超光速震撼
http://whb.news365.com.cn/kjwz/201111/t20111102_3170554.htm根据1905年发表的爱因斯坦狭义相对论，没有物体的运动速度能够超过光速。然而，意大利科学家今年9月在实验中观测到，中微子比光子速度快十亿分之一秒，在物理学界引起了—— 超光速震撼
日期：2011-11-02 作者：张操 来源：文汇报
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欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）
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□张操
新闻背景
今年9月22日，著名的英国《自然》杂志网站报道了意大利格兰萨索国家实验室的OPERA研究团队探测到μ中微子超光速现象。报道说，一个重达1800吨的探测器安放在1400米的地下深处，探测来自欧洲核子研究中心的μ中微子。在这段长达730千米的粒子通道上，利用全球定位系统（GPS）对两地时间进行校准，研究人员发现中微子“跑”过这段距离的速度比光速快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。
宇宙中的小精灵
在基本粒子家族中，中微子的行为最难以捉摸，是宇宙中的小精灵。顾名思义，中微子不带电，是个中性粒子。与它的“大哥”——中子相比较，它们的“性格”差异很大。中子表面上是个中性粒子，可是内部有复杂的电磁结构，而中微子内部完全不带电。中微子有3种类型，即电子中微子、μ中微子（缪中微子）和τ中微子（陶中微子）。从质量上讲，中微子的固有质量至少要比中子小一亿倍，微小到几乎为零，所以非常难以被测量到。物理学家通常认为中微子以光速运动。
当物理学家刚开始认识小精灵中微子时，它就引起了第一次震撼。大约在100年以前，物理学家就发现了放射性元素β衰变现象。他们进一步发现β衰变过程中发射出的电子的能量是不固定的，这就违反了物理学中的能量守恒定律。为了“挽救”物理学的这个基本定律，奥地利物理学家泡利在1930年提出了中微子假设。他假定在放射性元素β衰变中，产物粒子不仅仅是电子，还有一个中性的微小粒子，即中微子。1933年，费米利用中微子假设完善了β衰变理论。他指出，中微子与物质发生弱相互作用。于是小精灵中微子成为了捍卫能量守恒定律的勇士，虽然人们在实验上测量到它是20年后的事情。
第二次震撼发生在1956年，李政道和杨振宁在研究某种基本粒子的特性时发现：在中微子参与的弱相互作用的所有实验中，宇称不守恒。他们指出，中微子都是左旋的，而反中微子都是右旋的。这些创新理论很快得到实验证明，于是李政道和杨振宁在1957年获得诺贝尔物理奖。小精灵中微子大显威风。
最近一次震撼发生在今年9月22日，欧洲研究人员发现了中微子的运动速度竟然超光速，小精灵中微子的神速震惊了全世界。
超光速实验震惊同行
英国《自然》杂志网站9月22日报道，欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象，这一现象违背了爱因斯坦相对论。据报道，意大利格兰萨索国家实验室的一个名为OPERA的实验项目接收了来自欧洲核子研究中心的中微子，两地相距730公里，中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。研究人员对此持谨慎态度，欧洲核子研究中心OPERA实验发言人埃雷迪塔托说:“我们对我们的结果很有信心。我们已经反复核查过所有可能造成测量结果的误差,但没有发现差错。”他说:“我们现在希望同行们独立检查这些结果。”
上面那张超光速中微子实验装置的示意图，取自OPERA实验团队发表的论文。论文上署名人数多达180人。图中白色半圆代表位于日内瓦的欧洲大型强子对撞机（LHC）的质子跑道。图上方的深色圆柱体代表质子撞击的靶子。撞击后产生的介子进入图中黑色的管道，介子在撞击靶子后，同时产生了μ介子和μ中微子。图下方的小白点即代表μ中微子；深色小圆柱体代表μ介子探测器，它记录μ中微子的起步时间。中微子可以轻易地穿过地球，所以射向意大利格兰萨索国家实验室的中微子大部分穿了过去，仅仅一小部分被测量到。
欧洲OPERA实验项目的原本目的是为了检验μ中微子与τ中微子的转换，即中微子振荡。他们在三年的时间中总共进行了一万六千次中微子发射，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,这是一个石破天惊的意外发现。参与实验的瑞士伯尔尼大学的伊拉蒂塔托说，他和同事被这一结果震惊了，他们随后仔细考虑了实验中其他各种因素的影响，认为这个观测结果站得住脚，于是决定将其公开。
由于超光速中微子触犯了物理学的圣经——狭义相对论，物理学界一片哗然。有位著名的物理学家几乎不加思考地对记者说：“我打赌他们是错的”。他还对记者表示：最新证明光速被打破的实验结果不太可能是真的。可是著名的实验物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中表示，他信得过OPERA实验团队。他在现场夸赞这个实验：“我祝贺你们做出了一个极其美妙的实验”。
如果中微子超光速实验得到进一步的证实，科学家一致认为,人们将被迫从根本上重新思考现代物理学定律。
时间倒流了吗
有位著名科学家说：如果超光速中微子实验是正确的，爱因斯坦理论中广为人知的“光速无法超越”定论将被打破，若证明超光速存在，则将现代物理学彻底颠覆，人类的物理知识将上升到另一个高度。穿越、平行空间、多维度、星球大战……这些只有电影中才存在的东西或许将离我们越来越近。
另一位著名科学家说：如果超光速粒子真的存在，那么科学家就不能排除穿越时空的可能性，模糊过去与现在的界限，严重扰乱因果的基本规律。
笔者认为，上述提法是一种误解。在应用物理学以及日常生活中，人们对于相对时间早就采取了多种定义，例如当地太阳时、格林尼治时、天文时，以及现代全球卫星定位系统（GPS）中使用的全球同步时间等。所有这些实际应用的时间定义都是相对时间。狭义相对论为相对时间添加了一种新定义：时钟的速率与相对速度有关。这是爱因斯坦为物理学作出的贡献。可是，如果把狭义相对论的相对时间作为物理学的唯一的时间定义，那是一种偏见。
每一种时间的定义都有它的适用范围。一旦超出了适用范围，就需要采用其他的时间定义。例如，一位居家的农民，日出而作，日落而息，他只需要当地太阳时就足够了。可是，某一天他出国去欧洲旅行，一到欧洲，他发现他的手表上的时间与欧洲时间相差几个小时。这时，他需要知道格林尼治时间。类似于上述情况，狭义相对论中的时间定义也有它的适用范围。
宇宙万物都在运动之中。作为与运动相关量的时间也在不停地流逝着，测量时间的方法可以是多种的。物理学时间的定义以及同步异地的计时方法也可以是多种的。时间（和空间）是比光速更为基本的物理量。世界上即使没有光线，也照样有时间的定义。时间的定义不应该局限于一种特定的物质运动，例如光的运动。
由于受到相对论的影响，人们过分地批评牛顿的绝对时间的观点，从而忽视了其中正确的精华。其实，绝对时间是各种物质运动的相对时间的科学的抽象和提升。在牛顿的绝对时间的表述中，正确的内容是：1.绝对时间具有客观性，与个人的感觉无关；2.绝对时间具有单向性，历史不可能倒演；3.绝对时间均匀地流逝着，与个别物体的运动状态无关。例如，相对论的先驱者洛仑兹认为，除了相对论时间外，还应该存在一种“真实”的时间。作为洛仑兹时间观的表述，文献中介绍的一种推广伽利略变换的时间，它对应于宇宙的格林尼治时间。当采用这种时间定义时，同时性是绝对的，其时间箭头都是正向的，超光速运动也不会引起时间的倒演。
所以，出现超光速时，仅仅说明狭义相对论定义的相对时间不再有效，可是并不会破坏因果律。有些科学家宣传“时间机器”：人们可以旅行到未来世界。可以在时空隧道中来回穿梭，一回儿跳到过去世界，一回儿飞到未来世界。这种构想可以拍成有趣的科幻电影，有利于商业操作。可是，这不是科学。不能把科学与“科幻”混为一谈。
相对论错了吗
英国《每日电讯报》网站9月22日报道说:科学家“打破”光速。爱因斯坦的狭义相对论是最著名的科学公式,但是昨夜看来它或许错了……世界最大的物理实验室的工作人员宣布,他们发现中微子超过光速——爱因斯坦曾说，这是不可能的……如果他们的研究成果得以证实，那么，物理学中解释宇宙以及宇宙中一切事物运动方式的支柱就将被推翻。
笔者认为，上述提法也是一种误解。爱因斯坦是位伟大的科学家，狭义相对论对于高能物理学和原子能的应用作出了重要的贡献。与此同时，正如牛顿力学有其局限性，相对论的有些基本观点及其推论也是值得思考和质疑的。
狭义相对论在一定范围内是个正确的理论，可是不能把它的结论无限推广。如果物理学中准许有其它的时间定义，光速将不再是一切物质运动速度的极限。狭义相对论服从电磁相互作用的规律，事实上，没有强有力的证据显示狭义相对论也适用于其它三种基本相互作用。在弱相互作用中，中微子可能是一种超光速粒子。总之，大自然是一个复杂体。狭义相对论有一定的适用范围。狭义相对论把光速规定为一切物质运动速度的极限，这种“一刀切”是不妥当的。
值得注意的是：超光速中微子并不是孤立的超光速现象。
在2008年8月出版的一期《自然》杂志上，瑞士的塞拉特等5位科学家公布了他们的一项最新研究成果：量子信息传输速度远超光速。瑞士科学家对相互纠缠的光子进行了实验研究。首先，他们将光子对拆散；然后，通过由瑞士电信公司提供的光纤向两个接收站进行传送，接收站之间相距大约18公里。沿途光子会经过特殊设计的探测器，接收站证实每对相互纠缠的光子被分开传送到接收站后，两者之间仍然存在纠缠关系。通过对其中一个光子的分析，科学家可以预测另一光子的特征。在实验中，任何隐藏信号从此接收站传送到彼接收站，仅仅需要一百万兆分之一秒。由此可以推测任何未知信号的传输速率至少是光速的一万倍。
笔者在已发表的论文中多次指出：超光速的难题其实已经有了答案。既不需要否定狭义相对论，也不需要对狭义相对论作出很大的修正，代价仅仅是：不要把狭义相对论定义的时间作为唯一定义的物理学时间，并且承认有个优越惯性系。
在上世纪70年代，物理学家已经观察到的微波背景辐射是各向异性的。宇宙微波背景辐射是一个优越参考系，地球相对它的速度约为390公里/秒。
所以在描述亚光速运动时，狭义相对论是一种很好的物理理论，而我们遇到的绝大多数物理学问题都是亚光速运动。仅仅当遇到超光速运动时，狭义相对论定义的时间失效，这时，我们需要推广伽利略变换的时间。
总之，物理学家不需要人为地禁止超光速运动，恰恰相反，如果我们同意狭义相对论有一定的适用范围，这将帮助我们深入地研究量子现象以及物理学的新领域。
物理学在不断发展
值得关注的是，中国科学家多年以前已经做了很多超光速研究。例如中国科学院上海应用物理所研究员艾小白在2002年的中国《自然》上有一篇文章：“超光速运动的过去、现在和未来”。其中提到：爱因斯坦在他的“论动体的电动力学”一文中否认超光速运动存在的观点，的确是一个历史性的大误会。“我们再次见到:一位大人物的小错误就可以阻碍人类历史几十年的进程呀!”他还把超光速研究称为“物理学中尚未完全开垦的处女地。”
北京师范大学教授曹盛林较早研究了射电天文学界发现的许多类星体超光速飞离现象。黄志洵教授于1991年指出，在截止波导内的消失态情况下可能出现负波速——负群速和负相速；他的几本超光速研究的专著都已经由科学出版社等出版。另外，西安的杨新铁教授在2004年提出，应当借鉴人类突破声障的经验来突破光障，他期望发现以超光速运行的奇异电子。笔者与复旦大学教授倪光炯在2000年一起提出了超光速中微子的Dirac型量子方程。我们在多篇论文中强调指出，中微子的超光速可能是弱相互作用中宇称不守恒的深一层次的原因。
总之，超光速中微子为物理学提出了新的课题。物理学在本质上是实验科学，实验上的进展和突破，不断地推动科学理论的积累和跨越发展。相对论和一切科学理论一样，会随着人类实践的发展和认识的提高而不断发展。
左图是著名的雕塑《时间的贵族气息》。它是超现实主义艺术大师达利的名作，几年前落户于上海南京西路、常德路口的越洋广场。该作品高近5米，青铜铸造，是达利“时间”系列作品之一，于1977-1984年间在瑞士铸造而成。作品形似融化的时钟，钟顶冠以皇冠，时钟挂在枝芽萌发的树干上，树干根部牢牢抓住地下的岩石。达利用“软钟”的作品，表达时间的流动性。
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对超光速不太了解，不过那副雕塑真心不错 不要让过去的大人物小事情而封闭科学的发展~~~一切皆有可能 理论总是在被不断推翻中发展的:lol 理论决定我们能在实验中看到什么，那么请问现在又有什么超光速的理论？ 十亿分之一秒太短了，可能是测量的误差造成的！另外，如果是碰撞的话也有可能得到比光速快，比如物质比光粒子还小就有可能得到 我怎么觉得此文有民科的气息呢。
不过嘛，我也不准备对此文大肆鞑伐，毕竟作者搬了好几个名头出来，我还籍籍无名呢。 不知道为什么，总觉得这宇宙咖啡屋没有咖啡的味道。大科学家主持本版块，一本正经，似乎是为了避免误导他旗下的一批批高才生，正统生。而凡是与他一再强调的主流观点相左的看法，统统应该进入水版。不应该在这儿惹是生非。时不时的给鉴定：这个，民科；那个，水货。俺悄声的，怯怯的问一句：何苦！宇宙咖啡屋不就是让对天文有那么一点点爱好的人，在品尝美味咖啡的同时，聊聊他的高论，晒晒他的智商。管他是天才还是傻瓜？管他是正统还是偏房？只要大家都怀一颗平常心，就算有人说明天太阳要熄火，宇宙要塌缩又何妨？ polrbear 发表于 2011-11-2 22:28 static/image/common/back.gif
把文章中“笔者认为”那段话删掉，就是一篇相当好的科普文章。
至于名头多大那些，搞理论的人都很有民科气 ...
看起来你是实验派，，，，，，，，，，，，，，，
cchhnnt 发表于 2011-11-2 23:20 static/image/common/back.gif
不知道为什么，总觉得这宇宙咖啡屋没有咖啡的味道。大科学家主持本版块，一本正经，似乎是为了避免误导他旗 ...
我就讨厌这种给人贴标签的做法，，，，，，，，，，，，，，
10楼的应该不算贴标签，，，，，，，，，，，，，，，， 这个宇宙实在是太大了以至于什么事情都可能发生！~anything is possible~! 黑痴 发表于 2011-11-4 12:25 static/image/common/back.gif
这个宇宙实在是太大了以至于什么事情都可能发生！~anything is possible~!
同意，人类世界才多大点，和宇宙比起来简直勿略不计，你所知道的又能有多少，好比说你是一条出生就在鱼缸中的金鱼，你可能怎么知道北冰洋底有什么或者正在发生什么？？
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