欧洲科学家的超光速实验和中国科学家的责任

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

欧洲科学家的超光速实验和中国科学家的责任

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

9月22日，一个科学新闻迅速传遍了全世界——著名科学刊物Nature在其网站上发表了由G.Brumfiel署名的报道说:“众多粒子打破了光速极限:中微子实验结果挑战现代物理学的基石”。文章说，一个以意大利人为主的科学团队用实验发现中微子能以超光速飞行，实验是在意大利叫做Gran Sasso的地方(意国家实验室所在地)，用OPERA进行的。中微子束来自欧洲核子研究中心(CERN)，发射地靠近瑞士日内瓦市，距Gran Sasso约730km。消息迅速传开，引起很大反响;英国每日电讯报9月22日在其网站中说:“科学界深受震动，Einstein的狭义相对论(SR)是最著名的公式，但昨夜显示它或许错了。这一结果让学者们极为震惊，有关方面请求美国和日本科学家予以核实”。在中国，专家学者们也发表了各种看法。OPERA团队一直表示愿意听取各种意见和批评，但他们的精确实验其结果也不是某人写篇文章或发表一些谈话就可以否定掉的。

超光速研究是严肃的科学研究，不是“八卦新闻”

超光速研究是由美国物理学家兴起的，时间是在上世纪 60年代(Bilaniuk等， 1962;Feinberg 1967)。虽然Einstein于1905年提出的狭义相对论(SR)断言超光速不可能，但人类一向希望挑战极限。并且科学无禁区，在其发展过程中并不承认有绝对的和永久的权威。美国哥伦比亚大学教授Feinberg用tachyon(快子)一词称呼超光速粒子，而在他的理论中，快子应具有虚数静止质量(m0=jμ，μ＞0)，如此则其存在不与SR相冲突。20世纪的最后十年，超光速实验先在波动力学和量子隧穿的领域内展开。1993年，美国Berkeley加州大学在一项光子隧穿实验中获得了v=1.7c，即光子可以用比光速c快70%的速度飞行。到了2000年，负相速实验和负群速实验相继成功，丰富了超光速研究的内容。2008年8月14日《Nature》发表了瑞士科学家用实验证明量子纠缠态的传播速度是超光速的(v=104c～107c)，大大扩展了人们的视野。上述这些著名论文都是发表在国际著名学术刊物(如 Nature，Physical Review，PRL)上。故有人散布“超光速研究是八卦新闻”的说法，如不是为了误导公众，那就是由于偏见和无知。

中国科学家参加超光速研究较早，这里举出一些例子。20世纪70年代射电天文学界发现了惊人的类星体(3c345、3c273、3c279等)超光速飞离现象，涉及速度8c、9.6c等。1979年张操教授提出了利用推广的Galilei变换(GGT)研究超光速问题的建议，发表在严肃的英国刊物Jour.Phys.A上。国防科技大学教授谭暑生的标准时空理论对亚光速运动和超光速运动作统一的描述，把超光速运动理性地放在一个适当的框架之中。北京师范大学教授曹盛林提出以Finsler几何为基础的时空不变量ds4代替SR中的ds2，可使超光速运动具有合理的物理实在性，使SR成为在亚光速仍然适用的理论。中国运载火箭技术研究院研究员林金在分析航天导航测量机制的基础上建立了时空理论的新概念，提出“虽然对应坐标时定义的速度不能超光速，但对应原时定义的运动真速度没有极限，而超光速运动对应负能量”;黄志洵于1991年指出在截止波导内的消失态(evanescent states)情况下可能出现负波速——负群速和负相速;又用量子力学方法分析波导，建立了量子势垒的等效电路模型，为在超光速实验中用截止波导作为量子隧穿中的势垒作了理论准备;2004年黄志洵对超光速作了分类——物质运动的速度、能量传送的速度、广义的信息速度，前者又区分为宏观物体速度、微观粒子速度、非实体物质(波动和脉冲)速度，只有在细分条件下超光速研究才是清晰的和有意义的。2003年黄志洵和逯贵祯教授在无线电波频率上用模拟光子晶体的同轴系统获得了阻带中的超光速群速(vg=1.5c～2.4c)，中国工程院院刊(《中国工程科学》)据此作了“我国首次超光速实验”的报道。另外，杨新铁(在2004年)、黄志洵(在2010年)都提出，应当借鉴人类突破声障(sonic barrier)的经验来突破光障(light barrier)，对现有加速器(都是亚光速加速器)进行改建，用符合超光速粒子动力学和能量关系的技术措施进行实验，期望发现以超光速运行的奇异电子(meta-electron)。著名加速器专家、中国科技大学教授裴元吉一直给予支持并已经开始理论计算的准备工作。值得注意的是，2004年宋健院士论述了超光速对未来人类宇宙航行的意义，指出SR所说“不能超光速”实际上是对设定范围(v=c)以外的推测或假说，并无实验根据;又指出从技术观点看光障(light barrier)，奇点的产生不是来自数学而是来自技术基础——SR是用光学或雷达往返信号时间间隔之半去测距，因而看不到运动速度等于c或大于c的目标;另外，从40年航天实践可以看出，即使在v≪c之时自主导航的实践与SR动力学也存在冲突;实际上，用SR公式去计算航天器飞行速度的本身就必须谨慎。以上超光速理论认识并不以“虚质量”作为超光速运动存在的前提。

关于中微子可能是超光速粒子，张操教授早在1985年参加国际会议时就提出了这一观点;认为在所有基本粒子中，中微子最接近具有快子的特性。后来，他与复旦大学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。类似地，中国科学院上海原子核所研究员艾小白导出了超光速粒子的2分量的Weyl方程。

可见，中国人的超光速研究在理论上并不落后。差劲的是实验，因为超光速属非共识研究，经常受某些主流科学家的挤压，甚至缺少话语权。做超光速研究的科学家，处境是艰难的;他们基本上得不到国家科学主管单位的研究经费支持。

OPERA实验的可信性

对一直在做超光速研究的科学家来讲，OPERA实验结果并不令人吃惊。现根据原文(研究论文已在预印本网站arXiv.org上发表)对实验情况有较准确的了解。先说明 OPERA的含意为:Oscillation Project with Emulsion Racking Apparatus，另一个词组CNGS的含意为:CERN Neutrino beam to Gran Sasso，而论文题目是“在CNGS束中用OPERA检测器测量中微子速度”。作者是来自意大利、俄罗斯、瑞士、法国、日本、韩国、德国等11国的科学家，其中包含一些小国如土耳其、以色列、保加利亚、克罗地亚。没有美国、中国的科学家参加。这些人来自大学或研究所，共174人成为论文作者，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团队有一位发言人是瑞士伯尔尼大学的A.Ereditato。论文的摘要说，在意大利的地下的Gran Sasso实验室，OPERA中微子实验已测量了在约730km的基线上，从CNGS束的中微子速度;与过去的加速器中微子研究相比其准确度更高。测量是基于在2009年、2010年和2011年期间OPERA采集到的统计数据。CNGS的专用高级计时系统和OPERA检测器与用于测量中微子在线的高精度大地测量相结合，允许达到可比较的系统和统计的准确度。μ子中微子相对于我们按照假定真空中光速的计算，提早到达的时间为［60.7±6.9(stat.)±7.4(sys.)］ns，这项反常相当于μ子中微子速度相对于光速的差值为(v-c)/c=［2.48±0.28(stat.)±0.30(sys.)］×10-5。(以上叙述中stat.代表统计误差，sys.代表系统误差)。

中微子速度的测量是由测定中微子束源与OPERA检测器之间的距离和飞行时间而实现的，依靠了高准确度的大地测量，在测定约730km基线时达到20cm精度，CNGS束是几乎纯vμ束，平均能量17Gev，采用CERN的SPS/CNGS计时系统，误差很小(10ns)，这是由一系列精确计量技术而做到的。数据分析建基于OPERA检测到的约16000次中微子事件的基础上，结果经反复核对，是在6个标准偏差(6σ)以内。

注意，全文未提及Einstein和狭义相对论。在论文结尾说:“We deliberately do not attempt any theoretical or phenomenological interpretation of the results”(“我们审慎地不对结果作任何理论上的或现象上的解释”)。

笔者认为OPERA实验可信，理由如下:①中微子的飞行速度过去就有三种推测(亚光速但非常接近光速、光速、超光速)，它以超光速飞行是可能的;②实验设施和技术的精确度高，处理数据量大，而且误差处理采用标准偏差6σ，是非常严谨的;③11国的170位专家合作研究，埋头工作三年，公布结果之前又反复检查，防止出现主观失误;④实验公布后出现了两方面的意见，支持和反对;迄今尚无站得住的反对理由，有的说法甚至不值一驳。既如此，我们有理由认为这是自有超光速研究以来的一次重大和重要的实验，具有里程碑式的意义。

但是有两个问题却必须说明;首先，有人老调重弹，说“超光速会破坏因果律”。笔者一向认为causality一词应译为因果性而不是因果律，因为它其实只是一种认知，而不是一条定律。而且人们对它的确切含义的理解，一般都是“原因先于结果”，而非更重要的内涵“果不能影响因”。我们知道SR是确定论的，即与传统的因果性一致，而Einstein自己也说过“要放弃完全的因果性我将非常难受”。但是量子力学(QM)的出现形成了对SR的真正挑战，因为微观粒子的运行总有无法消除的不确定性，不但有时会“果先于因”，甚至事件的发生可能没有原因。实际上，QM只符合统计意义上的因果性。当然，当飞船以超光速飞离地球，地面观测者会先收到后发出的光;这只是一种反时序现象，但时序并不等于因果性。认为事件中时序不可颠倒的观念早已落后于物理学实验的发展，例如负波速现象的实验、量子后选择实验等，都表明“果先于因”并非不可能。总之，用经典因果性否定超光速是错误的。所谓“因果律受破坏”只是一种表面现象——比声音快的超声速飞机存在时用声音观测，比光快的超光速粒子存在时用光观测，产生某些异常现象毫不奇怪。飞机以超声速飞行已是平常事，没人因为声音逆向而大叫“因果律被破坏了”，也没有人认为其声音“传到了过去”。

另一对欧洲OPERA实验的指责是“未考虑引力造成的时间延缓”。大家都知道，SR中所谓的时间膨胀(时间延缓)理论，意思是说运动钟比静止的相同的钟走的慢。引力影响钟慢程度，这也是相对论的意见，限于篇幅这里不展开讨论。早就有人指出把时间膨胀归结为测量效应正是相对论最迷惑人的地方;我在这里强调，用相对论的理论来抨击对相对论有威胁的实验，是自己证明自己，是不能允许的逻辑循环，因而是不成立的。

回到OPERA实验上来;OPERA团队发言人Ereditato博士说，他和同事们过去3年所做的实验显示，中微子的飞行速度似乎比光速快;“我们试图寻找所有可能的解释，想找到一个错误，不管是细致的、复杂的或是其他不良影响，但都没有找到;故只好说出来，让国际社会来仔细检验它”。又说:“我的梦想是另一个独立的实验也得出同样的结论”。他的话显示了科学家的真诚与坦率。9月27日，俄罗斯联合核研究所在莫斯科近郊的杜布纳召开会议，向百多位物理学家和新闻记者介绍情况。这是因为有20多位俄罗斯科学家参加了实验，负责分析OPERA装置获取的数据。名列论文作者名单中的Y.Gornushkin说:“实验结果对我们自己也很出乎意料，但我们找不到实验中的错误。”他指出，为了确保实验的高精确性，瑞士、德国的顶尖计量学专家获邀参加了研究。总之，他认为结果本身对物理学非常重要;如果不能找到检验结果或发现错误的新方案，那么也许可以在其他国家重做实验来确定结论，例如在美国的MINOS实验室和日本的神冈研究所。在 Gornushkin报告后，另一位科学家 E.Akyshev说，今后的实验可以尝试改变一些实验技术细节;但无论如何目前还无人能指出导致当前结果的错误。

所谓MINOS是美国Fermi国家物理实验室的一个国际合作项目，它在2007年曾尝试寻找超光速中微子，当时未得到有意义的数据。现在，似乎是寻找“上帝粒子”(Higgs粒子)不敌CERN，Fermi实验室将再次转向超光速研究。他们打算用新的GPS传感器、原子钟和探测器来记录中微子的到达时间，精度要达到2×10-9s，结果最早要到2014年才能得出。该实验室的科学家说:“如不了解中微子就无法了解粒子物理学”。

然而我也认为，还有很多问题没有弄清楚。例如，是否所有的不同类型的中微子都以超光速飞行?或者说这只是个别的现象?又如，整个团队未对中微子质量问题进行研究;论文也未讨论这个问题(论文只提到一次，意思是说中微子质量非常微小)。还有其他一些问题，相信会引起各国科学家的很大兴趣。

学习欧洲科学家的团队精神，开展有中国特色的超光速研究

欧洲人在这场科学探索中反映出来的团队合作精神令人惊叹!回过头来看我们自己，虽然过去有多位中国科学家对超光速问题进行了艰难探索，勇气可嘉;但都是各自为战，亦未能获得有组织的支持。2004年宋健院士、陈佳洱院士、王越院士领导召开了一次香山科学会议，中心议题是“宇宙科学前沿与光障问题”，到会的有50名科学家(内含院士9人)。那次会议很是鼓舞人心;后来的探索虽仍艰难，但没有人退却。这次的报道出来后，十几位科学家进行了讨论并写出了建议书，认为我们不可能也不必要跟在欧洲人后面走，也就是说目标不是重复OPERA实验。应当搞具有中国特色的、创新的超光速研究。要发扬团队精神，实现科学界的大合作。下面的观点是笔者个人的，但也反映了西北工业大学杨新铁教授的意见。

首先，所谓有中国特色的超光速研究，虽然既包含理论工作和实验工作，但重点应放在实验方面。这是因为中国科学家虽在时空理论、超光速问题理论分析方面已做了不少工作，但这些理论的本身也需要实验上的证明。具体的实验研究方向可分为两个——“物质粒子作超光速运动的可能性”和“真空中光速的不变性”;前者是直接的超光速研究，后者是检验SR第二公设但与超光速有关。就前一方面而言，我们甚至认为不必以中微子作为研究的主要对象。超光速研究的当前形势和关键是证实物质粒子飞行的速度也可以比光速快，证明了这点之后谈论“超光速宇宙飞船”才有意义。这个证明最好是用中性粒子，如中子或原子、分子;考虑到对中性粒子缺少加速的手段和方法，可以先对带电粒子(电子、质子)展开实验。鉴于目前全世界的加速器其实都是亚光速加速器，如想发现超光速飞行的奇异电子(meta-electron)就必须对现有的加速器进行改装，而且要借鉴航空器突破声障(sonic barrier)的成功经验，例如Laval管那样的经验。详细的分析和论述请见下述论文:黄志洵，超光速实验的一个新方案。前沿科学，第4卷第3期，2010年，41～62页。

众所周知和宇宙中共有4种物理相互作用，电磁作用仅是其中之一。就算光速是电磁作用的最高速度，它也不可能是其他作用的最高速度。早就有欧洲科学家算出引力作用速度是超光速(v≥109c);我们如能组织队伍测出引力速度，也是很好的课题(实际上是Nobel级的课题)。

超光速研究在当前和将来的意义

那么，究竟什么是超光速研究的意义?近期的研究主要是弄清客观规律——例如1992年 G..Nimtz领导的群速超光速实验;2000年K.Wynne领导的负相速实验，以及王力军领导的负群速实验;2008年N.Gisin领导的量子纠缠态超光速实验;等等，都是这个性质。它们都不可能造成某种直接的技术用途。如向远处看，考虑人类未来对宇宙的探索，那就不同了;超光速宇宙飞船如能成功，其意义就太大了!10月1日美国Yahoo网站报道说，一些太空专家在星际旅行研讨会上议论说，载人恒星之旅困难重重，这种旅行可能要跨越好几代人，而目前还不知道人类能否在太空微重力环境下繁衍后代。很明显，这些专家没有把未来飞船速度的极大提高考虑进去!让我们在这里回味作为航天专家的宋健院士于2004年所说的几句话:“飞出太阳系是人类的伟大理想。这关系到很多理论与技术问题，要逐步解决，科学界已开始考虑和工作。要进入银河系必须加大航行速度，直到接近光速，如果可能的话应超过光速”。这真是掷地有声的语言!谭暑生教授在其著作中写的一段话同样激动人心:“研究和掌握超光速运动的科学技术，是意义无与伦比的事业。只有这样人类才能摆脱自己的孤独和愚昧，与各外星文明联系起来，进入星际社会的新时代”。

那么，在未来人类是否有可能乘坐经过极为独特设计的超光速宇宙飞船，飞越苍穹穿过群星，向着太阳系外的广阔天地飞奔?科学家不是科幻小说作家，说话要有根据。我在2009年发表的文章［黄志洵，超光速宇宙航行的可能性，前沿科学，第3卷第3期，2009年，44～53页］作了虽初步但较详尽的分析，结论是“实现超光速宇宙航行非常困难，但并非毫无希望”。这是实事求是的估计，既回答了某些人的嘲笑又防止了不切实际和夸大其词。无论如何，航天专家有这样的梦想和希望是可以理解的;在百年前谁又曾想到人类可以在月球(甚至火星)上漫步?!对于未来的发展，让我们拭目以待。中国的人口约占全球人口的1/5，中国科学家当然有自己的一份责任!我的建议是，当前要集中力量研究和实验，检查有质量的物质粒子是否可能以超光速飞行?这是最重要的也是最基础的工作，或许我们亦可以作出贡献。

至于相对论，超光速研究当然是对它的检验。理论从来都不是一成不变的，承认相对论需要改进也不算是难事吧?!我们从来不同意对某位科学家或某个理论作神化式宣传，因为那对科学发展没有好处。总之，来自四面八方的力量将推动相对论的改革和改进。听说最近有理论家开始考虑“没有了相对论该怎么办?”这种思考在理论物理界是不寻常的，是值得欢迎的进步。

附注:11月20日路透社电讯说，CERN的另一个小组做了一个称为ICARUS的实验，检测中微子束的能量，认为能量谱并无超光速的迹象。笔者认为OPERA实验是直接测速，是ICARUS实验无法相比的。如今美国Fermi 实验室已表示要在明年初即拿出复核结果，我们可以稍作等待。

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1673-4793(2011)04-0080-05

2011-10-09

黄志洵(1936- )，男(汉族)，北京市人，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员.

(责任编辑

:龙学锋)