［7］于2000年在《自然》杂志发表论文“Gain-assisted superluminal light propagation”，指出光脉冲通过反常色散媒质（Cs原子气体）时，实验观察到超光速(大于光速300多倍) 脉冲传播；2008年，《自然》杂志发表了Salart等人［8］的论文“Testing the speed of ‘spooky action at a distance’ ”，指出实验结果表明量子纠缠间的传播速度超过光速的1万倍。两者都引发了关于它们是否真正意义的超光速的争议。

在国外快子理论提出后，我国学者从上世纪70年代起至今一直有少数学者介入超光速问题的研究。特别是新世纪以来，有较多的研究者涉足这一问题，但情况较为复杂，有些人的研究较为规范、扎实和审慎，也有一些人言辞和立场比较偏激、或者不规范。其中值得一提的那种属于较为长期和系统研究的成果是：第一，重庆大学杨学恒等［9］在上世纪70、80年代对快子理论进行了许多研究，其研究成果刊载在五集内部刊物《新物理探讨》。（1980年前后在《重庆大学学报（自然版）》正式发表了部分成果）其二，国防科技大学教授谭署生［10］于上世纪80年代发表了多篇论文，建立一个被称为“标准时空论”的方案，它允许存在超光速；该研究得到钱学森教授的支持和鼓励；以这些论文为基础形成的专著《从狭义相对论到标准时空论》于2007年出版，宋健院士为之作序。其三，中国传媒大学教授黄志洵［11］自1999年以来一连出版了五本涉及超光速研究的著作，并实施实验寻找超光速事实。其四，本世纪初，复旦大学教授倪光炯［12］（及与留美学者张操教授合作）提出中微子是超光速粒子的理论。此外，比较集中的是，中科院上海原子核研究所教授艾小白［13］在发表于2001年的“超光速运动的过去、现在和未来”一文中提及了此前国内外约30位研究超光速的学者。

4. 如何看待超光速理论与狭义相对论的关系

第一，从狭义相对论断言自然界不存在超光速运动是没有充分理由的

光速不可超越的结论不是狭义相对论的结论，而只是爱因斯坦的结论；爱因斯坦从狭义相对论断言自然界不可能存在超光速运动是没有充分理由的。这是因为，狭义相对论是以狭义相对性原理和光速不变原理（从而是电磁学规律）为基础建立起来的物理理论，因而也就规定狭义相对论不能违背光速不变原理，这一原理本身事实上已规定了狭义相对论不能在超光速范围应用。狭义相对论在超过光速时出现的种种困难，一方面说明该理论只能在不超过光速的范围内加以应用，但另一方面也说明，本来以低于光速运动的物体是不可能借助于任何办法来超过光速的。这就是说，如果人们坚信狭义相对论是一个科学理论，就必须坚信不能加速一个物体使之超过光速；如果人们认识到，任何科学理论都有其适用的范围，狭义相对论是一个相对真理，那么它就没有能力来断言自然界不可能存在超光速运动。总之，自然界存在着一类超光速物质运动是完全可能的；而本来以不超过光速运动的物质试图通过如运动学或动力学等办法来超越光速则是不可能的。

第二，已有的任何超光速理论都没有坚实的实验基础

从某种意义上说，物理学是一门实验科学，任何物理学理论都是建立在坚实的物理学实验事实的基础之上的；狭义相对论之所以能成为一个接近光速运动时的物理学理论，就在于它是以麦克斯韦电磁场规律和事实为基础。一个能在科学史上站得住脚的超光速理论，必然是建立在新型物质形态的超光速运动规律的基础上；然而，我们又必须承认，至今为止尚无确切和充分的实验事实表明超光速物理作用或信号的存在，因此，国内外学者已提出的任何超光速理论都没有坚实的实验基础。有关研究者所述及的超光速事实，其实充其量只能说是迹象而已。正是基于这一认识，笔者虽然早就认为关于自然界不存在超光速运动这一断言是站不住脚的，但从不去尝试构造所谓的超光速理论。

第三，（可能的）超光速理论在极限条件下必须回归狭义相对论

如果自然界真的存在超光速运动的话, 未来建立起来的超光速运动理论必然要把狭义相对论作为极限而包括进来，而不是根本上地否定或推翻它。这涉及到科学方法论的一个原则，即“对应原理”，这条原理本来就是在狭义相对论和旧量子论建立后提炼出来的。人们发现，它们并没有根本地否定牛顿力学，在极限条件时都回到了牛顿力学。在狭义相对论中，当 vc 或者说v/c → 0,它的所有公式都回归到牛顿力学公式，比如，m=m0/√(1-v2/c2)，当v/c → 0时， 即有m =m0 ； 而洛仑兹变换x’=(x-vt)/ √(1-v2/c2)和t’=t-vx/c2/ √(1-v2/c2),当v/c → 0时，洛仑兹变换回归到伽利略变换x’=(x-vt)和t’=t。 这一原则表明了原有的理论和新的假说之间的关系。这就是说，狭义相对论已经是经过实践检验的一个科学理论，它具有真理的相对性，在不超过光速的范围内，有着不可动摇的正确性；而研究中的那些超光速理论尚未经过科学实践检验因而严格地讲仅仅是研究中的一个假说，研究者在进行这种超光速理论的研究中，要自觉地运用对应原理，即你所建立的这套超光速理论在极限条件下要能回归狭义相对论，把狭义相对论作为一个相对真理包含进去，而不是否定狭义相对论。现在挑战狭义相对论的不少研究者试图彻底地否定狭义相对论而去构造他们各自的超光速理论，可以断言这些超光速理论是不可能成功的。

参考文献

［1］G．Brumfiel. Particles break light-speed limit［J］.Published online 22 September 2011 | Nature | doi:10.1038/news.2011.554.

［2］T.Adam et al. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. arXiv: 1109.4897.

［3］爱因斯坦.爱因斯坦文集（第二卷）［C］.范岱年，等，译.北京：商务印书馆,1977.

［4］黄政新.快子（超光速粒子）理论能建立在狭义相对论的基础上吗？［J］.大自然探索.1991(2):83-86.

［5］O.Bilaniuk,V.Deshpande,and E.Sudarshan.‘Meta’relativity［J］. Am.J.Phys.,1962（30）:718-722.

［6］G.Feinberg. Possibility of faster than light particles［J］.Phys.Rev., 1967（159）：1089-1105.

［7］L. J. Wang, A. Kuzmich ,and A. Dogariuet. Gain-assisted superluminal light propagation［J］.Nature. 2000（406）:277-279.

［8］D. Salart, A. Baas, C. Branciard, N.Gisin and H. Zbinden. Testing the speed of ‘spooky action at a distance’［J］.Nature. 2008（454）:861-864.

［9］杨学恒，等. 新物理探讨（第1—5 集）［C］. 重庆：重庆大学、重庆建筑工程学院印，1973-1977.

［10］谭署生. 从狭义相对论到标准时空论 ［M］. 长沙：湖南科技出版社，2007.

［11］黄志洵. 超光速研究［M］.北京：科学出版社，1999：26.

［12］倪光炯. 自然界可能存在超光速粒子（英文）［J］. 陕西师范大学学报（自然版）.2001(3): 1-5；倪光炯、张操. 二参量描述的超光速中微子（英文）［J］. 陕西师范大学学报（自然版）.2002(3): 32-39；倪光炯. 超光速佯谬和中微子（英文）［J］. 陕西师范大学学报（自然版）.2002(4): 1-6.

［13］艾小白. 超光速运动的过去、现在和未来［J］. 自然杂志（上海）.2001 (6): 311-316.（责任编辑、校对：徐广联）

On the Superluminal Movement: Possible and Impossible?

HUANG Zheng-xin

(School of Humanities and Social Sciences, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing ,Jiangsu,210016 )

Abstract：The OPERA experimental results indicate that neutrinos move even faster than the speed of light, which triggers extensive skepticism with regards of Einstein’s assertion that superluminal movement does not exists in nature. This paper first makes a brief review to the history of tachyon (faster-than-light particle) research home and abroad in the past half-century. It then points out that: (1) there is no solid and sufficient reason in Einstein’s assertion that superluminal movement does not exists in nature; (2) so far there is no solid experimental foundation for those currently established superluminal theories; (3) a correct superluminal theory should return to special relativity under extreme conditions (i.e. when the velocity approaches the speed of light).

Key words: neutrino; superluminal movement; tachyon;special relativity;Einstein

推荐访问:不可能 光速 能与