黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

歐洲科學(xué)家的超光速實驗和中國科學(xué)家的責(zé)任

黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

9月22日，一個科學(xué)新聞迅速傳遍了全世界——著名科學(xué)刊物Nature在其網(wǎng)站上發(fā)表了由G.Brumfiel署名的報道說:“眾多粒子打破了光速極限:中微子實驗結(jié)果挑戰(zhàn)現(xiàn)代物理學(xué)的基石”。文章說，一個以意大利人為主的科學(xué)團隊用實驗發(fā)現(xiàn)中微子能以超光速飛行，實驗是在意大利叫做Gran Sasso的地方(意國家實驗室所在地)，用OPERA進行的。中微子束來自歐洲核子研究中心(CERN)，發(fā)射地靠近瑞士日內(nèi)瓦市，距Gran Sasso約730km。消息迅速傳開，引起很大反響;英國每日電訊報9月22日在其網(wǎng)站中說:“科學(xué)界深受震動，Einstein的狹義相對論(SR)是最著名的公式，但昨夜顯示它或許錯了。這一結(jié)果讓學(xué)者們極為震驚，有關(guān)方面請求美國和日本科學(xué)家予以核實”。在中國，專家學(xué)者們也發(fā)表了各種看法。OPERA團隊一直表示愿意聽取各種意見和批評，但他們的精確實驗其結(jié)果也不是某人寫篇文章或發(fā)表一些談話就可以否定掉的。

超光速研究是嚴肅的科學(xué)研究，不是“八卦新聞”

超光速研究是由美國物理學(xué)家興起的，時間是在上世紀 60年代(Bilaniuk等， 1962;Feinberg 1967)。雖然Einstein于1905年提出的狹義相對論(SR)斷言超光速不可能，但人類一向希望挑戰(zhàn)極限。并且科學(xué)無禁區(qū)，在其發(fā)展過程中并不承認有絕對的和永久的權(quán)威。美國哥倫比亞大學(xué)教授Feinberg用tachyon(快子)一詞稱呼超光速粒子，而在他的理論中，快子應(yīng)具有虛數(shù)靜止質(zhì)量(m0=jμ，μ＞0)，如此則其存在不與SR相沖突。20世紀的最后十年，超光速實驗先在波動力學(xué)和量子隧穿的領(lǐng)域內(nèi)展開。1993年，美國Berkeley加州大學(xué)在一項光子隧穿實驗中獲得了v=1.7c，即光子可以用比光速c快70%的速度飛行。到了2000年，負相速實驗和負群速實驗相繼成功，豐富了超光速研究的內(nèi)容。2008年8月14日《Nature》發(fā)表了瑞士科學(xué)家用實驗證明量子糾纏態(tài)的傳播速度是超光速的(v=104c～107c)，大大擴展了人們的視野。上述這些著名論文都是發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)刊物(如 Nature，Physical Review，PRL)上。故有人散布“超光速研究是八卦新聞”的說法，如不是為了誤導(dǎo)公眾，那就是由于偏見和無知。

中國科學(xué)家參加超光速研究較早，這里舉出一些例子。20世紀70年代射電天文學(xué)界發(fā)現(xiàn)了驚人的類星體(3c345、3c273、3c279等)超光速飛離現(xiàn)象，涉及速度8c、9.6c等。1979年張操教授提出了利用推廣的Galilei變換(GGT)研究超光速問題的建議，發(fā)表在嚴肅的英國刊物Jour.Phys.A上。國防科技大學(xué)教授譚暑生的標(biāo)準時空理論對亞光速運動和超光速運動作統(tǒng)一的描述，把超光速運動理性地放在一個適當(dāng)?shù)目蚣苤?。北京師范大學(xué)教授曹盛林提出以Finsler幾何為基礎(chǔ)的時空不變量ds4代替SR中的ds2，可使超光速運動具有合理的物理實在性，使SR成為在亞光速仍然適用的理論。中國運載火箭技術(shù)研究院研究員林金在分析航天導(dǎo)航測量機制的基礎(chǔ)上建立了時空理論的新概念，提出“雖然對應(yīng)坐標(biāo)時定義的速度不能超光速，但對應(yīng)原時定義的運動真速度沒有極限，而超光速運動對應(yīng)負能量”;黃志洵于1991年指出在截止波導(dǎo)內(nèi)的消失態(tài)(evanescent states)情況下可能出現(xiàn)負波速——負群速和負相速;又用量子力學(xué)方法分析波導(dǎo)，建立了量子勢壘的等效電路模型，為在超光速實驗中用截止波導(dǎo)作為量子隧穿中的勢壘作了理論準備;2004年黃志洵對超光速作了分類——物質(zhì)運動的速度、能量傳送的速度、廣義的信息速度，前者又區(qū)分為宏觀物體速度、微觀粒子速度、非實體物質(zhì)(波動和脈沖)速度，只有在細分條件下超光速研究才是清晰的和有意義的。2003年黃志洵和逯貴禎教授在無線電波頻率上用模擬光子晶體的同軸系統(tǒng)獲得了阻帶中的超光速群速(vg=1.5c～2.4c)，中國工程院院刊(《中國工程科學(xué)》)據(jù)此作了“我國首次超光速實驗”的報道。另外，楊新鐵(在2004年)、黃志洵(在2010年)都提出，應(yīng)當(dāng)借鑒人類突破聲障(sonic barrier)的經(jīng)驗來突破光障(light barrier)，對現(xiàn)有加速器(都是亞光速加速器)進行改建，用符合超光速粒子動力學(xué)和能量關(guān)系的技術(shù)措施進行實驗，期望發(fā)現(xiàn)以超光速運行的奇異電子(meta-electron)。著名加速器專家、中國科技大學(xué)教授裴元吉一直給予支持并已經(jīng)開始理論計算的準備工作。值得注意的是，2004年宋健院士論述了超光速對未來人類宇宙航行的意義，指出SR所說“不能超光速”實際上是對設(shè)定范圍(v=c)以外的推測或假說，并無實驗根據(jù);又指出從技術(shù)觀點看光障(light barrier)，奇點的產(chǎn)生不是來自數(shù)學(xué)而是來自技術(shù)基礎(chǔ)——SR是用光學(xué)或雷達往返信號時間間隔之半去測距，因而看不到運動速度等于c或大于c的目標(biāo);另外，從40年航天實踐可以看出，即使在v?c之時自主導(dǎo)航的實踐與SR動力學(xué)也存在沖突;實際上，用SR公式去計算航天器飛行速度的本身就必須謹慎。以上超光速理論認識并不以“虛質(zhì)量”作為超光速運動存在的前提。

關(guān)于中微子可能是超光速粒子，張操教授早在1985年參加國際會議時就提出了這一觀點;認為在所有基本粒子中，中微子最接近具有快子的特性。后來，他與復(fù)旦大學(xué)教授倪光炯一起提出了超光速中微子的Dirac型量子方程，是4分量方程。類似地，中國科學(xué)院上海原子核所研究員艾小白導(dǎo)出了超光速粒子的2分量的Weyl方程。

可見，中國人的超光速研究在理論上并不落后。差勁的是實驗，因為超光速屬非共識研究，經(jīng)常受某些主流科學(xué)家的擠壓，甚至缺少話語權(quán)。做超光速研究的科學(xué)家，處境是艱難的;他們基本上得不到國家科學(xué)主管單位的研究經(jīng)費支持。

OPERA實驗的可信性

對一直在做超光速研究的科學(xué)家來講，OPERA實驗結(jié)果并不令人吃驚?，F(xiàn)根據(jù)原文(研究論文已在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org上發(fā)表)對實驗情況有較準確的了解。先說明 OPERA的含意為:Oscillation Project with Emulsion Racking Apparatus，另一個詞組CNGS的含意為:CERN Neutrino beam to Gran Sasso，而論文題目是“在CNGS束中用OPERA檢測器測量中微子速度”。作者是來自意大利、俄羅斯、瑞士、法國、日本、韓國、德國等11國的科學(xué)家，其中包含一些小國如土耳其、以色列、保加利亞、克羅地亞。沒有美國、中國的科學(xué)家參加。這些人來自大學(xué)或研究所，共174人成為論文作者，署名次序是按英文字母排列，例如第1位是T.Adam，最后一位是A.Zghiche。另外，OPERA團隊有一位發(fā)言人是瑞士伯爾尼大學(xué)的A.Ereditato。論文的摘要說，在意大利的地下的Gran Sasso實驗室，OPERA中微子實驗已測量了在約730km的基線上，從CNGS束的中微子速度;與過去的加速器中微子研究相比其準確度更高。測量是基于在2009年、2010年和2011年期間OPERA采集到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。CNGS的專用高級計時系統(tǒng)和OPERA檢測器與用于測量中微子在線的高精度大地測量相結(jié)合，允許達到可比較的系統(tǒng)和統(tǒng)計的準確度。μ子中微子相對于我們按照假定真空中光速的計算，提早到達的時間為［60.7±6.9(stat.)±7.4(sys.)］ns，這項反常相當(dāng)于μ子中微子速度相對于光速的差值為(v-c)/c=［2.48±0.28(stat.)±0.30(sys.)］×10-5。(以上敘述中stat.代表統(tǒng)計誤差，sys.代表系統(tǒng)誤差)。

中微子速度的測量是由測定中微子束源與OPERA檢測器之間的距離和飛行時間而實現(xiàn)的，依靠了高準確度的大地測量，在測定約730km基線時達到20cm精度，CNGS束是幾乎純vμ束，平均能量17Gev，采用CERN的SPS/CNGS計時系統(tǒng)，誤差很小(10ns)，這是由一系列精確計量技術(shù)而做到的。數(shù)據(jù)分析建基于OPERA檢測到的約16000次中微子事件的基礎(chǔ)上，結(jié)果經(jīng)反復(fù)核對，是在6個標(biāo)準偏差(6σ)以內(nèi)。

注意，全文未提及Einstein和狹義相對論。在論文結(jié)尾說:“We deliberately do not attempt any theoretical or phenomenological interpretation of the results”(“我們審慎地不對結(jié)果作任何理論上的或現(xiàn)象上的解釋”)。

筆者認為OPERA實驗可信，理由如下:①中微子的飛行速度過去就有三種推測(亞光速但非常接近光速、光速、超光速)，它以超光速飛行是可能的;②實驗設(shè)施和技術(shù)的精確度高，處理數(shù)據(jù)量大，而且誤差處理采用標(biāo)準偏差6σ，是非常嚴謹?shù)?③11國的170位專家合作研究，埋頭工作三年，公布結(jié)果之前又反復(fù)檢查，防止出現(xiàn)主觀失誤;④實驗公布后出現(xiàn)了兩方面的意見，支持和反對;迄今尚無站得住的反對理由，有的說法甚至不值一駁。既如此，我們有理由認為這是自有超光速研究以來的一次重大和重要的實驗，具有里程碑式的意義。

但是有兩個問題卻必須說明;首先，有人老調(diào)重彈，說“超光速會破壞因果律”。筆者一向認為causality一詞應(yīng)譯為因果性而不是因果律，因為它其實只是一種認知，而不是一條定律。而且人們對它的確切含義的理解，一般都是“原因先于結(jié)果”，而非更重要的內(nèi)涵“果不能影響因”。我們知道SR是確定論的，即與傳統(tǒng)的因果性一致，而Einstein自己也說過“要放棄完全的因果性我將非常難受”。但是量子力學(xué)(QM)的出現(xiàn)形成了對SR的真正挑戰(zhàn)，因為微觀粒子的運行總有無法消除的不確定性，不但有時會“果先于因”，甚至事件的發(fā)生可能沒有原因。實際上，QM只符合統(tǒng)計意義上的因果性。當(dāng)然，當(dāng)飛船以超光速飛離地球，地面觀測者會先收到后發(fā)出的光;這只是一種反時序現(xiàn)象，但時序并不等于因果性。認為事件中時序不可顛倒的觀念早已落后于物理學(xué)實驗的發(fā)展，例如負波速現(xiàn)象的實驗、量子后選擇實驗等，都表明“果先于因”并非不可能?？傊媒?jīng)典因果性否定超光速是錯誤的。所謂“因果律受破壞”只是一種表面現(xiàn)象——比聲音快的超聲速飛機存在時用聲音觀測，比光快的超光速粒子存在時用光觀測，產(chǎn)生某些異常現(xiàn)象毫不奇怪。飛機以超聲速飛行已是平常事，沒人因為聲音逆向而大叫“因果律被破壞了”，也沒有人認為其聲音“傳到了過去”。

另一對歐洲OPERA實驗的指責(zé)是“未考慮引力造成的時間延緩”。大家都知道，SR中所謂的時間膨脹(時間延緩)理論，意思是說運動鐘比靜止的相同的鐘走的慢。引力影響鐘慢程度，這也是相對論的意見，限于篇幅這里不展開討論。早就有人指出把時間膨脹歸結(jié)為測量效應(yīng)正是相對論最迷惑人的地方;我在這里強調(diào)，用相對論的理論來抨擊對相對論有威脅的實驗，是自己證明自己，是不能允許的邏輯循環(huán)，因而是不成立的。

回到OPERA實驗上來;OPERA團隊發(fā)言人Ereditato博士說，他和同事們過去3年所做的實驗顯示，中微子的飛行速度似乎比光速快;“我們試圖尋找所有可能的解釋，想找到一個錯誤，不管是細致的、復(fù)雜的或是其他不良影響，但都沒有找到;故只好說出來，讓國際社會來仔細檢驗它”。又說:“我的夢想是另一個獨立的實驗也得出同樣的結(jié)論”。他的話顯示了科學(xué)家的真誠與坦率。9月27日，俄羅斯聯(lián)合核研究所在莫斯科近郊的杜布納召開會議，向百多位物理學(xué)家和新聞記者介紹情況。這是因為有20多位俄羅斯科學(xué)家參加了實驗，負責(zé)分析OPERA裝置獲取的數(shù)據(jù)。名列論文作者名單中的Y.Gornushkin說:“實驗結(jié)果對我們自己也很出乎意料，但我們找不到實驗中的錯誤?！彼赋觯瑸榱舜_保實驗的高精確性，瑞士、德國的頂尖計量學(xué)專家獲邀參加了研究。總之，他認為結(jié)果本身對物理學(xué)非常重要;如果不能找到檢驗結(jié)果或發(fā)現(xiàn)錯誤的新方案，那么也許可以在其他國家重做實驗來確定結(jié)論，例如在美國的MINOS實驗室和日本的神岡研究所。在 Gornushkin報告后，另一位科學(xué)家 E.Akyshev說，今后的實驗可以嘗試改變一些實驗技術(shù)細節(jié);但無論如何目前還無人能指出導(dǎo)致當(dāng)前結(jié)果的錯誤。

所謂MINOS是美國Fermi國家物理實驗室的一個國際合作項目，它在2007年曾嘗試尋找超光速中微子，當(dāng)時未得到有意義的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，似乎是尋找“上帝粒子”(Higgs粒子)不敵CERN，F(xiàn)ermi實驗室將再次轉(zhuǎn)向超光速研究。他們打算用新的GPS傳感器、原子鐘和探測器來記錄中微子的到達時間，精度要達到2×10-9s，結(jié)果最早要到2014年才能得出。該實驗室的科學(xué)家說:“如不了解中微子就無法了解粒子物理學(xué)”。

然而我也認為，還有很多問題沒有弄清楚。例如，是否所有的不同類型的中微子都以超光速飛行?或者說這只是個別的現(xiàn)象?又如，整個團隊未對中微子質(zhì)量問題進行研究;論文也未討論這個問題(論文只提到一次，意思是說中微子質(zhì)量非常微小)。還有其他一些問題，相信會引起各國科學(xué)家的很大興趣。

學(xué)習(xí)歐洲科學(xué)家的團隊精神，開展有中國特色的超光速研究

歐洲人在這場科學(xué)探索中反映出來的團隊合作精神令人驚嘆!回過頭來看我們自己，雖然過去有多位中國科學(xué)家對超光速問題進行了艱難探索，勇氣可嘉;但都是各自為戰(zhàn)，亦未能獲得有組織的支持。2004年宋健院士、陳佳洱院士、王越院士領(lǐng)導(dǎo)召開了一次香山科學(xué)會議，中心議題是“宇宙科學(xué)前沿與光障問題”，到會的有50名科學(xué)家(內(nèi)含院士9人)。那次會議很是鼓舞人心;后來的探索雖仍艱難，但沒有人退卻。這次的報道出來后，十幾位科學(xué)家進行了討論并寫出了建議書，認為我們不可能也不必要跟在歐洲人后面走，也就是說目標(biāo)不是重復(fù)OPERA實驗。應(yīng)當(dāng)搞具有中國特色的、創(chuàng)新的超光速研究。要發(fā)揚團隊精神，實現(xiàn)科學(xué)界的大合作。下面的觀點是筆者個人的，但也反映了西北工業(yè)大學(xué)楊新鐵教授的意見。

首先，所謂有中國特色的超光速研究，雖然既包含理論工作和實驗工作，但重點應(yīng)放在實驗方面。這是因為中國科學(xué)家雖在時空理論、超光速問題理論分析方面已做了不少工作，但這些理論的本身也需要實驗上的證明。具體的實驗研究方向可分為兩個——“物質(zhì)粒子作超光速運動的可能性”和“真空中光速的不變性”;前者是直接的超光速研究，后者是檢驗SR第二公設(shè)但與超光速有關(guān)。就前一方面而言，我們甚至認為不必以中微子作為研究的主要對象。超光速研究的當(dāng)前形勢和關(guān)鍵是證實物質(zhì)粒子飛行的速度也可以比光速快，證明了這點之后談?wù)摗俺馑儆钪骘w船”才有意義。這個證明最好是用中性粒子，如中子或原子、分子;考慮到對中性粒子缺少加速的手段和方法，可以先對帶電粒子(電子、質(zhì)子)展開實驗。鑒于目前全世界的加速器其實都是亞光速加速器，如想發(fā)現(xiàn)超光速飛行的奇異電子(meta-electron)就必須對現(xiàn)有的加速器進行改裝，而且要借鑒航空器突破聲障(sonic barrier)的成功經(jīng)驗，例如Laval管那樣的經(jīng)驗。詳細的分析和論述請見下述論文:黃志洵，超光速實驗的一個新方案。前沿科學(xué)，第4卷第3期，2010年，41～62頁。

眾所周知和宇宙中共有4種物理相互作用，電磁作用僅是其中之一。就算光速是電磁作用的最高速度，它也不可能是其他作用的最高速度。早就有歐洲科學(xué)家算出引力作用速度是超光速(v≥109c);我們?nèi)缒芙M織隊伍測出引力速度，也是很好的課題(實際上是Nobel級的課題)。

超光速研究在當(dāng)前和將來的意義

那么，究竟什么是超光速研究的意義?近期的研究主要是弄清客觀規(guī)律——例如1992年 G..Nimtz領(lǐng)導(dǎo)的群速超光速實驗;2000年K.Wynne領(lǐng)導(dǎo)的負相速實驗，以及王力軍領(lǐng)導(dǎo)的負群速實驗;2008年N.Gisin領(lǐng)導(dǎo)的量子糾纏態(tài)超光速實驗;等等，都是這個性質(zhì)。它們都不可能造成某種直接的技術(shù)用途。如向遠處看，考慮人類未來對宇宙的探索，那就不同了;超光速宇宙飛船如能成功，其意義就太大了!10月1日美國Yahoo網(wǎng)站報道說，一些太空專家在星際旅行研討會上議論說，載人恒星之旅困難重重，這種旅行可能要跨越好幾代人，而目前還不知道人類能否在太空微重力環(huán)境下繁衍后代。很明顯，這些專家沒有把未來飛船速度的極大提高考慮進去!讓我們在這里回味作為航天專家的宋健院士于2004年所說的幾句話:“飛出太陽系是人類的偉大理想。這關(guān)系到很多理論與技術(shù)問題，要逐步解決，科學(xué)界已開始考慮和工作。要進入銀河系必須加大航行速度，直到接近光速，如果可能的話應(yīng)超過光速”。這真是擲地有聲的語言!譚暑生教授在其著作中寫的一段話同樣激動人心:“研究和掌握超光速運動的科學(xué)技術(shù)，是意義無與倫比的事業(yè)。只有這樣人類才能擺脫自己的孤獨和愚昧，與各外星文明聯(lián)系起來，進入星際社會的新時代”。

那么，在未來人類是否有可能乘坐經(jīng)過極為獨特設(shè)計的超光速宇宙飛船，飛越蒼穹穿過群星，向著太陽系外的廣闊天地飛奔?科學(xué)家不是科幻小說作家，說話要有根據(jù)。我在2009年發(fā)表的文章［黃志洵，超光速宇宙航行的可能性，前沿科學(xué)，第3卷第3期，2009年，44～53頁］作了雖初步但較詳盡的分析，結(jié)論是“實現(xiàn)超光速宇宙航行非常困難，但并非毫無希望”。這是實事求是的估計，既回答了某些人的嘲笑又防止了不切實際和夸大其詞。無論如何，航天專家有這樣的夢想和希望是可以理解的;在百年前誰又曾想到人類可以在月球(甚至火星)上漫步?!對于未來的發(fā)展，讓我們拭目以待。中國的人口約占全球人口的1/5，中國科學(xué)家當(dāng)然有自己的一份責(zé)任!我的建議是，當(dāng)前要集中力量研究和實驗，檢查有質(zhì)量的物質(zhì)粒子是否可能以超光速飛行?這是最重要的也是最基礎(chǔ)的工作，或許我們亦可以作出貢獻。

至于相對論，超光速研究當(dāng)然是對它的檢驗。理論從來都不是一成不變的，承認相對論需要改進也不算是難事吧?!我們從來不同意對某位科學(xué)家或某個理論作神化式宣傳，因為那對科學(xué)發(fā)展沒有好處?？傊?，來自四面八方的力量將推動相對論的改革和改進。聽說最近有理論家開始考慮“沒有了相對論該怎么辦?”這種思考在理論物理界是不尋常的，是值得歡迎的進步。

附注:11月20日路透社電訊說，CERN的另一個小組做了一個稱為ICARUS的實驗，檢測中微子束的能量，認為能量譜并無超光速的跡象。筆者認為OPERA實驗是直接測速，是ICARUS實驗無法相比的。如今美國Fermi 實驗室已表示要在明年初即拿出復(fù)核結(jié)果，我們可以稍作等待。

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1673-4793(2011)04-0080-05

2011-10-09

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

(責(zé)任編輯

:龍學(xué)鋒)