基本介紹
- 中文名：超光速粒子
- 外文名：Hyperluminal particle
- 分類：物理學
- 別稱：快子
歷史背景,論述歷程,最初認識,提出假說,疑似發現,再次論證,最終確認,
歷史背景
法國天文學家卡米伊·弗拉馬利翁曾寫過一本科學幻想小說，書中描述了一位以大於光速運動的主人翁在宇宙空間旅行，碰到了一系列不可思議的奇蹟：如發射的炮彈倒飛回炮口裡，死去的人又復活了等等。當時愛因斯坦對這本書極為不滿意，愛因斯坦認為有質量的物體不能夠被加速到光速。
論述歷程
最初認識
應該說在上世紀五、六十年代之前，就人們所認識的限度而言，愛因斯坦的觀點應該是正確的：超光速是不可能的。可在七十年代前後，射電天文學家卻發現，宇宙中有4個緻密的河外類星體射電源。河外射電星體有時會拋出一、兩對射電星雲——射電子源，這似乎是一次猛烈爆炸引起的，它們彼此高速分離，其中大約有半數出現超光速運動，甚至達到光速的5倍至10倍。但最近的一些研究表明，這些超光速運動現象只是“視超光速”想像，起因於類星體發出的與觀測者視線方向夾角很小的亞光速噴流，實際上並沒有超過光速。不過類星體的運動（紅移）確實存在超光速的可能，但類星體存在於遙遠的過去，它的運動已經要考慮空間結構的補償，由於不攜帶能量和信息，宇宙的膨脹是不受光速限制的。（相對論只限制質量和信息的傳遞）
中微子運動軌跡圖
中微子運動軌跡圖提出假說
這些難以解釋的現象有些使科學家們膽怯，生怕被不精確的測量所愚弄。可美國和西德的一些科學家經過十多年的認真觀測，積累了足夠多的數據，令人信服地證實他們的觀測是真實的。這就是說，超光速粒子在茫茫宇宙中是客觀存在的。面對這種出乎意料的結果，眾說紛紜，各種猜測，假說應運而生。1967年，美國哥倫比亞大學范伯格提出一種假設，即認為，在宇宙空間中存在另一個由速度超過光速的粒子（稱之為“快子”）組成的宇宙，在由這種由“快子”組成的宇宙空間中，一個能量為零的粒子是以無窮大速度運動的，而且若它們獲得的能量越多，反而運動速度越慢，直到獲得無窮大能量後，速度才減慢到光速。這正好與我們這個宇宙中的情況相反：在我們這個宇宙中，一個靜止物質能量最小，當它獲得能量後，就開始運動，而且獲得能量越多，運動速度就越快，直到獲得無窮大的能量後，物體速度也達到極限，即光速。在快宇宙中（由“快子”組成的宇宙），任何情況下，一個超光速粒子不可能比光速運動得慢，而在我們的慢宇宙中，任何情況下，一個物體不可能比光速運動得快，由此可見，光速正是兩個宇宙的分水嶺。如果一個“快子”在真空中運行，則它經過時必須要留下一道可以探測的光跡，雖然實驗室里還從來沒有發現過“快子”，但從數學公式的推算看，“快子”是可能存在的，所以科學家們都希望能快些捕捉到“快子”。當然，快子的存在從未有任何直接或間接證據。總之，超光速之謎是令人神往的。
疑似發現
2011年9月23日，在歐洲核子研究中心（CERN），科學家們發現了意料之外的現象：被送往732公里之外Gran Sasso實驗室的中微子們比光速快了60納秒到達。用更大的數字來表示，就是光速299,792,458m/s，而他們在實驗中檢測到中微子速度是299,799,953m/s。
突破光速不是兒戲，科學家們慎之又慎的反覆測驗。研究發言人Antonio Ereditato博士表示他們已經反覆檢驗過數據和設備，但就是無法發現有什麼錯誤，只好選擇將這一結果公開，期待得到更多研究機構的重複實驗和驗證，以其最終得知這究竟是不是一個事實。
儘管以一般的實驗準則來說，他們的數據早已足夠堅實。Antonio Ereditato博士說，為了檢驗μ中微子與τ中微子的轉換，他們在三年的時間中總共進行了一萬五千次中微子發射，而每一次的結果都指向同一事實：這些中微子，就是要比光速快。
愛因斯坦理論中最廣為人知的說法之一就是“光速無法超越”，這也確實是現代物理中最基本的基礎之一。
再次論證
據英國《每日郵報》網站2011年11月18日報導，歐洲核子研究中心的物理學家們日前再度推翻“光速最快”的說法，他們通過實驗反覆證明中微子的飛行速度的確可以超過光速，這很有可能會顛覆支撐現代物理學的愛因斯坦相對論。
愛因斯坦的狹義相對論認為，光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質可以超越光速。但歐洲核子研究中心的科學家們在2012年9月宣布，他們發現一些粒子，如中微子等可能以快於光速的速度飛行。當時，該中心發聲明稱，這個結果的潛在影響巨大，急需重複實驗及其他實驗室的獨立檢測。
在最近的實驗中，該中心與義大利格朗薩索國家地下實驗室進行了合作。研究人員們不但最佳化了最先的實驗方案，而且還利用新方案進行了多達20次的重複實驗，所得結果與先前的發現完全一致。
一些物理學家指出，一旦有些粒子確實被證實跑過了光速，那將徹底改變人類對整個宇宙存在的看法，甚至改變人類存在的模式。其中一種觀點認為，宇宙中可能還存在其他未知維度，中微子正是抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。
旅美物理學家張操在1986年就在國際會議中預言了中微子可能是一種超光速粒子。他指出：狹義相對論在一定範圍內是個正確的理論，可是不能把它的結論無限推廣。狹義相對論服從電磁相互作用的規律，沒有強有力的證據顯示狹義相對論也適用於其它二種基本相互作用（引力相互作用、弱相互作用）。沒有人測量過引力的速度；在弱相互作用中，中微子可能是一種超光速粒子。狹義相對論把光速規定為一切物質運動速度的極限，這種“一刀切”是不妥當的。
最終確認
位於義大利的大薩索山的一個叫做“伊卡洛斯”（ICARUS）的項目在2011年10月和11月間探測到了來自歐洲核子研究中心的中微子，而且精度更高。
諾貝爾物理獎獲得者、“伊卡洛斯”項目發言人卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）說：“我們的結果與愛因斯坦如果活著會給出的結果是一致的。”在他們的實驗中，中微子的速度與光速接近，但並沒有超過光速。
英國《自然》雜誌稱，“對於一些物理學家來說，新的測量對這件事起了一錘定音的作用。”但魯比亞仍然等待看到2012年春天包括“奧普拉”和“伊卡洛斯”在內的幾個項目所做的新的結果。這些項目中也包括另一個叫做“大體積探測器”（LVD）的中微子觀測站對來自歐洲核子研究中心的中微子所做的測速。
此前，在2月份時，《科學》雜誌曾爆料稱，來自歐洲核子研究中心的內部人士透露，中微子速度的誤差可能是由於連線GPS接收器和電腦之間的光纜鬆了造成的。歐洲核子研究中心隨後證實了這一說法，但同時表示還有另外一個因素，即用於將“奧普拉”的探測器時間與GPS進行同步的一個振盪器可能存在誤差。後者的誤差的效果是與前面那個因素恰恰相反的——它會造成中微子速度被低估。而科學家們暫時無法確定一個高估的因素和一個低估的因素究竟誰占了上風。定於2012年4月底進行的新的實驗將會以更高的精度來檢測這些因素所造成的效果。
2012年3月末物理學家們宣布，之前那項對愛因斯坦相對論的基礎——光速極限理論提出挑戰的實驗已經被確認存在錯誤。後續的驗證實驗已經證明，和所有其它事物一樣，中微子同樣遵循愛因斯坦指出的宇宙速度極限法則。
雖然這件事以愛因斯坦先生的定理獲勝告終，但這反映了人們挑戰光速的願望。可能還是牛頓的那句話：“真理就像大海一樣，但在我自己看來，我不過就象是一個在海邊玩耍的小孩，不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼，而對於展現在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發現。”
