徐永煊

據(jù)媒體2011年9月和11月報(bào)道，意大利科學(xué)家在兩次實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)中微子束的速度比光速快。這個(gè)令人驚詫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如果得到驗(yàn)證，那么奠定愛因斯坦狹義相對論的基石——光速不變原理就垮塌了，現(xiàn)代物理學(xué)的根基也就沒有了!那么，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信嗎?超越光速意味著什么?光是什么?它有哪些奇妙之處?令人不可思議的極限速度——光速是如何測定的?本刊特別約請有關(guān)專家為讀者釋疑解惑。

1.驚世的實(shí)驗(yàn)

兩次發(fā)現(xiàn)中微子束超光速，但這一結(jié)果尚待驗(yàn)證。

2011年9月，意大利格蘭·薩索國家實(shí)驗(yàn)室“奧佩拉”項(xiàng)目組宣布，研究人員在接收730千米外的歐洲核子研究中心發(fā)射的中微子束時(shí)，發(fā)現(xiàn)中微子到達(dá)的時(shí)間比光子提前了60納秒；2011年11月，“奧佩拉”項(xiàng)目組又宣布，在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中再次獲得同樣的結(jié)果。這是一個(gè)令人驚詫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果它最終得到驗(yàn)證，將表明中微子束的速度比光速還快，那么奠定勞倫茲變換公式和愛因斯坦狹義相對論的基石——光速不變原理就垮塌了，現(xiàn)代物理學(xué)的根基也就沒有了——這是多么可怕的事!

當(dāng)代公認(rèn)最偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1905年發(fā)表了狹義相對論，10年后他又將廣義相對論奉獻(xiàn)給世人。這兩篇具有劃時(shí)代意義的著作，是現(xiàn)代物理學(xué)的理論根基，是人們理解空間與時(shí)間的理論依據(jù)。相對論對速度做出了最嚴(yán)格的限制，認(rèn)為最快的速度是真空中的光速，沒有任何速度能超越它，超越真空中光速的物質(zhì)是不存在的。

如果真的有超光速物質(zhì)存在，那就是對相對論的徹底顛覆，我們就可以在時(shí)空中任意穿越，“倒行逆施”，從今天走回過去，從未來走向今天，我們就可以“與500年后的人對話”。而人類的物理知識、認(rèn)識標(biāo)準(zhǔn)將“升華”到—種全新的狀態(tài)，穿越、平行空間、多維度、星球大戰(zhàn)……這些科幻作品中的虛幻狂想，或許都將一一成為現(xiàn)實(shí)，而現(xiàn)在被實(shí)驗(yàn)證明正確的許多理論都將站不住腳，成為歷史陳跡。

目前，科學(xué)家對“奧佩拉”實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取審慎態(tài)度，大多數(shù)人堅(jiān)信相對論是正確的，認(rèn)為“奧佩拉”項(xiàng)目組倉促公布實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不合時(shí)宜和令人匪夷所思的。更有人擔(dān)心，如果真有超光速的中微子存在，那么將出現(xiàn)一系列令人驚訝不已的現(xiàn)象，“因果關(guān)系”就是一例。所謂“因果關(guān)系”，又叫“因果論”，是現(xiàn)代物理學(xué)的基本立足體系，也是一種重要的認(rèn)識論。它認(rèn)為，凡事總是先有“因”后有“果”，絕不會顛倒過來。夫妻結(jié)合才會生出兒子，這里夫妻結(jié)合是“因”，生出兒子是“果”。我們不能想象先有兒子，再有夫妻結(jié)合。也不能想象在戰(zhàn)場上炮彈先在對方陣地上爆炸開來，然后才從我方陣地發(fā)射出去。顯然，如果因果關(guān)系發(fā)生顛倒，—切都將陷入混亂。

但是，也有一些科學(xué)家力挺“奧佩拉”實(shí)驗(yàn)。他們說，“奧佩拉”實(shí)驗(yàn)由200多名出色的科學(xué)家歷時(shí)三年才完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)論是從15000個(gè)數(shù)據(jù)中精煉出來的，在對距離和時(shí)間的測量中都做到了慎之又慎(測量距離的精度在20厘米以內(nèi)，測量時(shí)間的精度小于10納秒)，一切可能的測量誤差都已排除，經(jīng)過反復(fù)推敲和驗(yàn)證，數(shù)據(jù)是可靠的。

當(dāng)然，相對而言，“奧佩拉”實(shí)驗(yàn)中出錯(cuò)的概率肯定會比相對論大一些。另一方面，目前科學(xué)家對中微子的一些重要性質(zhì)(如中微子質(zhì)量)的認(rèn)識還停留在簡單的猜測階段，還需要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。所以，現(xiàn)在的問題不是全盤否定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是驗(yàn)證它，看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否經(jīng)得起推敲和檢驗(yàn)。即使實(shí)驗(yàn)證明了“奧佩拉”項(xiàng)目組的結(jié)果正確，也并不意味著相對論就錯(cuò)了，而應(yīng)該是對它的修改、補(bǔ)充和完善。所以，國際上一些知名的實(shí)驗(yàn)室，例如美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們表示，將對“奧佩拉”實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行核實(shí)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室曾在2007年做過同樣的實(shí)驗(yàn)，得到過類似結(jié)論，但由于當(dāng)時(shí)測量精度不夠，所得結(jié)果目前還不能驗(yàn)證“奧佩拉”的數(shù)據(jù)是否正確。

2.光速萬花筒

哥哥25歲，弟弟30歲，看似荒謬，也許并不荒謬。

光速是物理學(xué)中最重要的基本常數(shù)之一，通過對它的研究，人們逐漸認(rèn)識了光的本質(zhì)，認(rèn)識了無線電波，認(rèn)識了速度與現(xiàn)代物理學(xué)的關(guān)系。光速測定在光學(xué)發(fā)展史上起到了非常重要的作用，不僅推動了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念。

在物理學(xué)理論的發(fā)展里程中，光的粒子說和波動說爭論不僅推動了光學(xué)的發(fā)展、電磁波理論的誕生，而且最終推動了愛因斯坦相對論的發(fā)展。但是，在超光速問題上科學(xué)家還沒有得到有用的結(jié)論。

光速是一道檻

相對論認(rèn)為，光速是速度上限，是一道不可逾越的“檻”。在平常生活中，這道“檻”可以不去管它，因?yàn)槲覀兩婕暗降乃俣榷急容^小，例如人步行速度約為每小時(shí)幾千米，火車動車的運(yùn)行速度是每小時(shí)300多千米，飛機(jī)飛行的速度快一點(diǎn)，也只有每小時(shí)1000千米左右。而光速是每秒大約30萬千米，所以日常生活中遇到的速度同光速相比可以忽略不計(jì)。

通常情況下，我們應(yīng)用牛頓力學(xué)就可以對很多問題進(jìn)行研究。但是，在高速度問題上，牛頓力學(xué)是無能為力的，需要用到相對論。愛因斯坦在狹義相對論中運(yùn)用光速不變原理和運(yùn)動的相對性原理，得出兩個(gè)著名結(jié)論，一個(gè)是運(yùn)動物體上的尺子縮短，另一個(gè)是運(yùn)動物體上的時(shí)鐘變慢。正是這兩條結(jié)論給物體運(yùn)動速度設(shè)置了一道“檻”：任何物體的運(yùn)動速度都不能超過光速，超過光速就會出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)。

這里說到了時(shí)間，那么時(shí)間是什么呢?時(shí)間看不見，摸不著，但確確實(shí)實(shí)存在，同我們每個(gè)人如影隨形。科學(xué)家至今也說不清楚時(shí)間究竟是什么，但簡單想來，時(shí)間最基本的屬性是一河流淌的水，一往無前地向前流，從不回頭。而人類的變化、事物的變化、社會的變化，人世間的每一件事，都由流逝的時(shí)間原原本本地“記錄”在光線當(dāng)中。當(dāng)我們?nèi)蘸蟠蜷_光線上塵封的“記錄”時(shí)，歷史的痕跡就按照時(shí)間順序栩栩如生地再現(xiàn)出來。

為什么說超過光速就會出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)呢?如果我們能在超光速情況下“翻閱”那些“記錄”在光線上的歷史事件，我們的眼睛向后退的速度就會超過向前進(jìn)的光速，在我們向后退的距離超過以光速向前進(jìn)的距離后，出現(xiàn)在我們眼中的景物就會按照與時(shí)間相反的順序，一幕一幕地往回“倒放”，從今天走向昨天，從現(xiàn)在走向過去，人類的變化、事物的變化、社會的變化的順序都顛倒了，正的變成反的，反的變成正的，于是就出現(xiàn)了時(shí)間倒轉(zhuǎn)。(請參見相關(guān)鏈接：《如果時(shí)間倒轉(zhuǎn)》)

相對論速度

超光速被認(rèn)為是不可能的，那么速度接近光速又會怎樣呢?請看相對論中的“雙生子佯謬”。它說的是一對兄弟，哥哥28歲，弟弟25歲。一天，哥哥登上宇宙飛船，以每秒29.4萬千米的速度(光速的98％)飛行，弟弟則留在家里。一年后，哥哥結(jié)束太空飛行回到家中，見到弟弟時(shí)，發(fā)現(xiàn)弟弟蒼老了許多。哥哥驚奇地問：“怎么啦?才一年時(shí)間，你變得這么多?”弟弟怪怪地反問：“才一年?你離家已經(jīng)五年了!你離家時(shí)我25歲，今年我已經(jīng)30歲了。”

哥哥離家才一年，弟弟卻由25歲變成30歲，這是

怎么回事呢?根據(jù)狹義相對論中的“運(yùn)動物體上的時(shí)鐘變慢”原理，在以0.98倍光速運(yùn)動的飛船上的時(shí)鐘會變慢，而地球上的時(shí)鐘卻仍按照原來的速度走。飛船上的時(shí)鐘只走了一年，地面上的時(shí)鐘卻已走過五年。因此弟弟今年30歲，哥哥今年只有29歲。請注意，這里的速度只有0.98倍光速。計(jì)算表明，當(dāng)雙生子之間的相對速度為0.1倍光速時(shí)，運(yùn)動后見面時(shí)兩人的年齡相差不大；當(dāng)他們的相對速度達(dá)到0.5倍光速時(shí)，見面時(shí)兩人的年齡將相差1.15倍；而當(dāng)他們的相對速度變成0.999倍光速時(shí)，見面時(shí)兩人的年齡可以相差22.4倍!

根據(jù)狹義相對論，在一個(gè)參考系中超光速運(yùn)動的粒子在另一坐標(biāo)系中有可能回到過去，因此可以實(shí)現(xiàn)超光速旅行，按科幻作品中的說法，就是時(shí)間旅行。如果實(shí)現(xiàn)了時(shí)間旅行，那么相對論中被稱為“外祖母佯繆”的血淋淋的故事，就可能變成真實(shí)事件了。

所謂“外祖母佯謬”是指：一名時(shí)間旅行者回到過去殺死自己的親生祖母，此時(shí)其祖母尚未認(rèn)識其祖父，因此，這個(gè)時(shí)間旅行者的父母之一以及旅行者自己永遠(yuǎn)都不會出生；既然這個(gè)時(shí)間旅行者根本就沒有出生，他又怎么可能回到從前殺死祖母呢?這個(gè)矛盾暗示回到從前是不可能的。然而，科學(xué)家提出了多種假設(shè)來避免這個(gè)佯謬，例如過去是不可改變的，因此祖母一定活過了暗殺企圖，或者時(shí)間旅行者是在—個(gè)平行空間或稱平行宇宙中回到從前殺死祖母的，因此并不影響他在這個(gè)空間中的存在。

真假超光速

速度反映的是傳輸信息和傳輸能量過程的快慢，超光速就是用比光速還要快的速度傳輸信息和能量。雖然相對論原理給速度加上了“檻”——任何運(yùn)動速度都不能超過真空中的光速，真正超光速傳輸信息或能量的過程是不存在的，但這并不意味著一切速度都不能超越光速。下列情況下就可能超過光速：

相對運(yùn)動甲相對于丙向東運(yùn)動，乙相對于丙向西運(yùn)動，甲、乙運(yùn)動速度如果都超過0.5倍光速，那么對于觀測者丙來說，甲和乙之間的距離就以超光速在增長。但這種超光速是假超光速，并非真正地把信息或能量超光速地傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。

影子放大如果在燈下晃動手臂，并讓影子落在墻壁上，影子晃動的速度將比手臂快。手臂到燈的距離和墻壁到燈的距離之間的差異越大，手臂晃動的速度與墻壁上影子晃動的速度差也越大。當(dāng)手臂與影子到燈的距離差異變得很大很大，且手臂晃動的速度大到一定程度時(shí)，墻壁上影子晃動的速度就可能超過光速。同樣，如果站在地球上的人朝月球晃動手電筒，落在月球上的手電筒光移動的速度就很容易超過光速。但上述情形都不是真正的超光速情形，因?yàn)橛白臃糯髸r(shí)，它的亮度和傳輸?shù)哪芰肯鄳?yīng)地減弱了，換句話說，它傳輸信息和能量的能力相應(yīng)地減弱了；當(dāng)影子放大到很大時(shí)，影子就變得蹤影全無，不能傳輸任何信息和能量了。

切倫科夫效應(yīng)這個(gè)效應(yīng)是指：粒子在媒質(zhì)中傳輸?shù)乃俣瘸^媒質(zhì)中的光速時(shí)，其軌跡上會出現(xiàn)一種熒光。這種熒光可以用來探測進(jìn)入地球大氣層的宇宙線粒子，因此這種粒子速度超過了光速，而且傳輸了信息或能量。但是，這里所說的粒子的速度超越的是“媒質(zhì)中的光速”，而不是真空中的光速。光線在媒質(zhì)中的傳輸速度同媒質(zhì)的折射率有關(guān)，在不同媒質(zhì)中光的傳輸速度不同，但不管是哪種媒質(zhì)，光在其中的傳輸速度都比在真空中小，所以這里的“超光速”不是真正意義上的超光速，而是一種假的超光速。我們所說的超光速，是指速度超過真空中光速。

光是粒子還是波?

人人都知道光，但未必知道光是什么。1665年，牛頓做了一項(xiàng)創(chuàng)造性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。他將一間屋子糊得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的，只在墻壁上開了一個(gè)小洞，讓陽光通過小洞射進(jìn)屋內(nèi)。他在屋內(nèi)光線行進(jìn)路線上放置一塊三棱鏡，讓陽光透過三棱鏡后射到墻壁上，結(jié)果墻壁上的光線變成了七種顏色，紅橙黃綠青藍(lán)紫依次排列。他又在三棱鏡后面倒置一塊三棱鏡，結(jié)果墻壁上的七種顏色消失了，又變成了白色陽光。牛頓根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)指出，白色陽光是由七種顏色組成的，光是一種粒子，一束光就像一串小粒子，連珠炮似的從光源射出來。

幾乎與此同時(shí)，荷蘭物理學(xué)家惠更斯也在研究光。他認(rèn)為光是一種波，像水面上蕩漾的漣漪，一起一伏地向前傳播。在很長的時(shí)間內(nèi)，這兩種觀點(diǎn)相互爭論，誰也說服不了誰。

到19世紀(jì)，光學(xué)研究有了很大突破，發(fā)現(xiàn)了光的干涉(兩列以上的光束在空間相遇時(shí)相互疊加，在一些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布，因而產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋)、衍射(光在傳播過程中，遇到障礙物、小孔和窄縫時(shí)，偏離直線傳播路徑，繞過障礙物，進(jìn)入陰影區(qū))和偏振(光線振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性)，這些發(fā)現(xiàn)雄辯地證明光是波動的。

1864年，蘇格蘭科學(xué)家麥克斯韋根據(jù)丹麥科學(xué)家奧斯特的電轉(zhuǎn)化為磁的實(shí)驗(yàn)和英國科學(xué)家法拉第的磁轉(zhuǎn)化為電的實(shí)驗(yàn)，證明了電和磁的作用是同一個(gè)電磁力的不同的表現(xiàn)形式，變化的磁場和變化的電場不斷地相互產(chǎn)生，并以波的形式在空中傳播。他把這種轉(zhuǎn)換形式用一組方程簡單而美妙地表達(dá)出來，這就是著名的麥克斯韋方程式。根據(jù)這個(gè)方程組，麥克斯韋得出一條推論：電磁信號在真空中以恒定的速度傳播，這個(gè)速度就是光速。后來他又說：光是電磁波的一種，光是一種可見的電磁波。

另一方面，1887年德國物理學(xué)家赫茲用紅外光照射高電壓金屬板極時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩板之間出現(xiàn)了放電火花。第二年，俄羅斯物理學(xué)家斯特列特夫用紫外光照射電壓不高的金屬板極時(shí)，也出現(xiàn)了放電火花，而且火花更強(qiáng)。光線照在金屬板極上產(chǎn)生放電火花的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)說明光線帶有一定的能量。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦根據(jù)德國物理學(xué)家普朗克的“能量子”概念，于1905年提出了“光量子”概念。光量子簡稱光子，光量子理論的成功說明光線是一種微粒。但是光量子所說的微粒不是牛頓所說的機(jī)械性微粒，而是電磁性微粒。綜合各種研究結(jié)果，物理學(xué)家把光概括為是波，也是粒子，具有波粒二重性。

光沿直線傳播嗎?

光線通過玻璃鏡面時(shí)會發(fā)生折射和反射，這些光學(xué)現(xiàn)象可用光線沿直線傳播來很好地解釋。1665年牛頓在暗屋子里做的分光實(shí)驗(yàn)，也能通過光沿直線傳播來說明。但是，當(dāng)速度達(dá)到相對論速度時(shí)，情況就不同了。在相對論的證據(jù)中有一個(gè)著名的引力透鏡例子，也同光線有關(guān)。

愛因斯坦指出，當(dāng)物體質(zhì)量足夠大時(shí)，其引力能使光線彎曲。當(dāng)遠(yuǎn)方星光從一顆大質(zhì)量星附近通過時(shí)，光線不再是直線行走，而是彎曲成一條弧狀繞過去。這樣，當(dāng)光線通過大質(zhì)量天體時(shí)，就出現(xiàn)了兩個(gè)像，形成一個(gè)“引力透鏡”。在愛因斯坦時(shí)代，引力透鏡只是一個(gè)理論推測，而現(xiàn)在引力透鏡已被廣泛用于測量像黑洞一樣的大質(zhì)量天體。由于這些天體是看不見的，一般不能用正常的光學(xué)儀器來觀測，所以在觀測這樣的天體時(shí)，引力透鏡彰顯出巨大才能。實(shí)踐證明，宇宙中的確存在引力透鏡，而且能用來進(jìn)行天文觀測。在大質(zhì)量物體附近，光線的確是彎曲的。

有沒有光速?

今天誰也不會懷疑光有速度，但在科學(xué)史上，這卻是一個(gè)爭論了很久的問題。德國著名天文學(xué)開普勒和法國著名數(shù)學(xué)家笛卡爾都認(rèn)為，光是瞬時(shí)傳播的，不需要時(shí)間。而伽利略則堅(jiān)持光有傳播速度，認(rèn)為光傳播雖然很快，但卻有速度，而且可以測定，他還開創(chuàng)了光速測量的先河。

1607年，伽利略第一次進(jìn)行測量光速實(shí)驗(yàn)。測量依據(jù)的是我們通常使用的方法：距離／時(shí)間=速度。他讓兩個(gè)人分別站在相距一英里的兩座山上，每個(gè)人拿一盞燈，第—個(gè)人先舉起燈，第二個(gè)人看到第一個(gè)人的燈時(shí)立即舉起自己的燈。第一個(gè)人從舉起燈到看到第二個(gè)人的燈的時(shí)間間隔，當(dāng)作光傳播兩英里的時(shí)間。由于光速太快，距離太短，測不出時(shí)間間隔，實(shí)驗(yàn)失敗了。但這次實(shí)驗(yàn)揭開了人類歷史上測量光速的序幕。

第一個(gè)有效測量光速的方法，是丹麥天文學(xué)家羅麥在1676年提出的。他在觀測木星衛(wèi)星(簡稱木衛(wèi))掩食周期時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一年中不同時(shí)期，木衛(wèi)的掩食周期不同。地球位于太陽和木星之間時(shí)的木衛(wèi)掩食周期，與太陽位于地球和木星之間時(shí)的木衛(wèi)掩食周期相差14～15天。羅麥認(rèn)為，這種現(xiàn)象是光有速度造成的。他還推斷出光越過地球軌道需要22分鐘。根據(jù)自己的計(jì)算，他在1676年9月預(yù)報(bào)，當(dāng)年11月9日上午5時(shí)25分45秒的木衛(wèi)掩食將推遲10分鐘。巴黎天文臺的科學(xué)家們對此將信將疑，勉強(qiáng)作了觀測。觀測結(jié)果表明，羅麥的預(yù)報(bào)是正確的。雖然法國科學(xué)院沒有接受羅麥的理論，但惠更斯非常贊同它?；莞垢鶕?jù)羅麥提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑，第一次計(jì)算出了光速為214000千米／秒。雖然這個(gè)數(shù)據(jù)與目前測出的精確數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，但它激發(fā)了惠更斯對光的波動說的研究。

現(xiàn)在看來，這個(gè)不精確的結(jié)果不是源于羅麥方法的錯(cuò)誤，而是源于羅麥對光線越過地球軌道的時(shí)間推測不準(zhǔn)確。后來經(jīng)過各種修正，用羅麥的方法算出的光速是298000千米／秒，與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室測定值很接近。

1725年，英國天文學(xué)家布拉德雷在觀測天龍座γ星時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了“光行差”。所謂“光行差”是指：在同一瞬間，運(yùn)動中的觀測者觀測到的天體的視方向，與靜止的觀測者觀測到的天體的真方向之間存在差異。由于光行差的緣故，恒星在一年內(nèi)的視位置似乎圍繞它的平均位置走出一個(gè)小橢圓。1725年布拉德雷發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象時(shí)，他無法解釋它。三年后的一天，他在泰晤士河上泛舟時(shí)，不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)船桅桿上的旗幟不是簡單地隨風(fēng)飄揚(yáng)，而是隨著船的航向與風(fēng)的相對運(yùn)動而改變。他聯(lián)想到雨中打傘的情形：如果將傘垂直地?fù)卧陬^頂上，行走時(shí)雨滴就會滴在身上。由此，他認(rèn)識到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)共同引起了“光行差”現(xiàn)象。他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比值，估算出太陽光到達(dá)地球需要8分鐘多的時(shí)間。這一測定雄辯地證明光速是有限的。

光速測定為17世紀(jì)以來關(guān)于光的性質(zhì)的爭論提供了重要依據(jù)，但由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限，科學(xué)家只能以天文方法測定光在真空中的傳播速度，還不能解決光受傳播媒質(zhì)影響的問題。18世紀(jì)科學(xué)界處于沉悶期，光學(xué)發(fā)展幾乎停滯。到19世紀(jì)中期，科學(xué)家才運(yùn)用新方法來測量光速。

1849年，法國人菲索第一次設(shè)計(jì)地面實(shí)驗(yàn)裝置來測定光速。他的方法在原理上與伽利略的類似，只是距離拉長了一些，計(jì)時(shí)更精確一些。他將一個(gè)點(diǎn)光源放在透鏡焦點(diǎn)上，透鏡與光源之間放一個(gè)轉(zhuǎn)動的齒輪。在透鏡另一測較遠(yuǎn)的地方，依次放一塊透鏡和一塊平面鏡，平面鏡位于第二個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處。這樣，點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)過齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經(jīng)過第二塊透鏡在第二塊平面鏡上聚焦成一點(diǎn)。該光點(diǎn)經(jīng)平面鏡反射后，按原路返回。光線所走的距離等于齒輪到第二塊平面鏡距離的兩倍。由于齒輪有齒隙和齒，光通過齒隙時(shí)觀察者可以看到返回的光。光恰好被齒遮住時(shí)，觀測者就看不到光線返回。從開始發(fā)光到光線第一次消失的時(shí)間間隔，就是光線往返一次的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可由齒輪轉(zhuǎn)速記錄。菲索測得光速為315000千米／秒。

1850年，同為法國人的傅科改進(jìn)了菲索的計(jì)時(shí)方法，重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他用一塊透鏡、一塊旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個(gè)凹面鏡組成一套測量裝置。平行光通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心，由平面鏡的轉(zhuǎn)速求出時(shí)間。使用這種方法，傅科測出光速是298000千米／秒。此外，傅科還測出了光在水中的傳播速度，并與光在空氣中傳播速度比較，從而測出了光由空氣中射入水中的折射率。1951年，貝奇斯傳德利用克爾盒法測出了比較精確的光速：299793千米／秒。

如前所述，光是電磁波譜的一部分。當(dāng)代人用實(shí)驗(yàn)室方法對電磁波譜中的每一種電磁波都進(jìn)行了精密測量。1950年，英國物理學(xué)家艾森提出利用實(shí)驗(yàn)室里的空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是，當(dāng)通過空腔的微波頻率與某一頻率發(fā)生共振時(shí)，根據(jù)空腔長度可以求出共振腔的波長，把共振腔的波長換算成光在真空中的波長，就可以由波長和頻率計(jì)算光速。當(dāng)代最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年英國物理學(xué)家弗魯姆求出的光速精確值是：299792.5±0.1千米／秒。1972年美國科學(xué)家埃文森測得了目前真空中光速的最佳數(shù)值：299792457.4±0.1米／秒。

從伽里略提出光有速度到測出光速的最佳值，前后經(jīng)歷了400多年，在這段歷史長河里，消耗了不少科學(xué)家的心血，也獲得了許多科學(xué)成果。光速測量不僅促進(jìn)了幾何光學(xué)和物理光學(xué)的巨大發(fā)展，也為包括相對論在內(nèi)的其他學(xué)科發(fā)展提供了非常重要的依據(jù)。

3.神秘的中微子

頃刻之間有數(shù)十億個(gè)中微子穿過你，你卻茫然無知。

“奧佩拉”項(xiàng)目組的超光速實(shí)驗(yàn)是用中微子進(jìn)行的。中微子是一種“幽靈粒子”，它悄悄地來，默默地去，在宇宙空間游蕩，時(shí)刻與人們打交道，卻又不讓人們知道它。

多次結(jié)緣諾貝爾物理學(xué)獎

中微子很神秘，就連物理學(xué)家至今也仍為它所迷惑。守恒定律是一條物理學(xué)基本定律，任何自然過程都必須遵守它。然而，1930年，奧地利物理學(xué)家泡利發(fā)現(xiàn)，放射性衰變前后的能量、動量和角動量都變得不平衡。泡利預(yù)計(jì)，這些失去的“量”被一種不知名的粒子帶走了。這種粒子沒有質(zhì)量或者質(zhì)量很小，不帶電荷，呈現(xiàn)中性，所以人們看不見它，泡利稱它為“中子”。

1932年，英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量比泡利所說的“中子”大得多的粒子，并根據(jù)其他科學(xué)家建議，將它也命名為“中子”。如此一來，泡利所稱的“中子”就得改名換姓了。1934年，美國物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米根據(jù)泡利所說的中子“是個(gè)中性的小不點(diǎn)兒”的特點(diǎn)，將它命名為“中微子”。

不過，中微子直到1956年才現(xiàn)身。它的“露面”給美國物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯帶來了好運(yùn)——他因在核反應(yīng)堆輻射中探測到中微子而獲得1995年諾貝爾物理學(xué)獎。此后，中微子很快引起了天體物理學(xué)家的重視。

在浩瀚的宇宙空間，到處都有熱核反應(yīng)和放射性衰變。凡是發(fā)生這些核反應(yīng)的地方——太陽內(nèi)部、超新星爆發(fā)、超新星爆發(fā)遺跡、宇宙大爆炸以及地球大氣中，

都可能產(chǎn)生中微子。但科學(xué)家迄今為止只知道絕大多數(shù)中微子來自太陽，小部分來自遙遠(yuǎn)的星系和宇宙最初的大爆炸。

天體學(xué)家最早關(guān)注的中微子是太陽中微子，因?yàn)樘杻?nèi)部存在著激烈的熱核反應(yīng)，產(chǎn)生了大量中微子。中微子一進(jìn)入天文學(xué)研究領(lǐng)域，就掀起一場不大不小的風(fēng)波。1967年，在巴塞羅那召開的天文學(xué)和天體物理學(xué)深奧課題研討會上，美國物理學(xué)家戴維斯展示了他的太陽中微子觀測結(jié)果，而另一名美國物理學(xué)家巴考爾也展示了自己的相關(guān)研究成果。巴考爾展示的不是觀測結(jié)果，而是理論上預(yù)計(jì)的太陽中微子出現(xiàn)率。兩個(gè)結(jié)果一比較，問題就來了：巴考爾的理論值是戴維斯的觀測值的3倍!這就是天文學(xué)上著名的“太陽中微子失蹤”之謎。

當(dāng)時(shí)巴考爾是副教授，在大教授戴維斯面前，他是無名小輩，因而在發(fā)表報(bào)告時(shí)有些緊張。他的緊張被美國著名物理學(xué)家費(fèi)曼教授發(fā)現(xiàn)了，費(fèi)曼把他拉到身邊，并在會后邀他一起在巴塞羅那林陰道上散步，詳細(xì)了解他緊張的原因。在得知事情原委后，費(fèi)曼鼓勵巴考爾：“我不知道如何回答你，但你的研究很有意義?！焙髞碛腥嗽u價(jià)說，這次林陰道上的散步是一次值得重視的科學(xué)旅行，它導(dǎo)致世界上三大洲的幾百位科學(xué)家進(jìn)行中微子研究，建成了數(shù)十個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)室，使中微子天文學(xué)得以蓬勃發(fā)展。

“太陽中微子失蹤”之謎的謎底最終由粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型揭開。標(biāo)準(zhǔn)模型指出，中微子有3種類型，稱為3“味”，分別是電子中微子，ν子中微子和τ子中微子。電子中微子是電子反應(yīng)產(chǎn)生的，后兩種中微子由兩個(gè)較重的粒子——ν子和τ子反應(yīng)產(chǎn)生。每一種中微子還有相應(yīng)的反粒子，稱為反中微子。就是說，宇宙中不僅有奇怪的中微子，而且還有與它相應(yīng)的反中微子。

這些精辟的論點(diǎn)已被觀測和實(shí)驗(yàn)所證明。美國物理學(xué)家列昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茲和杰克·斯坦伯格因在1962年探測到ν子中微子相互作用中有多種中微子存在，獲得1988年諾貝爾物理學(xué)獎。1975年，τ子中微子被斯坦福力諾加速中心發(fā)現(xiàn)。2000年夏天，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室觀測到τ子中微子相互作用。實(shí)際上，在戴維斯的觀測值中，太陽中微子并非失蹤了，而是少了這兩種較重粒子的中微子。

在解決“太陽中微子失蹤”奧秘的過程中，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)中微子在物質(zhì)中傳播時(shí)“味”會發(fā)生改變，這被稱為“太陽中微子震蕩”。太陽中微子震蕩主要發(fā)生在太陽內(nèi)部，而不是在大氣中，因此在一般物質(zhì)中見不到中微子震蕩。太陽中微子震蕩使得中微子更加神秘。在揭示中微子的奧秘方面，日本東京大學(xué)教授小柴昌俊取得了出色成績，他和戴維斯一道獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

奇怪特性引出奇怪結(jié)果

中微子雖然有能力帶走部分能量、動量和角動量，但它不帶電荷，質(zhì)量很小或幾乎沒有質(zhì)量。不帶電荷意味著它不受電磁力影響，只受微弱的亞原子力影響；弱作用意味著它的作用范圍比電磁力小得多。這些特征與前不久發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)里的弱作用大質(zhì)量粒子(簡稱WIMPs)頗為相似，有些物理學(xué)家甚至將中微子直接歸于弱作用大質(zhì)量粒子。中微子的另一種特性是穿透率極強(qiáng)，能在物質(zhì)中旅行巨大距離而不與沿途物質(zhì)發(fā)生作用，穿越浩瀚宇宙空間猶如在真空中散步。中微子的奇怪特性讓它具有隱身匿跡的奇招：頃刻間可能有數(shù)十億個(gè)中微子穿過人體，而在人的一生中卻很少有幾個(gè)中微子和人體內(nèi)的原子發(fā)生作用。

這些特性使得中微子具備了以下特性：第一，可以輕易逃離自己的“誕生”地，把產(chǎn)生它的天體的真實(shí)信息傳輸給我們，例如太陽中心核聚變產(chǎn)生的太陽中微子可以毫發(fā)無損地穿越太陽外層大氣和地球大氣，讓我們直接看到太陽心臟區(qū)域；第二，可以自由穿行于星系之間，而不受充斥在宇宙中的微波背景輻射和星系磁場的影響，因此它能原模原樣地傳遞信息，保真度極高，是攜帶宇宙中最劇烈現(xiàn)象和產(chǎn)生宇宙γ射線暴信息的理想載體，是最好的宇宙?zhèn)髅健?/p>

但是，中微子穿透率很強(qiáng)，不容易捕捉，而且它產(chǎn)生的信號和宇宙線產(chǎn)生的信號極其相似，很難將它們區(qū)分開來。因此，探測中微子十分困難。據(jù)估計(jì)，在地球上垂直太陽光入射方向上，每平方厘米每秒鐘約有65億個(gè)中微子穿過，而在地面上卻很難探測到它。由于它能穿透數(shù)千千米的巖石而不受阻擋，因此為了減少探測過程中宇宙線背景的影響，天體物理學(xué)家把中微子探測器放在很深的地底下。第一個(gè)中微子觀測站是在1955年建造的，地點(diǎn)是在美國南達(dá)科他州一個(gè)2000米深的金礦井內(nèi)，探測器是一個(gè)400立方米的儲液池，內(nèi)儲氯-37液體。中微子進(jìn)入池內(nèi)后，氯-37變成氬-37，測出氬-37的數(shù)量就可以計(jì)算出中微子數(shù)量。

中微子能超光速嗎?2011年9月和11月，意大利“奧佩拉”項(xiàng)目組兩次宣布，他們發(fā)現(xiàn)17GeV和28 GeV(eV讀作“電子伏特”，是一種能量單位，CeV等于1京電子伏特)的中微子速度達(dá)到了299798454米／秒，即真空中光速299792457.4±0.1米／秒的1.0000248(28)倍。這是一個(gè)驚人的結(jié)果。

中微子速度與它的質(zhì)量密切相關(guān)。按照相對論，如果中微子質(zhì)量為零，它們的速度一定等于光速；如果中微子有質(zhì)量，哪怕質(zhì)量很小，也不可能達(dá)到光速。根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子是沒有質(zhì)量的，但實(shí)驗(yàn)確定如果中微子有震蕩現(xiàn)象，就要求它有質(zhì)量。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，中微子是有質(zhì)量的，但質(zhì)量多少還未測量出來，所以在發(fā)現(xiàn)中微子震蕩現(xiàn)象之前，一般假設(shè)中微子以光速旅行。發(fā)現(xiàn)中微子震蕩之后，科學(xué)家正在努力測量它的質(zhì)量，以期推斷它的速度。

第一次測量中微子速度是在20世紀(jì)80年代。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家用脈動的質(zhì)子束打擊靶核產(chǎn)生的脈動π子束，反復(fù)測量得知，3GeV的中微子速度是1.000051(29)光速，這是第一次測量出中微子速度超過光速。2011年9月“奧佩拉”項(xiàng)目組宣布他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是第二次測量出中微子速度超過光速。事實(shí)上，早在1985年就有科學(xué)家提出，中微子可能有超光速的亞原子粒子性質(zhì)。今天，超光速運(yùn)動的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型認(rèn)為中微子經(jīng)受勞倫茲擾動震蕩，旅行速度可以超光速。

在理論物理學(xué)中有一種假想粒子叫做“快子”，是德國物理學(xué)家阿諾德·索末菲命名的。從理論上講，如果“快子”是傳統(tǒng)的局域化的粒子，它能超光速傳遞信號的話，那么就可能導(dǎo)致狹義相對論的因果顛倒。然而，在量子場論框架內(nèi)，“快子”被理解為表明系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和系統(tǒng)通過濃縮消散，而不作為真正的超光速粒子，這樣的不穩(wěn)定性是“快子場”所描述的。按照當(dāng)代廣泛采用的粒子概念知識，“快子”被當(dāng)作不穩(wěn)定存在，根據(jù)理論，“快子”超光速傳遞信息和因果顛倒是不可能的。

盡管理論上認(rèn)為超光速粒子不存在，然而實(shí)驗(yàn)研究得出的結(jié)論卻相反。不過，“奧佩拉”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)明顯不同，明顯的例子是1987年發(fā)生的一次超新星爆發(fā)——超新星1987A。所謂“超新星爆發(fā)”是指恒星突然爆發(fā)出明亮光輝，甚至白天都能見到。1987A超新星爆發(fā)時(shí)，科學(xué)家不僅觀測到明亮的光線，而且觀

測到中微子。值得注意的是，1987A的，10MeV(1000MeV等于1京eV)中微子的傳輸時(shí)間只比光子傳輸時(shí)間多4.5億分之一，這個(gè)差值甚至可能是光線在旅行初期受到恒星物質(zhì)阻尼的結(jié)果。如果1987A的中微子速度達(dá)到1.000048(28)光速，它將在光子之前幾年到達(dá)地球，我們就不可能在觀測到光子的同時(shí)觀測到中微子了。

綜合中微子速度的三次測量，有必要注意以下事實(shí)：2011年9月測量的中微子能量是17GeV和28GeV，速度是1.0000248(28)光速；20世紀(jì)80年代測量的中微子能量是3GeV，速度是1.000051(29)光速；而在1987年測量的中微子能量是10MeV(即1／100GeV)，速度是(1+1／45億)光速。三次測量結(jié)果表明，中微子速度可能同它的能量有關(guān)。如果這個(gè)結(jié)論正確，那么“奧佩拉”項(xiàng)目組的測量結(jié)果就有立足之地了。當(dāng)然這只是猜想，到底結(jié)論如何還需繼續(xù)探索。這里我們用當(dāng)代享有國際盛譽(yù)的廣義相對論和宇宙論學(xué)家霍金的話來作結(jié)論：“目前，對中微子發(fā)表評論還言之過早，必須進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)及澄清工作?！?/p>

如果時(shí)間倒轉(zhuǎn)

如果時(shí)間倒轉(zhuǎn)將會出現(xiàn)什么樣的情景呢?請看下面的例子。

●手拿一顆石子投進(jìn)池塘里，撲通一聲，濺起一串浪花，水面上漾起的漣漪一圈圈擴(kuò)大。當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)時(shí)的情景是：漣漪一圈圈縮小，收縮到一點(diǎn)，浪花由空中落到水面，撲通一聲，一顆石子從水里浮出水面，躍入空中，最后跑到人的手里。

●人的一生經(jīng)歷著從娘胎里出生、嬰兒、年輕、年老、臉上出現(xiàn)皺紋、進(jìn)入墳?zāi)沟冗^程。當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)時(shí)的情形是：人從墳?zāi)估镒叱鰜?，皺紋從臉上消失，從年老變成年輕，變成嬰兒，進(jìn)入娘胎，最后消失在娘肚里。

●打開一瓶香水，香水從瓶口散發(fā)出來，香氣散入空氣中。當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)時(shí)的情形是：空氣中的香氣從瓶口進(jìn)入瓶內(nèi)，在瓶內(nèi)凝結(jié)成滿滿一瓶香水。

●一頭公牛闖進(jìn)一家瓷器店，在店內(nèi)亂蹦亂跳，把架子上的瓷器打得粉碎，散落在地上，地上一片狼藉。與其對應(yīng)的時(shí)間倒轉(zhuǎn)情形是：公牛把一片狼藉的碎瓷器拼接起來，放到架子上，匆匆走出瓷器店，揚(yáng)長而去。

時(shí)間倒轉(zhuǎn)將引起千萬種怪象，這里所列舉的只是怪象海洋中的幾朵浪花而已。如果把超光速引起的怪象合盤推出，將是一幅多么可怕的景象!