稍微说两句超光速

冷原子

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。
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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。

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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7 e8 r& ?* F' w& N3 D9 q" [/ N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。
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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。

3 U4 _7 t$ S8 G  ^# z8 ^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。

; L' p1 F* \  V- e+ K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。

6 n/ c- G& |! z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。

! Q7 a5 |: F: w* [) m; ^" R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。

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。
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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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旅途愉快

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。

这个是不是爱因斯坦后来想搞的统一场论？

老芒

没见到楼主去新生报到版报到呀，赶紧去。

冷原子

旅途愉快 发表于 2011-9-25 00:01
这个是不是爱因斯坦后来想搞的统一场论？

这个好像不是。。。统一场论是以把四种相互作用（强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，万有引力）统一为目标的理论。

桃子甜

科普的好，还很及时，受教了。

人在江湖

学习了

猫元帅

原来是这么回事啊，我一直以为爱因斯坦是基于大量的实验才得出光速最快的结论呢。

爱思伯爵

学习了，谢谢！

光头佬

才学龄前儿童，学问就这么大啊，应该跳级才对！

领班军机

他们测到的中微子比光速快0.0025%，我觉得很有可能是实验误差。不过我看到有人用弦论来解释的，说中微子跳出了我们所在的膜空间(membrane universe) 然后又落回到这个膜空间，在膜空间内部依然是遵守光速极限，但是在bulk universe中就不是了

冷原子

领班军机 发表于 2011-9-26 07:19
- S) {& x) E* }1 g  \; M2 x3 \: l: E他们测到的中微子比光速快0.0025%，我觉得很有可能是实验误差。不过我看到有人用弦论来解释的，说中微子跳 ...

5 M3 @: G7 s) |# I8 I8 F; L3 d不太可能是实验误差，至少现在已知的误差来源都被小心的分析过了。
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物理学实验是个很神奇的东西。有的实验误差大的不可思议，而另外一些则小的不可思议。比如原子钟对时间的测量，可以准确到第15位有效数字。因此不能因为0.0025%这个数字看上去很小，就简单的归结为实验误差。

肥狐

我理解，相对论的意思是不能有“超距作用”，或者说“瞬时作用”。从A点到B点，一下子到了，不需要时间，这种情况是不允许的。如果实验证明了超距作用，可以认为推翻了相对论。而超过光速只是一个更快的速度，不是超距作用，所以相对论还是成立的，是不是这样？

( W: ^4 D0 L4 C) c/ G/ g; H; a但是很多以C作计算的实验结果是正确的，如果有超光速，怎么解释呢？

说到超距作用，EPR关联是超距作用，后来证明是存在的，所以相对论和量子论不协调。

cadgn

这位小同鞋，能不能抽空顺便科普一下超弦，高维，多宇宙理论？

( X8 B: [+ \& E0 ]- A( x" h9 y. P（俺的物理水平，大致靠《三体》，反正大刘说啥就是啥。哈哈）

领班军机

冷原子 发表于 2011-9-26 23:05
/ \+ {( O' U$ j- Y6 m! F4 _% r* F* y不太可能是实验误差，至少现在已知的误差来源都被小心的分析过了。

物理学实验是个很神奇的东西。有的实 ...

9 L! s8 O- `  e5 O$ A9 [极有可能是测量的系统误差，比如来源于GPS的误差
我引用西西河里PBS的回复
, _: n, Z+ G0 C4 X" Z

有中微子专家认为，實驗中的中微子，是利用瑞士CERN的粒子加速器，藉着中子撞擊而生成的，而整項實驗最困難之處，就是如何準確量度中微子生成的一刻，到抵達意大利偵察裝置的時間，具體計時必須借助GPS定位系統，而GPS的量度方法，理論上可能有數十納秒的不確定性，「我很好奇他們怎能得出『只有10納秒』的誤差」。

9 I, S' c) B0 s) `% E# v+ y  C这位中微子专家以自己的房产打赌认定这个结果是误差造成。
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' l0 U. y  H9 j7 [, E由于723公里的距离太短造成测量误差--从而导致结果不确定，所以测量距离最好是达到光年这样的数量级为好。
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一位天体物理学家明确说明OPERA的结果是错误的--因为他研究的一颗超新星在1984年爆发，按照OPERA的发现，那么这个超新星爆发产生的中微子将早于光子3年到达地球，而他从来没有观察到这个超新星的中微子被提前检测到--当然他承认在地球上的中微子探测器也许没检测到这次爆发产生的中微子--尽管这个可能性是很小的

。

绝处逢生

光速是通过麦克斯韦方程算出来的。如果真有超过光速的，怕是麦克斯韦方程也得重新写了。

shenjq

通俗易懂，受教了，改变了我的一些观点

冰蚁

领班军机 发表于 2011-9-26 20:21
! s( `! ?. s6 F8 \7 z极有可能是测量的系统误差，比如来源于GPS的误差
我引用西西河里PBS的回复
' d3 a$ t5 ^1 r9 c( ?5 D。 ...

0 }0 T- f- p( i这个按道理是一目了然的误差来源，应该不至于有这个问题。而且做了1万多次实验得到的结果。你如果是系统误差，应该有分布，结果不会象现在这么一致吧。现在就等重复实验吧。

冰蚁

绝处逢生 发表于 2011-9-27 00:29
9 n; N7 }: o5 p0 e( c光速是通过麦克斯韦方程算出来的。如果真有超过光速的，怕是麦克斯韦方程也得重新写了。 ...

不会。麦克斯韦方程就是算出真空中的无线电波传播速度，即光速，是个常量，和坐标系无关。即使有超光速的粒子存在，麦克斯韦方程对电磁波可以依旧成立。

冰蚁

猫元帅 发表于 2011-9-25 05:11
原来是这么回事啊，我一直以为爱因斯坦是基于大量的实验才得出光速最快的结论呢。 ...

实验也是一部分啊。

魔术师

如果超光速是真的，会在物理学引起怎样的革命呢？又会对科技产业带来怎样的变革呢？比如说会出现什么颠覆性的产品？