黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

再評(píng)歐洲OPERA中微子超光速實(shí)驗(yàn)

黃志洵

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

物理學(xué)有一個(gè)著名法則是任何東西不能以超過(guò)真空中光速c的速度傳播。但在2011年9月22日，在意大利完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了中微子以超光速(v＞c)運(yùn)動(dòng)的證據(jù)。相對(duì)于真空中光速，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算顯示中微子早到了［60.7±6.9(統(tǒng)計(jì))±7.4(系統(tǒng))］ns，亦即(v-c)/c=［2.48±0.28(統(tǒng)計(jì))±0.30(系統(tǒng))］×10-5。這表明中微子速度v=299799911m/s。研究人員對(duì)CERN與檢測(cè)器間約730km的測(cè)量精度達(dá)20cm，相應(yīng)時(shí)差的測(cè)量精度達(dá)10ns;而測(cè)量工作的置信度水平達(dá)6σ。

這是真正了不起的實(shí)驗(yàn)。美國(guó)的MINOS項(xiàng)目已經(jīng)準(zhǔn)備作更精確測(cè)量以校對(duì)這一結(jié)果。如MINOS證實(shí)了OPERA發(fā)現(xiàn)，這結(jié)果的意義重大。但也有物理學(xué)家表示懷疑。如該結(jié)果錯(cuò)了，我們也不能完全抹殺這一實(shí)驗(yàn)的意義。超光速研究將繼續(xù)進(jìn)行。

中微子;超光速

1930年W.Pauli設(shè)想在β衰變中除電子外還放射一種能量極小的中性粒子，1933年E.Fermi提出弱相互作用理論，又命名W.Pauli設(shè)想的粒子為中微子(neutrino)。1956年在實(shí)驗(yàn)中捕捉到電子中微子，1962年發(fā)現(xiàn)了μ中微子，2000年發(fā)現(xiàn)了τ中微子。所以中微子至少有3種;這次歐洲OPERA中微子超光速實(shí)驗(yàn)所用者是μ中微子?！L(zhǎng)久以來(lái)，人們認(rèn)為中微子的性質(zhì)為:不帶電荷;非常微小可能沒(méi)有質(zhì)量;以光速運(yùn)動(dòng);與物質(zhì)幾乎不發(fā)生作用因而難發(fā)現(xiàn)?？傊悬c(diǎn)神秘，研究它也困難。

2011年9月22日國(guó)際上報(bào)導(dǎo)的歐洲中微子超光速實(shí)驗(yàn)是科學(xué)界的重大事件，引起廣大公眾的興趣和密切關(guān)注。在記憶中多年沒(méi)有這樣的情況了——看來(lái)是少數(shù)科學(xué)家的事情卻在社會(huì)上引起議論紛紛。2011年11月9日《科技日?qǐng)?bào)》發(fā)表了筆者的文章，題為“歐洲科學(xué)家的超光速實(shí)驗(yàn)和中國(guó)科學(xué)家的責(zé)任”?，F(xiàn)根據(jù)情況的發(fā)展寫出本文，作較為深入的討論。

1 關(guān)于中微子的質(zhì)量

從質(zhì)量開(kāi)始討論比較麻煩，因?yàn)檫@涉及復(fù)雜的概念，而且一些問(wèn)題尚在爭(zhēng)論中。但當(dāng)我們議論某種粒子以光速或超光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種粒子是否具有靜止質(zhì)量(restmass)，卻是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。靜止質(zhì)量用m0表示，它來(lái)自H.A.Lorentz針對(duì)電子而導(dǎo)出的質(zhì)速公式，Einstein的狹義相對(duì)論(SR)繼承了這個(gè)公式，因此，以Lorentz-Einstein質(zhì)速公式為基礎(chǔ)，認(rèn)為以速度v運(yùn)動(dòng)的粒子具有如下的質(zhì)量、能量和動(dòng)量:

式中 β=v/c;當(dāng) β＜1，m、E、p均為實(shí)數(shù)，并隨 v增加而加大。當(dāng)β＞1，m、E、p成為虛數(shù)，沒(méi)有物理意義;因而v＞c不可能——這是主流的物理學(xué)觀點(diǎn)。β=1這點(diǎn)通常稱為奇點(diǎn)。

對(duì)中微子的研究與對(duì)光子的研究有相似之處但又頗為不同。在1980年之前，普遍認(rèn)為中微子靜止質(zhì)量m0=0。(為方便起見(jiàn)，以下簡(jiǎn)稱“質(zhì)量”，并略去下標(biāo) 0;而且習(xí)慣上用能量單位ev表示中微子質(zhì)量)。1980年首次出現(xiàn)了非零質(zhì)量的報(bào)道，但很不確定。1998年一批日本、美國(guó)科學(xué)家宣布，利用Super-Kamiokande設(shè)施對(duì)μ中微子的研究表明它有靜止質(zhì)量，發(fā)生錯(cuò)誤的可能性小于萬(wàn)分之一?！谶@過(guò)程中又出現(xiàn)過(guò)中微子質(zhì)量平方為負(fù)(m20＜0)的說(shuō)法，但可略去不談，因?yàn)楝F(xiàn)在似已放棄了這類表達(dá)方式。

那么，什么是2011年歐洲OPERA實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的中微子質(zhì)量觀?他們?cè)谡撐闹姓f(shuō):“對(duì)于 CNGS(CERN Neutrino beam to Gran Sasso)的中微子能量＜mv＞=17Gev，即使假定最重的中微子本征態(tài)的

2 中微子以超光速運(yùn)動(dòng)的說(shuō)法其來(lái)有自

假如實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)中微子以超光速飛行，那么我們必須說(shuō)，對(duì)此在理論上早有預(yù)期。筆者認(rèn)為對(duì)這個(gè)問(wèn)題張操教授不但論述較早而且邏輯性好，在這里我們嘗試作如下的歸納——首先，大家都知道宇宙中有4種物理相互作用，即:電磁相互作用、引力相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用。即使電磁相互作用的特征速度(光速)不能超過(guò)，不見(jiàn)得其他三種作用也以光速為最高的極限。其次，光子是電磁相互作用的體現(xiàn)，中微子卻不是;實(shí)際上中微子是弱相互作用的體現(xiàn)，這點(diǎn)我們必須考慮到。第三，上世紀(jì)50年代由李政道、楊振寧提出理論，由吳健雄實(shí)驗(yàn)證明，在弱相互作用下宇稱不守恒(通俗說(shuō)法是左右不對(duì)稱)。然而在標(biāo)準(zhǔn)模型中中微子沒(méi)有質(zhì)量，三種中微子均為左旋，反中微子均為右旋。這表示在任意參考系的觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度都小于中微子，否則中微子的自旋會(huì)反向?？傊形⒆铀俣炔豢赡苁莢＜c，而必須是v≥c，不發(fā)生“在弱相互作用中宇稱守恒”的情況。在這種認(rèn)識(shí)之下，張操、倪光炯教授聯(lián)合提出了超光速中微子的Dirac方程，它可以寫成兩個(gè)自旋方程通過(guò)微小的固有質(zhì)量(proper-mass)相互耦合，從而有最大的宇稱不守恒。……因此，我們可以看出中微子研究與光子研究的方法不同。

對(duì)上述論述方法，我認(rèn)為比采用Feinberg快子(tachyon)理論好。如用該理論則必須認(rèn)定中微子有一個(gè)“虛數(shù)靜質(zhì)量”(m0=jμ，μ ＞0)，這沒(méi)有真正可信的實(shí)驗(yàn)支持。不過(guò)我們并不否定1967年Feinberg論文的意義，正是該文最早提出了超光速粒子的量子場(chǎng)論，例如得到了超光速粒子的Klein-Gordon方程。

在實(shí)驗(yàn)方面，1987年是一個(gè)重要的年份，只是一直被人們忽略了。1987年，美國(guó)《Phys.Rev.Lett.》雜志刊登了日本東京大學(xué)的K.Hirata等23人聯(lián)名所作文章“Observation of a Neutrino Burst from the Supernova SN1987A”(“對(duì)超新星 SN1987A造成的中微子爆發(fā)的觀測(cè)”)，其中說(shuō)“在1987年2月23日7時(shí)35分用日本的KamiokandeⅡ檢測(cè)器觀測(cè)到一次中微子爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間13s”。更有意思的一篇文章是美國(guó)Michigan大學(xué)的M.Longo發(fā)表在《Phys.Rev.D》上的文章，題為“SN1987A對(duì)相對(duì)論的檢驗(yàn)”;文章說(shuō)“超新星爆發(fā)時(shí)既有中微子又有光子前往地球，中微子到達(dá)時(shí)間是1987年2月23日7時(shí)35分40秒(世界時(shí)UT)，而光子到達(dá)時(shí)間晚了3h;仔細(xì)算下來(lái)，中微子速度v與c光速的相對(duì)偏差為|(v-c)/c|≤2×10-9。”另外從 Longo文章可以看出，許多中微子研究者都習(xí)慣于把其速度與光速作比較，這是有傳統(tǒng)的事情了。

因此，我們?cè)谶@里要強(qiáng)調(diào)的事情是，距地球大約16萬(wàn)光年的大麥哲倫星云中的一顆超新星(SN1987a)的爆發(fā)，天文臺(tái)后收到它的光，此前被3個(gè)地點(diǎn)(日本、意大利、蘇聯(lián))以上的實(shí)驗(yàn)室收到它發(fā)出的中微子，兩件事相差達(dá)3小時(shí)!這應(yīng)當(dāng)是“中微子以超光速飛行”的鐵證;但由于物理學(xué)家們堅(jiān)守“不能違反相對(duì)論”這一原則，重要的證據(jù)一直被忽視，直到現(xiàn)在才被人們重新提起。所以，中微子作超光速運(yùn)動(dòng)的可能性確實(shí)很大，今天我們得知的OPERA實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不特別令人驚奇。

3 超光速粒子引發(fā)科學(xué)界無(wú)盡猜想

處在地下的Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室最早是設(shè)計(jì)用來(lái)檢測(cè)vτ→vz通道的中微子振蕩的(to perform the detection of neutrino oscillation in the vμ→vτchannel)，這是主要目的。然而研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很適合于測(cè)量中微子的飛行速度，他們就這樣做了三年。2011年9月22日將結(jié)果公布于世，立即引起轟動(dòng)——這是顛覆性科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還是某種實(shí)驗(yàn)上或計(jì)算上的錯(cuò)誤?在科學(xué)界引起了爭(zhēng)論和猜想。這里回顧歐洲OPERA實(shí)驗(yàn)公布以后的一些情況。OPERA的含意為:Oscillation Projectwith Emulsion Racking Apparatus，(乳膠尋跡設(shè)備的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目)。下面是按時(shí)間次序排列的幾件事:

——2011年9月22日，預(yù)印本網(wǎng)站(http//static.arXiv.org/pdf/1109.4897.pdf)刊出 T.Adam等174人所作文章“在CNGS束中用OPERA接收器測(cè)量的中微子速度”;其“摘要”說(shuō)，在意大利地下的Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室，OPERA中微子實(shí)驗(yàn)已測(cè)量了在約730km的基線上CNGS束的中微子速度，與過(guò)去的研究相比具有更高的準(zhǔn)確度。測(cè)量基于在2009年、2010年和2011年間OPERA所采用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。CNGS的高級(jí)計(jì)時(shí)系統(tǒng)和OPERA接收器與用來(lái)測(cè)量中微子基線的高精度大地測(cè)量相結(jié)合，允許達(dá)到可比較的系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。相對(duì)于真空中光速，μ子中微子提前到達(dá)的時(shí)間為［60.7±6.9(統(tǒng)計(jì))±7.4(統(tǒng)計(jì))］ns，亦即中微子相對(duì)于光速的偏差為(v-c)/c=［2.48±0.28(統(tǒng)計(jì))±0.30］×10-5。

細(xì)察這篇文章，可知在OPERA實(shí)驗(yàn)中粒子(中微子)飛行距離，直線距離(731278.0±0.2)m，換算為地球表面基線距離731517.461m;測(cè)量飛行時(shí)間，要把發(fā)射點(diǎn)CERN與接收點(diǎn)LNGS兩地準(zhǔn)確對(duì)鐘，方法是同時(shí)觀測(cè)和接收衛(wèi)星上GPS發(fā)出的同一時(shí)間碼。測(cè)量從2009年起歷時(shí)三年，共測(cè)量16111個(gè)事件，得到光傳播與中微子飛行的時(shí)間差為［60.7±6.9(統(tǒng)計(jì))±7.4(統(tǒng)計(jì))］ns，即中微子比光快2.48×10-5。這一測(cè)量的有效性為6σ，即置信水平0.999999998，是高精度的測(cè)量。我們知道真空中光速的國(guó)際推薦值為c=299792458m/s，故由本文的測(cè)量可知中微子速度v=299799911 m/s。

——同日，著名科學(xué)刊物《Nature》的網(wǎng)站刊發(fā)了一篇署名文章(作者G.Brumfiel)，題為“粒子擊破光速極限——中微子研究結(jié)果動(dòng)搖現(xiàn)代物理學(xué)基石”。文章說(shuō)，環(huán)繞我們無(wú)處不在的中微子是電中性的基本粒子，不與物質(zhì)相互作用，但擁有微小質(zhì)量。重達(dá)1800 ton的OPERA檢測(cè)器是復(fù)雜的光電設(shè)備，但其測(cè)量結(jié)果卻很簡(jiǎn)單——中微子比光早60ns到達(dá)，這已在 arXiv.org上發(fā)表。文章指出，2007年美國(guó)MINOS(Main Injector Neutrino Oscillation Search)項(xiàng)目曾在實(shí)驗(yàn)中觀察到類似效應(yīng)，但由于太多的不確定性而未予重視;(筆者注:后來(lái)人們認(rèn)為2007年MINOS實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，中微子的速度與光速一致)。

——9月28日，英國(guó)刊物《New Scientist》網(wǎng)站發(fā)表文章，題為“Fermi實(shí)驗(yàn)室停止尋找Higgs Boson，開(kāi)始探索中微子”。文章說(shuō)2007年該實(shí)驗(yàn)室即企圖尋找超光速中微子，但未得到有重要意義的數(shù)據(jù)。在OPERA實(shí)驗(yàn)公布后，該實(shí)驗(yàn)室要繼續(xù)探索，計(jì)時(shí)系統(tǒng)精度要達(dá)到2ns。整個(gè)工作預(yù)計(jì)在2014年完成。

——10月底，CERN的研究負(fù)責(zé)人宣布說(shuō)，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果并消除多種質(zhì)疑，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將采用不同的方法發(fā)出中微子束，看看是否可以重現(xiàn)中微子超光速。11月18日，美國(guó)《Scientific American》雜志網(wǎng)站報(bào)道說(shuō)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已完成了復(fù)核——他們請(qǐng)CERN制作一種更短的質(zhì)子束，持續(xù)時(shí)間僅為3ns，是過(guò)去實(shí)驗(yàn)所用質(zhì)子束的1/3000。已記錄了20個(gè)中微子事件，達(dá)到了過(guò)去實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)顯著性水平。在這種情況下，OPERA項(xiàng)目成員全部在論文上簽了字。美國(guó)Fermi實(shí)驗(yàn)室MINOS也發(fā)表聲明，說(shuō)可能在2012年初即完成對(duì)OPERA實(shí)驗(yàn)的核對(duì)。

——11月20日路透社從日內(nèi)瓦發(fā)出電訊說(shuō)，CERN的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)(稱為ICARUS)的研究“駁斥了OPERA實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。他們主要是檢測(cè)中微子束的能量，發(fā)現(xiàn)能量譜是以光速運(yùn)行的粒子應(yīng)有的能量譜，并沒(méi)有超光速的跡象。不過(guò)，報(bào)道也說(shuō)目前人們?nèi)栽诘却绹?guó)、日本的實(shí)驗(yàn)室對(duì)OPERA實(shí)驗(yàn)結(jié)果的核查。

——2012年2月23日有報(bào)道說(shuō)，OPERA實(shí)驗(yàn)中光纜松動(dòng)可能造成差錯(cuò)。

4 中微子速度的直接測(cè)量和間接判斷

國(guó)內(nèi)有的媒體(例如2011年11月23日《參考消息》報(bào))在報(bào)道ICARUS實(shí)驗(yàn)的時(shí)候使用了標(biāo)題“中微子超光速結(jié)論被否定”，這顯然是錯(cuò)誤的提法。既然OPERA團(tuán)隊(duì)和ICARUS團(tuán)隊(duì)都說(shuō)“期待美國(guó)和日本的科學(xué)家進(jìn)行驗(yàn)證”，而且美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室說(shuō)明年年初就拿出驗(yàn)證結(jié)果，為什么不能稍作等待，而要說(shuō)“結(jié)論已被否定”呢?在這里我們要著重指出，OPERA團(tuán)隊(duì)測(cè)量中微子飛行速度的方法是直接的——飛行距離與所用飛行時(shí)間之比，而ICARUS實(shí)驗(yàn)只是一種間接的判斷(推論)。二者缺乏可比性是明顯的!

筆者認(rèn)為OPERA實(shí)驗(yàn)是獨(dú)特的，其意義有如下幾點(diǎn):

①OPERA團(tuán)隊(duì)是做了一個(gè)直接測(cè)量微觀粒子飛行速度的實(shí)驗(yàn)，而迄今為止的科學(xué)史上尚無(wú)人進(jìn)行過(guò)這種實(shí)驗(yàn);②OPERA團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是單向速度實(shí)驗(yàn)，對(duì)至今尚未突破的難題(單向光速測(cè)量)帶來(lái)了推動(dòng)和啟發(fā);③OPERA實(shí)驗(yàn)投資大、精確度高、數(shù)據(jù)量大、誤差處理嚴(yán)格，是相當(dāng)有氣勢(shì)的并不常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn);④OPERA實(shí)驗(yàn)帶動(dòng)了一些研究領(lǐng)域，如引力的影響、Sagnac效應(yīng)的影響、GPS計(jì)時(shí)技術(shù)的改進(jìn)等;⑤為了重復(fù)與核查OPERA實(shí)驗(yàn)，美國(guó)Fermi實(shí)驗(yàn)室的MINOS項(xiàng)目決定對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造?！梢?jiàn)，OPERA實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了很大的推動(dòng)作用。就算最后的驗(yàn)證結(jié)果是“中微子不曾超光速”，該實(shí)驗(yàn)研究的科學(xué)意義也不容否定。

就目前情況看，OPERA實(shí)驗(yàn)的公布已引起理論物理學(xué)家們的興趣，也提出了各種解釋(如:CPT破缺、新量子效應(yīng)、時(shí)空不連續(xù)性等)，這也是對(duì)思維的促進(jìn)。

5 中微子以超光速運(yùn)動(dòng)不會(huì)造成“物理學(xué)大廈倒塌”

在報(bào)道中微子超光速實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，媒體不斷跟進(jìn)，情況顯得頗為熱鬧。然而許多說(shuō)法常常似是而非，可能誤導(dǎo)公眾甚至造成心理恐慌。在國(guó)內(nèi)外的新聞稿中，不確切的說(shuō)法比比皆是;例如，說(shuō)“Einstein的理論是現(xiàn)代物理學(xué)一切內(nèi)容的基礎(chǔ)”;說(shuō)“如果MINOS證實(shí)了OPERA實(shí)驗(yàn)成功，人們就可以撕掉教科書了”;說(shuō)“相對(duì)論的‘不可能超光速’是一切宇宙科學(xué)的核心，也是各種粒子能保持現(xiàn)存狀態(tài)的關(guān)鍵?！薄@些說(shuō)法有的來(lái)自媒體記者，有的來(lái)自理論物理學(xué)家。仿佛如果從CERN到Gran Sasso的中微子是以超光速飛行，物理學(xué)大廈會(huì)倒塌，當(dāng)代自然科學(xué)會(huì)完蛋。這些說(shuō)法顯然是言過(guò)其實(shí)了!不僅如此，我們都知道超光速研究在全世界已開(kāi)展了50年，論文總數(shù)估計(jì)也有200多篇(有的發(fā)表在名刊《Nature》、《Phys.Rev.》上);即使從 CERN 到 Gran Sasso的中微子沒(méi)有以超光速飛行，這些研究工作就不存在了嗎?!

我們知道相對(duì)論并非物理學(xué)之全部，除外之外尚有 Newton力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)。先看Newton力學(xué)，雖然多年來(lái)不斷有人貶低，但它至今仍光芒四射立在那里。其實(shí)它才是物理學(xué)的支柱，更是全部工程技術(shù)的基石。1687年出版的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》是Newton的最重要的科學(xué)著作，是對(duì)經(jīng)典力學(xué)的第一部系統(tǒng)而完整的著述，也是人類歷史上第一個(gè)關(guān)于物理和宇宙的科學(xué)理論體系。今天我們重讀這部劃時(shí)代巨著時(shí)仍會(huì)感到震驚，其中明確定義了質(zhì)量、動(dòng)量和力，提出了運(yùn)動(dòng)學(xué)的三大定律。他以洞悉的目光看出維系行星運(yùn)動(dòng)的力與地面上使物體改變速度的力在本質(zhì)上是相同的;他建立的萬(wàn)有引力定律(Newton反平方定律)至今仍是無(wú)可懷疑客觀規(guī)律，被各種實(shí)驗(yàn)一次次地證明其正確性。當(dāng)然Newton引力場(chǎng)方程是非Lorentz協(xié)變的，而且他的引力是一種超距作用，與狹義相對(duì)論(SR)不同。引力傳遞無(wú)需時(shí)間表示速度為無(wú)限大，所以我們似乎可以說(shuō)Newton最早提出了超光速。Newton注意到丹麥人O.Roemer于1675年發(fā)表的“光速為有限值”成果，知道太陽(yáng)光到達(dá)地球要用大約8min。但太陽(yáng)引力作用于地球，這個(gè)過(guò)程絕不會(huì)花費(fèi)這么長(zhǎng)時(shí)間，所以引力傳播速度一定比光速快!1911年1月16日，德國(guó)的R.L?mmel教授曾當(dāng)面告訴Einstein:“有的東西比光更快——萬(wàn)有引力”。1920年A.S.Eddington的計(jì)算，引力傳播速度是光速的20倍(v=20c);1998年T.Flandern的計(jì)算，引力傳播速度非常大(109c～2×1010c)，但不是無(wú)限大?！傊?，引力以超光速傳播這一點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。可是按照相對(duì)論的理論體系，引力傳播只能以光速進(jìn)行，不能快過(guò)光速。

上世紀(jì)20年代中期建立的量子力學(xué)，至今已有80多年歷史。其思維方法之獨(dú)特、深刻，令人折服;其應(yīng)用之廣泛，罕有其匹。然而正如前輩物理學(xué)家吳大猷先生所說(shuō)，狹義相對(duì)論與量子力學(xué)并不一致，后者不為Einstein所采納。L.de Broglie于1949年則說(shuō)，關(guān)于Einstein對(duì)量子力學(xué)的反對(duì)意見(jiàn)，許多物理學(xué)家(特別是N.Bohr)作了尖銳的答復(fù)。物理學(xué)家們幾乎一致同意Bohr-Heisenberg的解釋?！@些評(píng)論都很深刻?？傊?，量子理論與狹義相對(duì)論存在內(nèi)在矛盾，與廣義相對(duì)論存在更深刻的矛盾。Einstein的確定論和定(局)域因果性都為量子理論所不容。至于在速度問(wèn)題上，很明顯“光速極限論”只是相對(duì)論力學(xué)的一家之言，Newton力學(xué)和量子力學(xué)都不為速度設(shè)置上限。2008年由《Nature》雜志公布的瑞士科學(xué)家團(tuán)隊(duì)(由N.Gisin領(lǐng)導(dǎo))完成的量子超光速實(shí)驗(yàn)，證明糾纏態(tài)傳播速度是(104c～107c);這雖然不是“物質(zhì)可以作超光速運(yùn)動(dòng)”的證明，卻是“信息可以用超光速傳播”的證明(這里傳送的信息是粒子的自旋改變的情況)。

因此，說(shuō)某個(gè)超光速實(shí)驗(yàn)的成功就會(huì)造成物理學(xué)的危機(jī)甚至垮臺(tái)的說(shuō)法是夸大的和錯(cuò)誤的。即使沒(méi)有了相對(duì)論，Newton力學(xué)和量子力學(xué)還在，各個(gè)物理學(xué)分支還在，物理學(xué)大廈不會(huì)垮掉。中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所所長(zhǎng)吳岳良院士在2011年10月14日《科技日?qǐng)?bào)》的座談會(huì)上說(shuō)，“我們所有的研究一直是在挑戰(zhàn)能不能超越Einstein，超越現(xiàn)有理論;要重新認(rèn)識(shí)真空及引入新的特殊相互作用等，必須有突破性的新想法”。這話讓我們看到一些希望。

6 妨礙物質(zhì)作超光速運(yùn)動(dòng)的奇點(diǎn)是否真的存在

A.Einstein在其提出狹義相對(duì)論的1905年文章中說(shuō)“超光速?zèng)]有存在的可能”，我們稱之為“光障”。航天技術(shù)的發(fā)展迫使人們細(xì)察，為何飛船速度不能超光速。按照Lorentz質(zhì)速公式，β=v/c=1是一個(gè)奇點(diǎn)。然而，這個(gè)難題或許并不存在，因?yàn)槲镔|(zhì)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速(c)時(shí)其質(zhì)量并不是無(wú)限大。

“§8，……現(xiàn)在我假設(shè)電子是靜止時(shí)半徑為R的球體，在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)形狀改變，其大小在運(yùn)動(dòng)方向上變?yōu)樵L(zhǎng)的μ倍……。

“§9，現(xiàn)在可以計(jì)算單個(gè)電子的電磁動(dòng)量;為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我假設(shè)只要電子保持靜止，電子電荷e均勻分布在電子表面?！覍⒓僭O(shè)除了電磁質(zhì)量外，沒(méi)有其他質(zhì)量，即沒(méi)有‘真質(zhì)量’或‘物質(zhì)質(zhì)量’”。

在以上引文中，γ=(1-β2)-1/2;可見(jiàn)，Lorentz研究電子質(zhì)量問(wèn)題時(shí)提出的假設(shè)共3個(gè)，它們決定了推導(dǎo)的結(jié)果。這時(shí)Lorentz說(shuō):“當(dāng)力作用于運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生加速度時(shí)，電子似乎有縱質(zhì)量;當(dāng)力作用于法向上產(chǎn)生加速度時(shí)，電子似乎有橫質(zhì)量”。這樣，他導(dǎo)出兩個(gè)公式。長(zhǎng)期以來(lái)一提及“Lorentz質(zhì)速公式”就只說(shuō)橫質(zhì)量的公式，又稱之為“SR的質(zhì)速關(guān)系式”。其實(shí)，A.Einstein于1905年發(fā)表的文章“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”中對(duì)電子質(zhì)量的推導(dǎo)，縱質(zhì)量的結(jié)果與Lorentz相同，橫質(zhì)量公式與Lorentz不同。故Einstein并未導(dǎo)出如今Lorentz的橫質(zhì)量公式。盡管如此后來(lái)人們還是稱之為L(zhǎng)orentz-Einstein質(zhì)速公式。

常常有人說(shuō):“Lorentz-Einstein質(zhì)速公式已被多個(gè)實(shí)驗(yàn)所證明”。但一些書籍中所列多個(gè)實(shí)驗(yàn)都是測(cè)量電子荷質(zhì)比(e/m)與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，并不能作為電子質(zhì)量與速度關(guān)系的直接證明。況且，文獻(xiàn)中所列全為帶電粒子(電子、質(zhì)子)的實(shí)驗(yàn)，根本沒(méi)有中性粒子的實(shí)驗(yàn)，又怎能將其推廣為一切粒子(甚至一切動(dòng)體)都遵循的規(guī)律?有科學(xué)家提出，質(zhì)量定義應(yīng)為“物質(zhì)包含的量”，它不會(huì)受運(yùn)動(dòng)速度影響，故動(dòng)體的“運(yùn)動(dòng)質(zhì)量”不是一個(gè)好的概念。他們還認(rèn)為，20世紀(jì)早期的實(shí)驗(yàn)所測(cè)到的變化或許是由于有效力的變化，即施加于動(dòng)體的力與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。有研究者認(rèn)為，早期的物理學(xué)家在沒(méi)有研究粒子運(yùn)動(dòng)速度與場(chǎng)中受力的關(guān)系的情況下，就預(yù)先假定電場(chǎng)對(duì)電子所施力與電子速度無(wú)關(guān)，是不合適的。這也是得到“電子質(zhì)量隨v變化、并有兩個(gè)質(zhì)量”的結(jié)論的原因。后來(lái)，物理界又把這一點(diǎn)推廣為一切物體都遵守的規(guī)律，可能也是錯(cuò)誤的。

總之，物理學(xué)中的質(zhì)量概念是很復(fù)雜的。如簡(jiǎn)單地看問(wèn)題，Lorentz質(zhì)速公式在β=v/c=1的地方構(gòu)成了奇點(diǎn)，是不可逾越的。然而，“運(yùn)動(dòng)物體(或粒子)是質(zhì)量與速度有關(guān)”不僅在邏輯上發(fā)生問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中也碰了壁。2009年上海學(xué)者季灝在直線加速器上產(chǎn)生能量為(6～15)Mev高速電子，使之轟擊一個(gè)鉛靶;并用量熱法測(cè)量電子的動(dòng)能，以研究“電子質(zhì)量是否隨速度變”的問(wèn)題。結(jié)果數(shù)據(jù)與SR有很大矛盾，與Newton力學(xué)卻很接近。實(shí)驗(yàn)主要在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的直線加速器上進(jìn)行，它已受到上海市科委等方面的重視。因此，妨礙物質(zhì)實(shí)現(xiàn)超光速運(yùn)動(dòng)的奇點(diǎn)是否真的存在?這仍然是需要考慮的問(wèn)題。

* * *

在現(xiàn)代科技科技條件下人們非常關(guān)注速度，因?yàn)樗碇鴷r(shí)代的進(jìn)步。如今在地球上空飛行的“太空垃圾”速度約為7.8km/s，中國(guó)的航天器(“神舟8號(hào)”與“天宮一號(hào)”對(duì)接)速度可達(dá)8.3km/s。美國(guó)的航天器Appolo-10指揮艙為11.2km/s，“旅行者1號(hào)”為17.6km/s;“新地平線號(hào)”可達(dá)23.3 km/s，是飛得最快的人造設(shè)備，但不到光速的萬(wàn)分之一。……未來(lái)的宇宙飛船設(shè)計(jì)師可能心中總要想著光速;美國(guó)《未來(lái)學(xué)家》雙月刊于2010年第1期上發(fā)表文章，把“光速旅行”列為“推動(dòng)人類進(jìn)步的八大科學(xué)挑戰(zhàn)”之一，以便在將來(lái)登上其他行星，并重新認(rèn)識(shí)自己與宇宙的關(guān)系。由此可見(jiàn)，我們關(guān)心任何有價(jià)值的超光速實(shí)驗(yàn)是很自然的，即使暫時(shí)不成功也會(huì)促進(jìn)人們的思考。

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Comment on the OPERA Experiment of CERN

HUANG Zhi-xun
(Communication Univ.of China，Beijing 100024)

A famous rule in physics is thatnothing can travel than c，c is the light speed in vacuum.But in 22 september/2011，an experiment in Italy has unveiled evidence that the neutrinos can travel faster than light，i.e.v＞c.An early arrival time of CNGSmuon neutrinoswith respect to c that computed of［60.7 ±6.9(stat.)±7.4(sys.)］ns wasmeasured，i.e.(v-c)/c=［2.48±0.28(stat.)±0.30(sys.)］×10-5.Itmeans the neutrino speed is v=299799911m/s.The researchers claim to have measured the 730km trip between CERN and the detector to within 20cm，and they can measure the time of the trip to within 10ns.And they believe the result has a significance of 6σ.

It is truly extraordinary.The MINOS project of the USA was already planningmore accurate followup the OPERA experiment.If MINOSwere to confirm OPERA’s find，the result would be enormous.But some of physicist remains sceptical.If the result of OPERA iswrong，we can’t adopt an attitude of negating everything，the research of faster-than-lightwould be remain unchanged.

neutrinos;faster-than-light

O451

A

1673-4793(2012)01-0001-07

2011-12-13

黃志洵(1936-)，男(漢族)，北京市人，中國(guó)傳媒大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所客座研究員.

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(責(zé)任編輯

:龍學(xué)鋒)