稍微说两句超光速

冷原子

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. K5 u% g% Q) M  S! u' \3 R大家好，我是西西河的冷原子。日前刚刚找到这里，很高兴看到很多老朋友。
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今天的新闻联播报道了一个消息：欧洲粒子物理实验室的科学家在实验中观测到了中微子的超光速运动。这件事情的相关论文应该在http://arxiv.org/abs/1109.4897。

物体能否做超光速运动是个重要的事情，如果确实在实验上观测到了无懈可击的超光速运动的话，那么近代物理学确实可能会发生很大的变化。我对高能物理不是很熟悉，仅就记忆说说我知道的一些相关的事儿。

如同大家所知道的，“物体运动不能超光速”这个结论，来自于爱因斯坦的狭义相对论。那么为什么狭义相对论会导出“运动不能超光速”这个结论呢？简单的说，狭义相对论认为时间和空间都是相对的，都和观测者的参照系有关。那么，对于不同的观测者而言，两件事情A和B，他们间隔的时间可能会不同。甚至于对不同的观测者而言，AB的先后顺序都可能不同。就是说，对于有的观测者而言，A先发生，B后发生，而对于另一些观测者而言，则正好相反，B先发生，A后发生。

+ }3 ]$ O( o" n+ _5 o; O7 A) ?7 R4 C然而，如果事件A和B是两个有因果联系的事情，比如，事件A是一个人开枪打鸭子，事件B是鸭子中枪死了，A和B之间间隔的时间就是子弹飞过去的时间。这时候，狭义相对论告诉你，如果子弹飞行的速度小于光速，那么在任何观测者看来，都是A先发生，B后发生，也就是先开枪，鸭子后死掉，这是合理的。然而，如果子弹飞行的速度大于光速的话，就可能有的观测者看到鸭子先死，枪后开，这是不合理的，违反了因果律。我们认为违反因果律的情况是不会出现的，因此子弹飞行的速度，一定是小于光速的。
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推而广之，狭义相对论认为，如果事件A和B之间存在由一个信号的传递而导致的因果联系，A是原因，B是结果，那么为了保证在任何参考系看来，都是A先发生，B后发生，这个信号的传递速度，就必须小于光速。而我们认为现实中的情况确实如此。这就是“狭义相对论禁止超光速”的来历。

由此可见，狭义相对论中对超光速的禁止，来源于因果律。而狭义相对论中所禁止超光速运动的东西，应该是一切可以建立因果联系的信号，比如一切实际物体的运动，已经携带信息的电磁脉冲等等。

这样一来，我们就知道了，如果按照狭义相对论推的话，如果这个世界上确实存在超光速运动的物体，那么第一个直接的结论将是，两个有因果联系的事情A和B，在不同的观测者看来，其发生的顺序可能不同，有的人看到先有原因后有结果，有的人看到先有结果后有原因。这显然是个可怕的结论。事实上，在实际中这种情况应该是不会出现的，所以我们可能需要修改狭义相对论，从而保证既允许信号的超光速运动，又能禁止这种违反因果律情况的出现。

3 }9 n, F* V, u. k+ M& B很多科幻作品中都有个观念，就是说超光速运动会导致时间隧道或者时光倒流。比如我小时候很流行的日本儿童片《恐龙特急克塞号》里面开篇就说，人们利用超光速粒子可以进行时光旅行。然而，据我所知，似乎相对论本身没有这样的直接结论。比如狭义相对论的时间变换公式，在速度大于光速的时候，是得不到“时光倒流”的解的，事实上由于狭义相对论本身禁止超光速，所以时间变换公式在速度大于光速的时候就根本得不到有意义的解。“超光速导致时光倒流”的结论，可能是物理圈子之外的公众根据狭义相对论中“速度趋近光速的时候，时间几乎停止流逝”的结论”而联想出来的。

7 g2 m  {, J+ |3 ]: G另外值得一提的是，如同我们刚才所说，狭义相对论禁止的，是“可以建立因果联系的信号”的超光速运动。事实上，如果一个东西，它不是“可以建立因果联系的信号”，那么它确实有可能有“超光速运动”。比如在冷原子等很多复杂的电磁介质中，会存在电磁波的“反常色散”现象。在这类现象中，电磁波的某一种速度可能大于光速，不过这并不违反因果律，因而也不违反狭义相对论。人们在实验上已经多次观测到这类现象。
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( i/ `" j/ ^  p2 r0 L0 I* p+ _& I这次欧洲科学家们看到，是中微子的超光速运动。中微子应该是“可以建立因果联系的信号”。因此这应该是货真价实的“超光速”。如果这个观测被确证的话，那确实可能给物理学带来很大的影响。这是因为，前面说过，如果自然界中真的存在超光速运动的物体，那么狭义相对论可能会被修改。而在近代物理学中，狭义相对论扮演了一个非常基础性的角色。我们的整个量子场论和粒子物理理论，应该都是建筑在狭义相对论基础上的。如果狭义相对论被修改，那这些理论可能都要被改动，也就是说我们对微观世界的认识可能会发生很大的变化。在低能的层面，量子力学中贝尔不等式的基础之一就是信号传播不能超光速。如果超光速被允许的话，那么我们的量子论，至少在逻辑上，将和经典理论不存在本质的矛盾。这些都是很重要的事情。

, T2 I/ \  G/ m/ X" |" R3 X/ P$ W科学发展的一个基本的逻辑是，越是惊人的结论，越要进行谨慎的检测。这次的观测，我个人认为，要想真的改写近代物理学，那么至少还要经受以下几个考验。首先，这个实验必须是可重复的。这一点欧洲这个组似乎做到了。其次，别的小组必须也能重复他们的实验，这个要拭目以待。可以肯定，这么重要的实验，一定会有很多小组去做。然后，如果这个实验确实能被不同的组重复的话，那么理论家们还会从各个角度去想，能否基于现有的理论解释他们观测到的现象？也就是说，他们的观测结果，是不是来源于这个实验装置中的某些特殊的设置？会不会是一种假象？事实上，历史上很多看似惊人的发现，都被挡在这一关。如果理论家们也确认，确实基于现有的理论，无论如何解释不了这个观测，甚至于，实验家们还能在其他条件下观测到很多类似的现象，就像十九世纪末期人们看到的一系列原子的分立光谱一样的话，那么，我们才能说，这个观测结果确实是要给物理学带来深远影响了。

1 {1 _1 o$ |! o: \2 J! t' G& I' e: p不管怎么说，这次欧洲科学家看到的，是个有趣而重要的现象。究竟有多重要，我们还要拭目以待。
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冷原子

龙血树 发表于 2015-2-22 05:52
已经过去几年了，有没有证实或证伪超光速实验呢？

已经搞清楚了，是他们的实验有问题。实际上没有超光速。

龙血树

已经过去几年了，有没有证实或证伪超光速实验呢？

starless

只要是速度，就肯定涉及4维时空的概念吧。

7 e; C4 W9 v" T8 u速度这个概念本身就是一个时间和空间的集合。

1 w; s( s! w0 X8 j4 m我不知道你如何在3维空间观测到速度这种现象。

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牛腰

dasa 发表于 2015-2-17 08:18
" I0 T" W( Q+ h8 o- Q3 H$ m不能。
再说逃逸速度和光纤没关系。
' u2 s4 u3 Y# }7 d: j二维空间的速度极限是逃逸速度。

) c3 b! L2 b( Q0 H, [6 u1 o为什么不能？一个二维生命站在光纤的边上为什么不能观察到信号的传播速度？
3 s1 F9 U  k# \+ _8 N
如果能够观察到，那么“二维空间的速度极限是逃逸速度”就不成立了。

dasa

牛腰 发表于 2015-2-17 06:38
没看明白，举个例子：如果你拿一根光导纤维绕地球一周，作为一个二维生命能够观察到远高于逃逸速度的信号 ...

不能。
再说逃逸速度和光纤没关系。
二维空间的速度极限是逃逸速度。
% w) x* z/ [) C! h; ^4 n) Z6 p) W三维空间的速度极限是光速

牛腰

dasa 发表于 2014-2-14 07:25
9 q& w6 R& P6 x( k) O你没明白我的意思。
地面是指二维的空间。在大地这个弯曲的二维空间，其极限速度就是逃逸速度。注意逻辑 ...

没看明白，举个例子：如果你拿一根光导纤维绕地球一周，作为一个二维生命能够观察到远高于逃逸速度的信号在光导纤维里传播吗？

大独草

由于人类不是二维生命，所以尽管生活在大地上，却可以观测到逃逸速度以上的速度的存在。宇宙可以理解为一个弯曲的三维空间，在这个三维空间速度极限即为光速。不是说一定没有超光速，即使有，也不属于我们这个空间。

0 S& S8 {( @  V( [$ z
这个视角确实新颖， 赞一个。

dasa

天马行空 发表于 2014-2-13 22:37
1 s1 f' E! L6 V5 s/ i9 T& R太扯了。逻辑上有问题啊。这儿的“宇宙”是什么意思?感觉像是一个划定的空间上的范围?而且这个类比不恰当 ...

0 l( S- q# G6 D9 N6 y; N3 y5 A你没明白我的意思。
7 N4 b  L! T/ j8 r# u! D9 j- @地面是指二维的空间。在大地这个弯曲的二维空间，其极限速度就是逃逸速度。注意逻辑前提，在这个二维空间内，没有超过逃逸速度的物体或者速度存在。因为一旦超过逃逸速度，就脱离了二维空间进入第三维。理论上，二维空间的生命是无法观测到第三维的运动的。

  C! }4 s& A" v8 i" G9 B5 H由于人类不是二维生命，所以尽管生活在大地上，却可以观测到逃逸速度以上的速度的存在。宇宙可以理解为一个弯曲的三维空间，在这个三维空间速度极限即为光速。不是说一定没有超光速，即使有，也不属于我们这个空间。

天马行空

dasa 发表于 2014-2-11 16:51
可能我是有点保守了。直觉上我感觉这个实验应该是有问题的。中微子的发生和检测有着太多的不确定因素。它没 ...

2 W' g! F; \% i1 U太扯了。逻辑上有问题啊。这儿的“宇宙”是什么意思?感觉像是一个划定的空间上的范围?而且这个类比不恰当,如您所说超过地球逃逸速度的物体飞行过去,我们有一瞬间观察到了,照您的意思它不属于地球,可它是属于我们的观测体系的呀。
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! y8 _7 Y* t9 T+ g

dasa

可能我是有点保守了。直觉上我感觉这个实验应该是有问题的。中微子的发生和检测有着太多的不确定因素。它没有质量，几乎不与任何实体粒子发生作用。用这么一个基本粒子说事，感觉不靠谱。
  w! J& V) Z# R5 d* x
% P6 g$ V  L1 r0 d其实我理解的光速不可超越是这样的。光速是我们这个宇宙的极限，但是不是说在我们这个宇宙就一定观察不到超光速。但是如果能够观察到超光速的粒子或波，也仅仅好似我们这个宇宙的过客，不属于这个宇宙。
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就像是在地面上，逃逸速度就是地面上的速度极限。超过这个速度的物体机会脱离地面飞出去。但是在合适的某一点，即该物体飞离地面的切点如果有人观测到（尽管非常困难，因为这意味着需要测量瞬时速度，而目前人类还没有办法直接测量瞬时速度），还是可以发现在地面这个弯曲的二维平面上也有超过逃逸速度的物体。

逍遥探花

学习了！

punishment

晨池 发表于 2012-2-4 12:35
“无数实验结果，都和狭义相对论吻合，于是人们就普遍接受狭义相对论了。”
那也就是说，狭义相对论也不 ...

我下面这个认识，曾经在别处被人评价为“根本不懂波普”，但是又没得到更正确的说明“波普到底是什么”，所以目前先将就用。如果有熟悉近代哲学的网友，还望不吝指正。
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; D& z) c" Y  L# I3 M) o& H--
3 q, K) r. e3 U. x; r6 C& H- N7 \您这个想法属于科学哲学的范畴。科学哲学是研究科学是什么/什么是科学的哲学。具体的说，您这个观点近似于卡尔·波普。卡尔·波普把科学研究过程归纳为这一活动：观察->归纳理论1->证伪->再观察->归纳理论2。这里面存在一个天然的逻辑问题，因为观察只能是有限样本，而科学理论是普适的，所以永远无法证明哪个理论是“真理”，只有“尚未被证伪的理论”。

profer

即使发生了, 可以重新解释什么叫运动, 什么叫速度, 什么叫时间, 使其适合人类情感.
坚定的唯心主义者路过

天马行空

这篇写得非常好。只得这么点花可惜了。
6 _5 i) ~8 b; m* C
9 t* f5 |1 |9 X0 U尤其是在我学过电动力学之后再回来看原子老师的文章，不想第一遍看得那么水过地皮湿不透。原子老师的文章逻辑非常清晰、连贯、自然，基本概念精准到位，不说过分的话。虽然没有加入过多数学语言，但是物理上的逻辑关系都讲得非常明白严谨了。而且虽然看起来句句通俗易懂，但学过之后在再读体会是不一样的。要我叙述这件事儿可能就叙述不到调理这么清楚。佩服啊！
, v( S* a) S* _. T5 }/ a; D& H
2 @" L9 V* G. I9 l+ n看过原子老师在河里的其他诸多物理方面的帖子，已是非常详尽。提问者如果能仔仔细细看看老师的帖子，恐怕许多疑惑就不问自明了。

6 O0 g! V; U2 ?: W4 @$ A+ |5 C可惜我没有评分的权限
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包包

已经证实是实验装置有问题

机器猫

不是已经说是仪器出错了么？

西楼客

最近的消息说，实验的数据有误，大家白激动一场

晨池

冷原子 发表于 2012-1-21 00:56
爱因斯坦的狭义相对论基于两个东西。首先是一系列说明光速不变的实验。尽管这些实验虽然不是爱因斯坦本人 ...

“无数实验结果，都和狭义相对论吻合，于是人们就普遍接受狭义相对论了。”
3 ?2 g7 `/ @! K, W/ p那也就是说，狭义相对论也不见得就一定是绝对的真理，很可能它也会和经典力学一样，出现新的情况它出发适用，如果有了新的实验结果，表明狭义相对论无法使用的话。而这次超光速，也许就是新的实验？

简单飞翔

学习了。以后不妨多写点，期待。