[科普中國(guó)]-超光速粒子

人們對(duì)于速度低于光速的物質(zhì)粒子了解甚多，而對(duì)速度高于光速的物質(zhì)粒子—-快子卻知之甚少。人們通過對(duì)狹義相對(duì)論的進(jìn)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(duì)論，但到目前人們對(duì)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(guó)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(yùn)動(dòng)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(dāng)時(shí)愛因斯坦對(duì)這本書極為不滿意，愛因斯坦認(rèn)為超光速的情況是不可能的。1

論述歷程最初認(rèn)識(shí)應(yīng)該說在上世紀(jì)五、六十年代之前，就人們所認(rèn)識(shí)的限度而言，愛因斯坦的觀點(diǎn)應(yīng)該是正確的：超光速是不可能的?？稍谄呤甏昂螅潆娞煳膶W(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，宇宙中有4個(gè)致密的河外類星體射電源。河外射電星體有時(shí)會(huì)拋出一、兩對(duì)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(yùn)動(dòng)，甚至達(dá)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(yùn)動(dòng)現(xiàn)象只是“視超光速”想象，起因于類星體發(fā)出的與觀測(cè)者視線方向夾角很小的亞光速噴流，實(shí)際上并沒有超過光速。不過類星體的運(yùn)動(dòng)（紅移）確實(shí)存在超光速的可能，但類星體存在于遙遠(yuǎn)的過去，它的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)要考慮空間結(jié)構(gòu)的補(bǔ)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(duì)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(cè)量所愚弄?？擅绹?guó)和西德的一些科學(xué)家經(jīng)過十多年的認(rèn)真觀測(cè)，積累了足夠多的數(shù)據(jù)，令人信服地證實(shí)他們的觀測(cè)是真實(shí)的。這就是說，超光速粒子在茫茫宇宙中是客觀存在的。面對(duì)這種出乎意料的結(jié)果，眾說紛紜，各種猜測(cè)，假說應(yīng)運(yùn)而生。1967年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)范伯格提出一種假設(shè)，即認(rèn)為，在宇宙空間中存在另一個(gè)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(gè)能量為零的粒子是以無窮大速度運(yùn)動(dòng)的，而且若它們獲得的能量越多，反而運(yùn)動(dòng)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(gè)宇宙中的情況相反：在我們這個(gè)宇宙中，一個(gè)靜止物質(zhì)能量最小，當(dāng)它獲得能量后，就開始運(yùn)動(dòng)，而且獲得能量越多，運(yùn)動(dòng)速度就越快，直到獲得無窮大的能量后，物體速度也達(dá)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(gè)超光速粒子不可能比光速運(yùn)動(dòng)得慢，而在我們的慢宇宙中，任何情況下，一個(gè)物體不可能比光速運(yùn)動(dòng)得快，由此可見，光速正是兩個(gè)宇宙的分水嶺。如果一個(gè)“快子”在真空中運(yùn)行，則它經(jīng)過時(shí)必須要留下一道可以探測(cè)的光跡，雖然實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)室的中微子們比光速快了60納秒到達(dá)。用更大的數(shù)字來表示，就是光速299,792,458m/s，而他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中檢測(cè)到中微子速度是299,799,953m/s。

這一數(shù)值的實(shí)驗(yàn)誤差是10納秒，換言之，基本上比光速快是沒錯(cuò)的！雖然只是0.0025%的區(qū)別，但這一挑戰(zhàn)狹義相對(duì)論光速不變?cè)砘陌l(fā)現(xiàn)一旦得到證實(shí)，將會(huì)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(cè)驗(yàn)。研究發(fā)言人Antonio Ereditato博士表示他們已經(jīng)反復(fù)檢驗(yàn)過數(shù)據(jù)和設(shè)備，但就是無法發(fā)現(xiàn)有什么錯(cuò)誤，只好選擇將這一結(jié)果公開，期待得到更多研究機(jī)構(gòu)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，以其最終得知這究竟是不是一個(gè)事實(shí)。

盡管以一般的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則來說，他們的數(shù)據(jù)早已足夠堅(jiān)實(shí)。Antonio Ereditato博士說，為了檢驗(yàn)μ中微子與τ中微子的轉(zhuǎn)換，他們?cè)谌甑臅r(shí)間中總共進(jìn)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(shí)：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(shí)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(guó)《每日郵報(bào)》網(wǎng)站2011年11月18日?qǐng)?bào)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(shí)驗(yàn)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(huì)顛覆支撐現(xiàn)代物理學(xué)的愛因斯坦相對(duì)論。

愛因斯坦的狹義相對(duì)論認(rèn)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?cè)?012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(dāng)時(shí)，該中心發(fā)聲明稱，這個(gè)結(jié)果的潛在影響巨大，急需重復(fù)實(shí)驗(yàn)及其他實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立檢測(cè)。

在最近的實(shí)驗(yàn)中，該中心與意大利格朗薩索國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了合作。研究人員們不但優(yōu)化了最先的實(shí)驗(yàn)方案，而且還利用新方案進(jìn)行了多達(dá)20次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(shí)被證實(shí)跑過了光速，那將徹底改變?nèi)祟悓?duì)整個(gè)宇宙存在的看法，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ?。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)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(guó)際會(huì)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(duì)論在一定范圍內(nèi)是個(gè)正確的理論，可是不能把它的結(jié)論無限推廣。狹義相對(duì)論服從電磁相互作用的規(guī)律，沒有強(qiáng)有力的證據(jù)顯示狹義相對(duì)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(cè)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(duì)論把光速規(guī)定為一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的極限，這種“一刀切”是不妥當(dāng)?shù)摹?

最終確認(rèn)位于意大利的大薩索山的一個(gè)叫做“伊卡洛斯”（ICARUS）的項(xiàng)目在2011年10月和11月間探測(cè)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(jiǎng)獲得者、“伊卡洛斯”項(xiàng)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(huì)給出的結(jié)果是一致的?！痹谒麄兊膶?shí)驗(yàn)中，中微子的速度與光速接近，但并沒有超過光速。

英國(guó)《自然》雜志稱，“對(duì)于一些物理學(xué)家來說，新的測(cè)量對(duì)這件事起了一錘定音的作用。”但魯比亞仍然等待看到2012年春天包括“奧普拉”和“伊卡洛斯”在內(nèi)的幾個(gè)項(xiàng)目所做的新的結(jié)果。這些項(xiàng)目中也包括另一個(gè)叫做“大體積探測(cè)器”（LVD）的中微子觀測(cè)站對(duì)來自歐洲核子研究中心的中微子所做的測(cè)速。

此前，在2月份時(shí)，《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(shí)了這一說法，但同時(shí)表示還有另外一個(gè)因素，即用于將“奧普拉”的探測(cè)器時(shí)間與GPS進(jìn)行同步的一個(gè)振蕩器可能存在誤差。后者的誤差的效果是與前面那個(gè)因素恰恰相反的——它會(huì)造成中微子速度被低估。而科學(xué)家們暫時(shí)無法確定一個(gè)高估的因素和一個(gè)低估的因素究竟誰占了上風(fēng)。定于2012年4月底進(jìn)行的新的實(shí)驗(yàn)將會(huì)以更高的精度來檢測(cè)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(xiàng)對(duì)愛因斯坦相對(duì)論的基礎(chǔ)——光速極限理論提出挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被確認(rèn)存在錯(cuò)誤。后續(xù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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。可能還是牛頓的那句話：“真理就像大海一樣，但在我自己看來，我不過就象是一個(gè)在海邊玩耍的小孩，不時(shí)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(duì)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(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)