稍微说两句超光速

冷原子

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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。

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。
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5 s# k* c3 P$ B4 x) v8 u9 s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。
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4 z$ k5 Z2 a; y0 D1 H- K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。
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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。

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。
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$ ?, |! n3 G5 G* ~2 {: T) i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。

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。

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。
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3 M, \& W9 |  D9 l$ X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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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？

1 m; c2 @1 V$ ^! I) K/ u1 z( m) O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。

冷原子

领班军机 发表于 2011-9-26 07:19
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 ...

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。

冷原子

魔术师 发表于 2011-9-30 11:07
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 ...

这个还真不好说呢。现在物理学界普遍觉得还需要谨慎的检验这个实验结果。这是对的，越是新奇的结果，越要谨慎的检验。

如果确实是超光速的话，可能需要修改狭义相对论，那样的话，确实将给物理学带来很大的变革。至于具体带来什么，现在还无法预料。

冷原子

天马行空 发表于 2011-10-9 21:34
professor张，我是11级物理系新生……听了您的报告就来看了……

呵呵，欢迎啊，你应该比这个论坛上的绝大多数人都年轻。

冷原子

茉莉 发表于 2012-1-19 23:32
* S$ _9 m% b8 q) ?  b. \- ?' M' X& `愛因斯坦不做實驗就提出這些理論為什麼還普遍被接受呢？求科普

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做的，但他们由很多成熟的物理学家独立完成，结果可靠。第二是麦克斯韦方程组中给出了光速的取值，却没给出这一取值对应的参照系。麦克斯韦方程组是被大量实验证实的理论，也非常可靠。狭义相对论很好的解释了这两件事情，并且在低速情况下能退回经典力学。这就具备了一个新的物理理论的必备条件---能解释旧理论解释不了的新现象，同时在旧理论适用的情况下能回到旧理论。因此狭义相对论一经创建，就被人们当作一个可能正确的理论。而后来的无数实验结果，都和狭义相对论吻合，于是人们就普遍接受狭义相对论了。

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？

4 R' j! W" |3 X已经搞清楚了，是他们的实验有问题。实际上没有超光速。