挑战光速

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据媒体2011年9月和11月报道，意大利科学家在两次实验中都发现中微子束的速度比光速快。这个令人惊诧的实验结果如果得到验证，那么奠定爱因斯坦狭义相对论的基石——光速不变原理就垮塌了，现代物理学的根基也就没有了!那么，这个实验结果可信吗?超越光速意味着什么?光是什么?它有哪些奇妙之处?令人不可思议的极限速度——光速是如何测定的?本刊特别约请有关专家为读者释疑解惑。

1.惊世的实验

两次发现中微子束超光速，但这一结果尚待验证。

2011年9月，意大利格兰·萨索国家实验室“奥佩拉”项目组宣布，研究人员在接收730千米外的欧洲核子研究中心发射的中微子束时，发现中微子到达的时间比光子提前了60纳秒；2011年11月，“奥佩拉”项目组又宣布，在另一项实验中再次获得同样的结果。这是一个令人惊诧的实验结果，如果它最终得到验证，将表明中微子束的速度比光速还快，那么奠定劳伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论的基石——光速不变原理就垮塌了，现代物理学的根基也就没有了——这是多么可怕的事!

当代公认最伟大的科学家爱因斯坦在1905年发表了狭义相对论，10年后他又将广义相对论奉献给世人。这两篇具有划时代意义的著作，是现代物理学的理论根基，是人们理解空间与时间的理论依据。相对论对速度做出了最严格的限制，认为最快的速度是真空中的光速，没有任何速度能超越它，超越真空中光速的物质是不存在的。

如果真的有超光速物质存在，那就是对相对论的彻底颠覆，我们就可以在时空中任意穿越，“倒行逆施”，从今天走回过去，从未来走向今天，我们就可以“与500年后的人对话”。而人类的物理知识、认识标准将“升华”到—种全新的状态，穿越、平行空间、多维度、星球大战……这些科幻作品中的虚幻狂想，或许都将一一成为现实，而现在被实验证明正确的许多理论都将站不住脚，成为历史陈迹。

目前，科学家对“奥佩拉”实验结果采取审慎态度，大多数人坚信相对论是正确的，认为“奥佩拉”项目组仓促公布实验结果是不合时宜和令人匪夷所思的。更有人担心，如果真有超光速的中微子存在，那么将出现一系列令人惊讶不已的现象，“因果关系”就是一例。所谓“因果关系”，又叫“因果论”，是现代物理学的基本立足体系，也是一种重要的认识论。它认为，凡事总是先有“因”后有“果”，绝不会颠倒过来。夫妻结合才会生出儿子，这里夫妻结合是“因”，生出儿子是“果”。我们不能想象先有儿子，再有夫妻结合。也不能想象在战场上炮弹先在对方阵地上爆炸开来，然后才从我方阵地发射出去。显然，如果因果关系发生颠倒，—切都将陷入混乱。

但是，也有一些科学家力挺“奥佩拉”实验。他们说，“奥佩拉”实验由200多名出色的科学家历时三年才完成，实验结论是从15000个数据中精炼出来的，在对距离和时间的测量中都做到了慎之又慎(测量距离的精度在20厘米以内，测量时间的精度小于10纳秒)，一切可能的测量误差都已排除，经过反复推敲和验证，数据是可靠的。

当然，相对而言，“奥佩拉”实验中出错的概率肯定会比相对论大一些。另一方面，目前科学家对中微子的一些重要性质(如中微子质量)的认识还停留在简单的猜测阶段，还需要进行反复试验。所以，现在的问题不是全盘否定实验结果，而是验证它，看实验数据是否经得起推敲和检验。即使实验证明了“奥佩拉”项目组的结果正确，也并不意味着相对论就错了，而应该是对它的修改、补充和完善。所以，国际上一些知名的实验室，例如美国费米实验室的科学家们表示，将对“奥佩拉”实验结果进行核实。费米实验室曾在2007年做过同样的实验，得到过类似结论，但由于当时测量精度不够，所得结果目前还不能验证“奥佩拉”的数据是否正确。

2.光速万花筒

哥哥25岁，弟弟30岁，看似荒谬，也许并不荒谬。

光速是物理学中最重要的基本常数之一，通过对它的研究，人们逐渐认识了光的本质，认识了无线电波，认识了速度与现代物理学的关系。光速测定在光学发展史上起到了非常重要的作用，不仅推动了光学实验，也打破了光速无限的传统观念。

在物理学理论的发展里程中，光的粒子说和波动说争论不仅推动了光学的发展、电磁波理论的诞生，而且最终推动了爱因斯坦相对论的发展。但是，在超光速问题上科学家还没有得到有用的结论。

光速是一道槛

相对论认为，光速是速度上限，是一道不可逾越的“槛”。在平常生活中，这道“槛”可以不去管它，因为我们涉及到的速度都比较小，例如人步行速度约为每小时几千米，火车动车的运行速度是每小时300多千米，飞机飞行的速度快一点，也只有每小时1000千米左右。而光速是每秒大约30万千米，所以日常生活中遇到的速度同光速相比可以忽略不计。

通常情况下，我们应用牛顿力学就可以对很多问题进行研究。但是，在高速度问题上，牛顿力学是无能为力的，需要用到相对论。爱因斯坦在狭义相对论中运用光速不变原理和运动的相对性原理，得出两个著名结论，一个是运动物体上的尺子缩短，另一个是运动物体上的时钟变慢。正是这两条结论给物体运动速度设置了一道“槛”：任何物体的运动速度都不能超过光速，超过光速就会出现时间倒转。

这里说到了时间，那么时间是什么呢?时间看不见，摸不着，但确确实实存在，同我们每个人如影随形。科学家至今也说不清楚时间究竟是什么，但简单想来，时间最基本的属性是一河流淌的水，一往无前地向前流，从不回头。而人类的变化、事物的变化、社会的变化，人世间的每一件事，都由流逝的时间原原本本地“记录”在光线当中。当我们日后打开光线上尘封的“记录”时，历史的痕迹就按照时间顺序栩栩如生地再现出来。

为什么说超过光速就会出现时间倒转呢?如果我们能在超光速情况下“翻阅”那些“记录”在光线上的历史事件，我们的眼睛向后退的速度就会超过向前进的光速，在我们向后退的距离超过以光速向前进的距离后，出现在我们眼中的景物就会按照与时间相反的顺序，一幕一幕地往回“倒放”，从今天走向昨天，从现在走向过去，人类的变化、事物的变化、社会的变化的顺序都颠倒了，正的变成反的，反的变成正的，于是就出现了时间倒转。(请参见相关链接：《如果时间倒转》)

相对论速度

超光速被认为是不可能的，那么速度接近光速又会怎样呢?请看相对论中的“双生子佯谬”。它说的是一对兄弟，哥哥28岁，弟弟25岁。一天，哥哥登上宇宙飞船，以每秒29.4万千米的速度(光速的98％)飞行，弟弟则留在家里。一年后，哥哥结束太空飞行回到家中，见到弟弟时，发现弟弟苍老了许多。哥哥惊奇地问：“怎么啦?才一年时间，你变得这么多?”弟弟怪怪地反问：“才一年?你离家已经五年了!你离家时我25岁，今年我已经30岁了。”

哥哥离家才一年，弟弟却由25岁变成30岁，这是