[科普中國]-超光速粒子

人們對于速度低于光速的物質(zhì)粒子了解甚多，而對速度高于光速的物質(zhì)粒子—-快子卻知之甚少。人們通過對狹義相對論的進一步研究發(fā)現(xiàn)，速度原本就超過光速的快子的存在并不違背狹義相對論，但到目前人們對快子的特性并不清楚，也不知道為什么不能發(fā)現(xiàn)快子。

歷史背景法國天文學(xué)家弗拉王亞東翁曾寫過一本科學(xué)幻想小說，書中描述了一位以大于光速運動的主人翁在宇宙空間旅行，碰到了一系列不可思議的奇跡：如發(fā)射的炮彈倒飛回炮口里，死去的人又復(fù)活了等等。當時愛因斯坦對這本書極為不滿意，愛因斯坦認為超光速的情況是不可能的。1

論述歷程最初認識應(yīng)該說在上世紀五、六十年代之前，就人們所認識的限度而言，愛因斯坦的觀點應(yīng)該是正確的：超光速是不可能的?？稍谄呤甏昂?，射電天文學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，宇宙中有4個致密的河外類星體射電源。河外射電星體有時會拋出一、兩對射電星云——射電子源，這似乎是一次猛烈爆炸引起的，它們彼此高速分離，其中大約有半數(shù)出現(xiàn)超光速運動，甚至達到光速的5倍至10倍。但最近的一些研究表明，這些超光速運動現(xiàn)象只是“視超光速”想象，起因于類星體發(fā)出的與觀測者視線方向夾角很小的亞光速噴流，實際上并沒有超過光速。不過類星體的運動（紅移）確實存在超光速的可能，但類星體存在于遙遠的過去，它的運動已經(jīng)要考慮空間結(jié)構(gòu)的補償，由于不攜帶能量和信息，宇宙的膨脹是不受光速限制的。（相對論只限制質(zhì)量和信息的傳遞）2

提出假說這些難以解釋的現(xiàn)象有些使科學(xué)家們膽怯，生怕被不精確的測量所愚弄?？擅绹臀鞯碌囊恍┛茖W(xué)家經(jīng)過十多年的認真觀測，積累了足夠多的數(shù)據(jù)，令人信服地證實他們的觀測是真實的。這就是說，超光速粒子在茫茫宇宙中是客觀存在的。面對這種出乎意料的結(jié)果，眾說紛紜，各種猜測，假說應(yīng)運而生。1967年，美國哥倫比亞大學(xué)范伯格提出一種假設(shè)，即認為，在宇宙空間中存在另一個由速度超過光速的粒子（稱之為“快子”）組成的宇宙，在由這種由“快子”組成的宇宙空間中，一個能量為零的粒子是以無窮大速度運動的，而且若它們獲得的能量越多，反而運動速度越慢，直到獲得無窮大能量后，速度才減慢到光速。這正好與我們這個宇宙中的情況相反：在我們這個宇宙中，一個靜止物質(zhì)能量最小，當它獲得能量后，就開始運動，而且獲得能量越多，運動速度就越快，直到獲得無窮大的能量后，物體速度也達到極限，即光速。在快宇宙中（由“快子”組成的宇宙），任何情況下，一個超光速粒子不可能比光速運動得慢，而在我們的慢宇宙中，任何情況下，一個物體不可能比光速運動得快，由此可見，光速正是兩個宇宙的分水嶺。如果一個“快子”在真空中運行，則它經(jīng)過時必須要留下一道可以探測的光跡，雖然實驗室里還從來沒有發(fā)現(xiàn)過“快子”，但從數(shù)學(xué)公式的推算看，“快子”是可能存在的，所以科學(xué)家們都希望能快些捕捉到“快子”。當然，快子的存在從未有任何直接或間接證據(jù)?？傊馑僦i是令人神往的。2

疑似發(fā)現(xiàn)2011年9月23日，在歐洲核子研究中心（CERN），科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了意料之外的現(xiàn)象：被送往732公里之外Gran Sasso實驗室的中微子們比光速快了60納秒到達。用更大的數(shù)字來表示，就是光速299,792,458m/s，而他們在實驗中檢測到中微子速度是299,799,953m/s。

這一數(shù)值的實驗誤差是10納秒，換言之，基本上比光速快是沒錯的！雖然只是0.0025%的區(qū)別，但這一挑戰(zhàn)狹義相對論光速不變原理基石的發(fā)現(xiàn)一旦得到證實，將會給物理學(xué)界帶來巨大的變化。

突破光速不是兒戲，科學(xué)家們慎之又慎的反復(fù)測驗。研究發(fā)言人Antonio Ereditato博士表示他們已經(jīng)反復(fù)檢驗過數(shù)據(jù)和設(shè)備，但就是無法發(fā)現(xiàn)有什么錯誤，只好選擇將這一結(jié)果公開，期待得到更多研究機構(gòu)的重復(fù)實驗和驗證，以其最終得知這究竟是不是一個事實。

盡管以一般的實驗準則來說，他們的數(shù)據(jù)早已足夠堅實。Antonio Ereditato博士說，為了檢驗μ中微子與τ中微子的轉(zhuǎn)換，他們在三年的時間中總共進行了一萬五千次中微子發(fā)射，而每一次的結(jié)果都指向同一事實：這些中微子，就是要比光速快。

愛因斯坦理論中最廣為人知的說法之一就是“光速無法超越”，這也確實是現(xiàn)代物理中最基本的基礎(chǔ)之一。2

再次論證據(jù)英國《每日郵報》網(wǎng)站2011年11月18日報道，歐洲核子研究中心的物理學(xué)家們?nèi)涨霸俣韧品肮馑僮羁臁钡恼f法，他們通過實驗反復(fù)證明中微子的飛行速度的確可以超過光速，這很有可能會顛覆支撐現(xiàn)代物理學(xué)的愛因斯坦相對論。

愛因斯坦的狹義相對論認為，光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質(zhì)可以超越光速。但歐洲核子研究中心的科學(xué)家們在2012年9月宣布，他們發(fā)現(xiàn)一些粒子，如中微子等可能以快于光速的速度飛行。當時，該中心發(fā)聲明稱，這個結(jié)果的潛在影響巨大，急需重復(fù)實驗及其他實驗室的獨立檢測。

在最近的實驗中，該中心與意大利格朗薩索國家地下實驗室進行了合作。研究人員們不但優(yōu)化了最先的實驗方案，而且還利用新方案進行了多達20次的重復(fù)實驗，所得結(jié)果與先前的發(fā)現(xiàn)完全一致。

一些物理學(xué)家指出，一旦有些粒子確實被證實跑過了光速，那將徹底改變?nèi)祟悓φ麄€宇宙存在的看法，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ?。其中一種觀點認為，宇宙中可能還存在其他未知維度，中微子正是抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。

旅美物理學(xué)家張操在1986年就在國際會議中預(yù)言了中微子可能是一種超光速粒子。他指出：狹義相對論在一定范圍內(nèi)是個正確的理論，可是不能把它的結(jié)論無限推廣。狹義相對論服從電磁相互作用的規(guī)律，沒有強有力的證據(jù)顯示狹義相對論也適用于其它二種基本相互作用（引力相互作用、弱相互作用）。沒有人測量過引力的速度；在弱相互作用中，中微子可能是一種超光速粒子。狹義相對論把光速規(guī)定為一切物質(zhì)運動速度的極限，這種“一刀切”是不妥當?shù)摹?

最終確認位于意大利的大薩索山的一個叫做“伊卡洛斯”（ICARUS）的項目在2011年10月和11月間探測到了來自歐洲核子研究中心的中微子，而且精度更高。

諾貝爾物理獎獲得者、“伊卡洛斯”項目發(fā)言人卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）說：“我們的結(jié)果與愛因斯坦如果活著會給出的結(jié)果是一致的?！痹谒麄兊膶嶒炛?，中微子的速度與光速接近，但并沒有超過光速。

英國《自然》雜志稱，“對于一些物理學(xué)家來說，新的測量對這件事起了一錘定音的作用?！钡敱葋喨匀坏却吹?012年春天包括“奧普拉”和“伊卡洛斯”在內(nèi)的幾個項目所做的新的結(jié)果。這些項目中也包括另一個叫做“大體積探測器”（LVD）的中微子觀測站對來自歐洲核子研究中心的中微子所做的測速。

此前，在2月份時，《科學(xué)》雜志曾爆料稱，來自歐洲核子研究中心的內(nèi)部人士透露，中微子速度的誤差可能是由于連接GPS接收器和電腦之間的光纜松了造成的。歐洲核子研究中心隨后證實了這一說法，但同時表示還有另外一個因素，即用于將“奧普拉”的探測器時間與GPS進行同步的一個振蕩器可能存在誤差。后者的誤差的效果是與前面那個因素恰恰相反的——它會造成中微子速度被低估。而科學(xué)家們暫時無法確定一個高估的因素和一個低估的因素究竟誰占了上風。定于2012年4月底進行的新的實驗將會以更高的精度來檢測這些因素所造成的效果。

2012年3月末物理學(xué)家們宣布，之前那項對愛因斯坦相對論的基礎(chǔ)——光速極限理論提出挑戰(zhàn)的實驗已經(jīng)被確認存在錯誤。后續(xù)的驗證實驗已經(jīng)證明，和所有其它事物一樣，中微子同樣遵循愛因斯坦指出的宇宙速度極限法則。

雖然這件事以愛因斯坦先生的定理獲勝告終，但這反應(yīng)了人們挑戰(zhàn)光速的愿望?？赡苓€是牛頓的那句話：“真理就像大海一樣，但在我自己看來，我不過就象是一個在海邊玩耍的小孩，不時發(fā)現(xiàn)比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼，而對于展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發(fā)現(xiàn)?！?

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)