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[图帖] 如果光速真的被超越：时空观或将彻底改写[1P]

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1楼大中小发表于 2011-12-30 15:22 只看该作者

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如果光速真的被超越：时空观或将彻底改写[1P]

如果光速真的被超越：时空观或将彻底改写

意大利格兰萨索国家实验室底下的中微子探测器

　　李淼是中国科学院理论物理研究所的研究员，曾任中国台湾大学和中国科学技术大学客座教授。他主要研究量子场论、超弦理论以及宇宙学，最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。

　　如果OPERA 实验的结果得到其他实验的验证，相对论，这个已经被检验了无数次的物理学基础之一将被动摇，后果和影响将是巨大的。

　　撰文李淼

　　2011 年9月22 日下午，意大利格兰· 萨索国家实验室的 OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs 的缩写)项目组宣布，他们探测到的中微子速度超过了光速，同时将一篇学术论文发布在著名学术论文网站arXiv 上。

　　在文章中，项目组谨慎地表示，他们反复检查了所有可能出现的误差，但还是解释不了中微子为何会比预计时间早到了约60 纳秒(中微子是从欧洲核子研究所发出，目的地是意大利格兰· 萨索国家实验室，两地相距约730 千米。通常来说，中微子应该和光同时到达)，因此只得将测量结果公之于众，希望整个物理学界帮助他们找出可能出现的错误。

　　一纳秒是十亿分之一秒，光速约为每秒30 万千米。一纳秒内，光可以前进30 厘米，由于中微子速度和光速差不多，因此中微子在60 纳秒内比光多跑了18 米，说明中微子的速度比光速快了四万分之一倍。这个相对增速并不大，但恰好在OPERA 实验可以探测到的范围内。如果将数据统计和实验仪器的不确定性加起来，OPERA 实验的误差在10 纳秒左右，所以60 纳秒这个数字，绝不能简单地用误差来解释。

　　如果该结果得到验证，相对论，这个已被检验了无数次的物理学基础理论将被动摇，后果和影响将是巨大的。所以，物理学家在采取谨慎态度对待这个实验结果的同时，还怀着强烈的期待——不论这期待是什么。

　　不可思议的实验

　　我们来回顾一下 OPERA 实验的过程。首先，欧洲核子研究所的超级质子同步加速器产生出4 000 亿电子伏的质子流。这些质子经过一段管道后，击中一块长为两米的石墨，产生κ介子和π介子，这些介子继续前行一千米，在此过程中衰变成μ子和μ子型中微子。接着，所有这些粒子与一个铁－石墨靶碰撞，除了中微子外，其他粒子都会被阻挡。

　　由于中微子能穿过任何物体，因此它们直接飞往格兰· 萨索国家实验室。同时，研究人员会测量μ子的数量，所得结果将和格兰· 萨索实验室测量到的中微子数相比较。中微子从欧洲核子研究所到格兰· 萨索实验室的旅行都是在地壳中进行，距离是732 千米。这个距离是用全球定位系统(GPS )来测量的，两地时钟也是通过这个系统来校准。OPERA 项目组称，距离的测量误差不会超过20 厘米，时钟的误差也不超过10 纳秒。通过长达半年的数据分析，项目组终于宣布了惊人的初步结果。

　　把初步结果公布在arXiv 上之后，OPERA 项目组又要求欧洲核子研究所提供新的质子流，因为此前的质子流太长，这会引起不必要的误差。新的质子流不到一米长，相当于光速运行 3纳秒的距离，远短于60 纳秒，这就排除了最可能出现的误差。进行了半个月的重复实验后，研究人员探测到20 个中微子，结果中微子的到达时间仍提前了62.1 纳秒。同时，不同的研究人员还重新分析了此前的数据，得到的结果是，中微子的到达时间平均提前了57.8 纳秒，这与重复实验的结果是吻合的。经过近两个月的细心检查和重复实验，OPERA 项目组把9月23 日的那篇文章加长了10 页后，终于正式向学术期刊投稿了。

　　质疑

　　尽管经过长时间的数据分析和重复实验，OPERA 项目组自认已经排除了所有可能出现的误差，但在学术界，大多数科学家仍对OPERA 实验持怀疑态度。要判断这个结果到底有多大可信度，我们首先要考虑它是否与以前的高能物理实验相矛盾。

　　在此之前，科学家就做过与中微子速度相关的实验。比如，美国费米实验室就曾做过这类实验，给能量在300 亿到2 000 亿电子伏之间的中微子定一个速度范围——不论低于还是超过光速，它们与光速的速度偏差都不应该超过两万五千分之一(也就是说，这是误差允许的范围)。这个范围与OPERA 实验并不矛盾，因为在该实验中，中微子的速度只超过光速四万分之一。不过在2007 年，费米实验室的一个研究组在实验中发现，30 亿电子伏的中微子的速度似乎比光速快了两万分之一倍，明显超出上述速度范围，但在当时，这个结果没有引起物理学界的重视，主要原因是误差太大，实际结果可能低于光速。

　　看上去直接与OPERA 实验相矛盾的，是在1987 年针对一颗超新星的观测实验。这颗超新星被命名为1987A ，当时，科学家观测到这颗距离我们近17 万光年的超新星的同时，也观测到了大约20 个中微子。比较光子和中微子到达地球的时间，研究人员得出的中微子的速度范围是，与光速的偏差不会超过五亿分之一，这远小于四万分之一，因此与意大利实验相矛盾。但是，该观测实验却与OPERA 实验有几个不同之处：第一，超新星辐射出的中微子中，绝大多数是反电子型中微子；第二，地球上探测到的中微子的能量只有1 000 万电子伏，远远小于 OPERA 实验探测到的中微子能量——后者的能量范围是140 亿到400 亿电子伏；最后，超新星发出的中微子绝大多数是在太空中旅行，而OPERA 的中微子则是在地壳中前行。因此，超新星观测实验与OPERA 实验的结果是否真的矛盾，还值得商榷。

　　在网上，9月23 日的那篇论文已经被引用160 多次，而引用该论文的文章，半数以上都是研究超光速中微子相关问题的。这些文章中，多数是用不同的理论来解释中微子的超光速现象，少数是质疑这个实验结果的。而在众多质疑的文章中，美国科学家安德鲁· 科恩(Andrew Cohen )和1979 年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow )的文章最引人注意(参见本期前沿扫描《超光速中微子》)。他们指出，根据弱相互作用理论，如果中微子的速度超过真空光速，中微子会辐射电子和正电子，损失能量。不论欧洲核子研究所发出的中微子起始能量有多大，到达格兰· 萨索的中微子的能量都不能超过125 亿电子伏，这显然与OPERA 的测量结果相矛盾。当然，在科恩和格拉肖的计算中，他们假设了中微子的能量与速度存在依赖关系，很多人认为，如果改变能量与速度的依赖关系，中微子也许就不会损失能量。但我们的计算发现，不论如何改变这种的依赖关系，中微子都不可避免地会损失很多能量。

　　为了规避“科恩－格拉肖问题”，有些极端的理论物理学家提出，超光速中微子如果发生弱相互作用，能量不再严格守恒，取而代之的是一种新的能量守恒定律。在这种新的守恒定律中，中微子的能量要乘以一个“破坏因子”，这样就彻底规避了“科恩－格拉肖问题”。这种观点看上去很有吸引力。

　　当然，更多的物理学家选择无视OPERA 实验的结果，例如 1979 年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)说： “这个实验令人印象深刻，但更多的粒子并没有超光速，而涉及中微子的实验通常又极端困难。就像有人说，在花园深处有一些小仙女，但我们只能在漆黑和有浓雾的夜晚才能看到。”

　　我也在很多场合谈论过中微子超光速现象，但我也一直表示，这个结果正确的可能性并不高，即使OPERA 项目组做了重复实验后，我也没有彻底改变我的态度。因为如果这个不可思议的结果被证实，将会给物理学界带来一场“大地震”。

　　修改相对论？

　　很多人都知道，爱因斯坦相对论，特别是狭义相对论，是建立在光速不变基础上的。不论我们以什么速度匀速运动，我们测得的光速总是一样。另外，无论光源相对我们做什么运动，我们测得的光速也是一样。测量光速是否变化的一个著名实验是迈克尔逊－莫雷实验。这个实验很简单，让光从一个光源发出，经过两个不同路径后，到达同一个地方，然后发生干涉。

　　如果光速与方向有关，并与我们的运动速度有关，那么当我们转动迈克尔逊干涉仪，就会看到干涉条纹的移动，或当我们运动起来，也会看到干涉条纹的移动。我们知道，地球相对太阳运动，运动速度大约是每秒30 千米，所以冬季和夏季地球有一个每秒60 千米的相对运动速度。但在实验中，科学家并没有发现这个相对运动速度，也就是说光速与地球的运动无关。

　　19 世纪末，迈克尔逊和莫雷所做的实验得出了光速变化的范围：不会超出每秒8千米，与30 万千米相比，不到三万分之一。到了本世纪，光速的精确度已经达到10 -17 。现在，光速已成为一个标准，被定义为每秒299 792 458 米。又由于铯原子钟非常精准，一天的误差也不会超过一纳秒，因而我们可以用光速和时间来定义距离。在OPERA 实验中，欧洲核子研究所到意大利格兰·萨索实验室的距离，就是通过全球定位系统利用光速来测量的。

　　因此，爱因斯坦并没有错，至少，光速是不变的。那么我们就会问，不是说在相对论中，光速是一个不可超越的极限吗？回答这个问题并不容易。原则上，相对论并没有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被称为快子，相对论告诉我们，快子的行为很古怪，速度越高，能量越低。这种古怪特性加上量子力学，使得人们认为快子不可能存在，因为量子力学允许快子不断地辐射能量，在快子辐射能量之后，它的速度反而加快了。这个现象与不稳定性有关，也就是说，如果存在快子，那么快子会使我们生活的空间很快发生爆炸。

　　在OPERA 实验中，超光速中微子并不简单地意味着它们就是快子。事实上，项目组在4个不同的能量水平上测量了中微子的速度，结果发现中微子的速度是不变的，也就是说，在140 亿到400 亿电子伏这个能量范围，中微子都超光速，而且超出的部分都大约为光速的四万分之一。快子的能量和速度的关系肯定不是这样的。另外，1987A 超新星的中微子能量更低，速度也更低，这也和快子的行为矛盾。

　　那么我们能得出什么结论？因为快子是相对论允许的，而中微子不是快子，所以，尽管我们肯定光速不变，但相对论还是错了；所以，如果一年后新的实验验证了 OPERA 实验的结果，我们可以肯定地说，相对论必须修改！

　　OPERA 实验的另一个结果也非常奇特。过去三年中，研究人员在不同的季节统计了中微子速度，速度也与季节无关。也就是说，中微子速度虽然超出光速，但和光速类似，它与季节也就是与地球的运动无关。如果我们假定，一个理论中存在两个不变的速度，这个理论中的时空将是特别怪异的。例如，我们可以利用光速不变定义距离，也可以用中微子速度不变定义距离，但在不同的参照系中，这样定义出来的距离并不一致！这个例子说明，长度的定义不绝对。而比长度定义不绝对更令人惊骇的是，事件这个概念也不绝对了。

　　总之，中微子超光速的结论很可能经不起其他实验的检验，但是，万一通过了检验，我们的时空观就将彻底改写，物理学的基础理论之一粒子物理也将改写。甚至，爱因斯坦的另一个著名理论——万有引力的时空弯曲理论同样会改写。

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tingtingxx 金币 +5 你的帖子比较受欢迎，额外加分 2012-2-15 23:59

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2楼大中小发表于 2011-12-30 19:42 只看该作者

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面对科学人类还有很长的一段路要走，科学的探索永远不能停止

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美女请咬我

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3楼大中小发表于 2011-12-30 22:15 只看该作者

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标题

真理只适合某段时间，科学就在被否定和否定之间进步的

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soclkaner

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4楼大中小发表于 2011-12-30 23:54 只看该作者

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还是倾向于相信这是实验出了问题，毕竟现在人类的测量水平有限，爱因斯坦的相对论是个优美的理论

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我们的雪人

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5楼大中小发表于 2011-12-31 00:16 只看该作者

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科学总是在不断的进步发展，对于未知的世界而言我以为没有什么是完美的解释

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si12

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6楼大中小发表于 2011-12-31 00:31 只看该作者

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根据爱因斯坦的理论超过光速那么粒子将会发生时间和空间上的扭曲，时空机器难道真的成为现实？

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aogege

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7楼大中小发表于 2011-12-31 08:57 只看该作者

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没有永恒的真理。伽利略之前所有人还相信日心说。真是我们对真理的质疑，带动人类的进步、

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星空_001

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8楼大中小发表于 2011-12-31 11:11 只看该作者

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我们可以看到以前，却回不到以前。如果是超过了光速，不知道能不能回到过去？期待中。

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looyiss1

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9楼大中小发表于 2011-12-31 11:51 只看该作者

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科学发展至今日，大多数理论已被反复证明后上升到了真理层次，这些真理犹如现代科学大厦之基石，如需要修正，必须推倒整个大厦。所以人类越来越不敢怀疑真理，更不敢挑战真理。放眼浩瀚宇宙，难道人类是唯一智慧生物吗？如果不是，那人类处于哪个等级呢？

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10楼 大中小发表于 2011-12-31 12:45 只看该作者

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光速如果是可以被超越的，那么人类的物理学的一个基础就崩塌了，但是也好，不破不立

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