法国天文学家弗拉马利翁曾写过一本科学幻想小说,书中描述了一位以大于光速运动的主人翁在宇宙空间旅行,碰到了一系列不可思议的奇迹:如发射的炮弹倒飞回炮口里,死去的人又复活了等等。当时爱因斯坦对这本书极为不满意,爱因斯坦认为超光速的情况是不可能的。如果一个人以超光速运动,他将会返老还童,甚至返回到母腹子宫内,超光速完全是无稽之谈。
爱因斯坦在相对论中提出,光速是宇宙中最高的速度,现代物理学里很多内容都是建立在这个理论上。科学家在精确测量光速方面做了无数次的实验,但还从未发现过任何微粒运动速度可以超过光速。
二十世纪七十年代前后,射电天文学家发现,宇宙中有4个致密的河外类星体射电源。河外射电星体有时会抛出一、两对射电星云——射电子源,这似乎是一次猛烈爆炸引起的,它们彼此高速分离,其中大约有半数出现超光速运动,甚至达到光速的5倍至10倍。
这些难以解释的现象有些使科学家们胆怯,生怕被不精确的测量所愚弄。可美国和西德的一些科学家经过十多年的认真观测,积累了足够多的数据,令人信服地证实他们的观测是真实的。这就是说,超光速粒子在茫茫宇宙中是客观存在的。面对这种出乎意料的结果,众说纷纭,各种猜测,假说应运而生。
近代超光速粒子理论首先由Bilaniuk等三位美国科学家在1962年提出。[3]他们在《美国物理杂志》上发表论文建议:在狭义相对论的框架内可以允许超光速粒子,可是需要增加了一条新假设。后来有人把超光速粒子称为快子(Tachyon)。由于他们的新假设带来了无限负能量的问题,所以这些研究没有得到重视。
狭义相对论中的空间和时间坐标是洛伦兹变换。按照这个变换,一旦有超光速粒子,那么在另一个运动参考系上观察这个超光速粒子时,它的时间可能倒演。这是狭义相对论不允许超光速粒子的主要理由。
张操研究了另外一种空间和时间坐标变换“推广的伽利略变换”,简称(GGT)。按照GGT,在不同的运动参考系,同时性是绝对的。也就是说,在不同的运动参考系,超光速粒子运动时间都是正向的。[3]
推广伽利略变换的时间相当于物理学中的格林威治时间。当采用这种时间定义时,具有二个明显优点:其一,不会产生"时钟佯谬"的逻辑矛盾;其二,当采用推广的伽利略变换中的时间定义时,任何惯性参考系观测到快子的运动,其时间箭头都是正向的。这样,就克服了超光速理论中时间倒演的困难。
2011年9月,欧洲科学家科学家宣布发现一种运动速度比光速还快的亚原子微粒。如果这个结果得到证实,现代物理学的基石将被撼动。
2011年9月23日,在欧洲核子研究中心(CERN),科学家们发现了意料之外的现象:被送往732公里之外GranSasso实验室的中微子们比光速快了60纳秒到达。用更大的数字来表示,就是光速299,792,458m/s,而他们在实验中检测到中微子速度是299,799,953m/s。
这一数值的实验误差是10纳秒,换言之,基本上比光速快是没错的!虽然只是0.0025%的区别,但这一挑战狭义相对论光速不变原理基石的发现一旦得到证实,将会给物理学界带来巨大的变化。
突破光速不是儿戏,科学家们慎之又慎的反复测验。研究发言人AntonioEreditato博士表示他们已经反复检验过数据和设备,但就是无法发现有什么错误,只好选择将这一结果公开,期待得到更多研究机构的重复实验和验证,以其最终得知这究竟是不是一个事实。
尽管以一般的实验准则来说,他们的数据早已足够坚实。AntonioEreditato博士说,为了检验μ中微子与τ中微子的转换,他们在三年的时间中总共进行了一万五千次中微子发射,而每一次的结果都指向同一事实:这些中微子,就是要比光速快。
爱因斯坦理论中最广为人知的说法之一就是“光速无法超越”,这也确实是现代物理中最基本的基础之一。然而,这次不知道爱氏理论是否仍然能够坚而不破。
欧洲粒子物理研究所研究人员为了检验μ中微子与τ中微子的转换,他们在三年的时间中总共进行了一万五千次中微子发射,而每一次的结果都指向同一事实:这些中微子就是要比光速快。
日本的T2K研究组和美国芝加哥的MINOS研究室都已经受邀验证这一实验。其中MINOS实验室曾在2007年宣布发现了超光速中微子,但直至现在仍未公布验证结果。
位于意大利的大萨索山的一个叫做“伊卡洛斯”(ICARUS)的项目在2011年10月和11月间探测到了来自欧洲核子研究中心的中微子,而且精度更高。
诺贝尔物理奖获得者、“伊卡洛斯”项目发言人卡罗·鲁比亚(Carlo Rubbia)说:“我们的结果与爱因斯坦如果活着会给出的结果是一致的。”在他们的实验中,中微子的速度与光速接近,但并没有超过光速。
英国《自然》杂志称,“对于一些物理学家来说,新的测量对这件事起了一锤定音的作用。”但鲁比亚仍然等待看到2012年春天包括“奥普拉”和“伊卡洛斯”在内的几个项目所做的新的结果。这些项目中也包括另一个叫做“大体积探测器”(LVD)的中微子观测站对来自欧洲核子研究中心的中微子所做的测速。
此前,在2月份时,《科学》杂志曾爆料称,来自欧洲核子研究中心的内部人士透露,中微子速度的误差可能是由于连接GPS接收器和电脑之间的光缆松了造成的。欧洲核子研究中心随后证实了这一说法,但同时表示还有另外一个因素,即用于将“奥普拉”的探测器时间与GPS进行同步的一个振荡器可能存在误差。后者的误差的效果是与前面那个因素恰恰相反的——它会造成中微子速度被低估。而科学家们暂时无法确定一个高估的因素和一个低估的因素究竟谁占了上风。定于2012年4月底进行的新的实验将会以更高的精度来检测这些因素所造成的效果。
2012年3月末物理学家们宣布,之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误。后续的验证实验已经证明,和所有其它事物一样,中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则。
虽然这件事已爱因斯坦先生的定理获胜告终,但这反应了人们挑战光速的愿望。可能还是牛顿的那句话:“真理就像大海一样,但在我自己看来,我不过就象是一个在海边玩耍的小孩,不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳,而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。”
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