超光速粒子

物理学术语

人们对于速度低于光速的物质粒子了解甚多，而对速度高于光速的物质粒子—-快子却知之甚少。人们通过对狭义相对论的进一步研究发现，速度原本就超过光速的快子的存在并不违背狭义相对论，但到人们对快子的特性并不清楚，也不知道为什么不能发现快子。

历史背景

法国天文学家卡米伊·弗拉马利翁曾写过一本科学幻想小说，书中描述了一位以大于光速运动的主人翁在宇宙空间旅行，碰到了一系列不可思议的奇迹：如发射的炮弹倒飞回炮口里，死去的人又复活了等等。当时爱因斯坦对这本书极为不满意，爱因斯坦认为有质量的物体不能够被加速到光速。

论述历程

最初认识

应该说在上世纪五、六十年代之前，就人们所认识的限度而言，爱因斯坦的观点应该是正确的：超光速是不可能的。可在七十年代前后，射电天文学家却发现，宇宙中有4个致密的河外类星体射电源。河外射电星体有时会抛出一、两对射电星云——射电子源，这似乎是一次猛烈爆炸引起的，它们彼此高速分离，其中大约有半数出现超光速运动，甚至达到光速的5倍至10倍。但最近的一些研究表明，这些超光速运动现象只是“视超光速”想象，起因于类星体发出的与观测者视线方向夹角很小的亚光速喷流，实际上并没有超过光速。不过类星体的运动（红移）确实存在超光速的可能，但类星体存在于遥远的过去，它的运动已经要考虑空间结构的补偿，由于不携带能量和信息，宇宙的膨胀是不受光速限制的。（相对论只限制质量和信息的传递）

提出假说

这些难以解释的现象有些使科学家们胆怯，生怕被不精确的测量所愚弄。可美国和西德的一些科学家经过十多年的认真观测，积累了足够多的数据，令人信服地证实他们的观测是真实的。这就是说，超光速粒子在茫茫宇宙中是客观存在的。面对这种出乎意料的结果，众说纷纭，各种猜测，假说应运而生。1967年，美国哥伦比亚大学范伯格提出一种假设，即认为，在宇宙空间中存在另一个由速度超过光速的粒子（称之为“快子”）组成的宇宙，在由这种由“快子”组成的宇宙空间中，一个能量为零的粒子是以无穷大速度运动的，而且若它们获得的能量越多，反而运动速度越慢，直到获得无穷大能量后，速度才减慢到光速。这正好与我们这个宇宙中的情况相反：在我们这个宇宙中，一个静止物质能量最小，当它获得能量后，就开始运动，而且获得能量越多，运动速度就越快，直到获得无穷大的能量后，物体速度也达到极限，即光速。在快宇宙中（由“快子”组成的宇宙），任何情况下，一个超光速粒子不可能比光速运动得慢，而在我们的慢宇宙中，任何情况下，一个物体不可能比光速运动得快，由此可见，光速正是两个宇宙的分水岭。如果一个“快子”在真空中运行，则它经过时必须要留下一道可以探测的光迹，虽然实验室里还从来没有发现过“快子”，但从数学公式的推算看，“快子”是可能存在的，所以科学家们都希望能快些捕捉到“快子”。当然，快子的存在从未有任何直接或间接证据。总之，超光速之谜是令人神往的。

疑似发现

2011年9月23日，在欧洲核子研究中心（CERN），科学家们发现了意料之外的现象：被送往732公里之外Gran Sasso实验室的中微子们比光速快了60纳秒到达。用更大的数字来表示，就是光速299,792,458m/s，而他们在实验中检测到中微子速度是299,799,953m/s。

这一数值的实验误差是10纳秒，换言之，基本上比光速快是没错的！虽然只是0.0025%的区别，但这一挑战狭义相对论光速不变原理基石的发现一旦得到证实，将会给物理学界带来巨大的变化。

突破光速不是儿戏，科学家们慎之又慎的反复测验。研究发言人Antonio Ereditato博士表示他们已经反复检验过数据和设备，但就是无法发现有什么错误，只好选择将这一结果公开，期待得到更多研究机构的重复实验和验证，以其最终得知这究竟是不是一个事实。

尽管以一般的实验准则来说，他们的数据早已足够坚实。Antonio Ereditato博士说，为了检验μ中微子与τ中微子的转换，他们在三年的时间中总共进行了一万五千次中微子发射，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。

爱因斯坦理论中最广为人知的说法之一就是“光速无法超越”，这也确实是现代物理中最基本的基础之一。

再次论证

据英国《每日邮报》网站2011年11月18日报道，欧洲核子研究中心的物理学家们日前再度推翻“光速最快”的说法，他们通过实验反复证明中微子的飞行速度的确可以超过光速，这很有可能会颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论。

爱因斯坦的狭义相对论认为，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速。但欧洲核子研究中心的科学家们在2012年9月宣布，他们发现一些粒子，如中微子等可能以快于光速的速度飞行。当时，该中心发声明称，这个结果的潜在影响巨大，急需重复实验及其他实验室的独立检测。

在最近的实验中，该中心与意大利格朗萨索国家地下实验室进行了合作。研究人员们不但优化了最先的实验方案，而且还利用新方案进行了多达20次的重复实验，所得结果与先前的发现完全一致。

一些物理学家指出，一旦有些粒子确实被证实跑过了光速，那将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式。其中一种观点认为，宇宙中可能还存在其他未知维度，中微子正是抄了其他维度的“近路”，才“跑”得比光快。

旅美物理学家张操在1986年就在国际会议中预言了中微子可能是一种超光速粒子。他指出：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。狭义相对论服从电磁相互作用的规律，没有强有力的证据显示狭义相对论也适用于其它二种基本相互作用（引力相互作用、弱相互作用）。没有人测量过引力的速度；在弱相互作用中，中微子可能是一种超光速粒子。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。

最终确认不存在

位于意大利的大萨索山的一个叫做“伊卡洛斯”（ICARUS）的项目在2011年10月和11月间探测到了来自欧洲核子研究中心的中微子，而且精度更高。

诺贝尔物理奖获得者、“伊卡洛斯”项目发言人卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia）说：“我们的结果与爱因斯坦如果活着会给出的结果是一致的。”在他们的实验中，中微子的速度与光速接近，但并没有超过光速。

英国《自然》杂志称，“对于一些物理学家来说，新的测量对这件事起了一锤定音的作用。”但鲁比亚仍然等待看到2012年春天包括“奥普拉”和“伊卡洛斯”在内的几个项目所做的新的结果。这些项目中也包括另一个叫做“大体积探测器”（LVD）的中微子观测站对来自欧洲核子研究中心的中微子所做的测速。

此前，在2月份时，《科学》杂志曾爆料称，来自欧洲核子研究中心的内部人士透露，中微子速度的误差可能是由于连接GPS接收器和电脑之间的光缆松了造成的。欧洲核子研究中心随后证实了这一说法，但同时表示还有另外一个因素，即用于将“奥普拉”的探测器时间与GPS进行同步的一个振荡器可能存在误差。后者的误差的效果是与前面那个因素恰恰相反的——它会造成中微子速度被低估。而科学家们暂时无法确定一个高估的因素和一个低估的因素究竟谁占了上风。定于2012年4月底进行的新的实验将会以更高的精度来检测这些因素所造成的效果。

2012年3月末，物理学家们宣布，之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误。后续的验证实验已经证明，和所有其它事物一样，中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则。

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