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快子理论简介

人们对于速度低于光速的物质粒子了解甚多，而对速度高于光速的物质粒子—-快子却知之甚少.人们通过对狭义相对论的进一步研究发现，速度原本就超过光速的快子的存在并不违背狭义相对论，但到目前人们对快子的特性并不清楚，也不知道为什么不能发现快子.法国天文学家卡米伊·弗拉马利翁曾写过一本科学幻想小说，书中描述了一位以大于光速运动的主人翁在宇宙空间旅行，碰到了一系列不可思议的奇迹：如发射的炮弹倒飞回炮口里，死去的人又复活了等等.当时爱因斯坦对这本书极为不满意，爱因斯坦认为有质量的物体不能够被加速到光速.最初认识应该说在上世纪五、六十年代之前，就人们所认识的限度而言，爱因斯坦的观点应该是正确的：超光速是不可能的.可在七十年代前后，射电天文学家却发现，宇宙中有4个致密的河外类星体射电源.河外射电星体有时会抛出一、两对射电星云——射电子源，这似乎是一次猛烈爆炸引起的，它们彼此高速分离，其中大约有半数出现超光速运动，甚至达到光速的5倍至10倍.但最近的一些研究表明，这些超光速运动现象只是“视超光速”想象，起因于类星体发出的与观测者视线方向夹角很小的亚光速喷流，实际上并没有超过光速.不过类星体的运动（红移）确实存在超光速的可能，但类星体存在于遥远的过去，它的运动已经要考虑空间结构的补偿，由于不携带能量和信息，宇宙的膨胀是不受光速限制的.（相对论只限制质量和信息的传递）这些难以解释的现象有些使科学家们胆怯，生怕被不精确的测量所愚弄.可美国和西德的一些科学家经过十多年的认真观测，积累了足够多的数据，令人信服地证实他们的观测是真实的.这就是说，超光速粒子在茫茫宇宙中是客观存在的.面对这种出乎意料的结果，众说纷纭，各种猜测，假说应运而生.1967年，美国哥伦比亚大学范伯格提出一种假设，即认为，在宇宙空间中存在另一个由速度超过光速的粒子（称之为“快子”）组成的宇宙，在由这种由“快子”组成的宇宙空间中，一个能量为零的粒子是以无穷大速度运动的，而且若它们获得的能量越多，反而运动速度越慢，直到获得无穷大能量后，速度才减慢到光速.这正好与我们这个宇宙中的情况相反：在我们这个宇宙中，一个静止物质能量最小，当它获得能量后，就开始运动，而且获得能量越多，运动速度就越快，直到获得无穷大的能量后，物体速度也达到极限，即光速.在快宇宙中（由“快子”组成的宇宙），任何情况下，一个超光速粒子不可能比光速运动得慢，而在我们的慢宇宙中，任何情况下，一个物体不可能比光速运动得快，由此可见，光速正是两个宇宙的分水岭.如果一个“快子”在真空中运行，则它经过时必须要留下一道可以探测的光迹，虽然实验室里还从来没有发现过“快子”，但从数学公式的推算看，“快子”是可能存在的，所以科学家们都希望能快些捕捉到“快子”.当然，快子的存在从未有任何直接或间接证据.总之，超光速之谜是令人神往的.

2011年9月23日，在欧洲核子研究中心（CERN），科学家们发现了意料之外的现象：被送往732公里之外GranSasso实验室的中微子们比光速快了60纳秒到达.用更大的数字来表示，就是光速299,792,458m/s，而他们在实验中检测到中微子速度是299,799,953m/s.这一数值的实验误差是10纳秒，换言之，基本上比光速快是没错的！虽然只是0.0025%的区别，但这一挑战狭义相对论光速不变原理基石的发现一旦得到证实，将会给物理学界带来巨大的变化.突破光速不是儿戏，科学家们慎之又慎的反复测验.研究发言人AntonioEreditato博士表示他们已经反复检验过数据和设备，但就是无法发现有什么错误，只好选择将这一结果公开，期待得到更多研究机构的重复实验和验证，以其最终得知这究竟是不是一个事实.

尽管以一般的实验准则来说，他们的数据早已足够坚实.AntonioEreditato博士说，为了检验μ中微子与τ中微子的转换，他们在三年的时间中总共进行了一万五千次中微子发射，而每一次的结果都指向同一事实：这些中微子，就是要比光速快.爱因斯坦理论中最广为人知的说法之一就是“光速无法超越”，这也确实是现代物理中最基本的基础之一.

据英国《每日邮报》网站2011年11月18日报道，欧洲核子研究中心的物理学家们日前再度推翻“光速最快”的说法，他们通过实验反复证明中微子的飞行速度的确可以超过光速，这很有可能会颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论.

爱因斯坦的狭义相对论认为，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速.但欧洲核子研究中心的科学家们在2012年9月宣布，他们发现一些粒子，如中微子等可能以快于光速的速度飞行.当时，该中心发声明称，这个结果的潜在影响巨大，急需重复实验及其他实验室的独立检测.在最近的实验中，该中心与意大利格朗萨索国家地下实验室进行了合作.研究人员们不但优化了最先的实验方案，而且还利用新方案进行了多达20次的重复实验，所得结果与先前的发现完全一致.

一些物理学家指出，一旦有些粒子确实被证实跑过了光速，那将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式.其中一种观点认为，宇宙中可能还存在其他未知维度，中微子正是抄了其他维度的“近路”，才“跑”得比光快.旅美物理学家张操在1986年就在国际会议中预言了中微子可能是一种超光速粒子.他指出：狭义相对论在一定范围内是个正确的理论，可是不能把它的结论无限推广.狭义相对论服从电磁相互作用的规律，没有强有力的证据显示狭义相对论也适用于其它二种基本相互作用（引力相互作用、弱相互作用）.没有人测量过引力的速度；在弱相互作用中，中微子可能是一种超光速粒子.狭义相对论把光速规定为一切物质运动速度的极限，这种“一刀切”是不妥当的.最终确认位于意大利的大萨索山的一个叫做“伊卡洛斯”（ICARUS）的项目在2011年10月和11月间探测到了来自欧洲核子研究中心的中微子，而且精度更高.诺贝尔物理奖获得者、“伊卡洛斯”项目发言人卡罗·鲁比亚（CarloRubbia）说：“我们的结果与爱因斯坦如果活着会给出的结果是一致的.”在他们的实验中，中微子的速度与光速接近，但并没有超过光速.英国《自然》杂志称，“对于一些物理学家来说，新的测量对这件事起了一锤定音的作用.”但鲁比亚仍然等待看到2012年春天包括“奥普拉”和“伊卡洛斯”在内的几个项目所做的新的结果.这些项目中也包括另一个叫做“大体积探测器”（LVD）的中微子观测站对来自欧洲核子研究中心的中微子所做的测速.

此前，在2月份时，《科学》杂志曾爆料称，来自欧洲核子研究中心的内部人士透露，中微子速度的误差可能是由于连接GPS接收器和电脑之间的光缆松了造成的.欧洲核子研究中心随后证实了这一说法，但同时表示还有另外一个因素，即用于将“奥普拉”的探测器时间与GPS进行同步的一个振荡器可能存在误差.后者的误差的效果是与前面那个因素恰恰相反的——它会造成中微子速度被低估.而科学家们暂时无法确定一个高估的因素和一个低估的因素究竟谁占了上风.定于2012年4月底进行的新的实验将会以更高的精度来检测这些因素所造成的效果.

2012年3月末物理学家们宣布，之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误.后续的验证实验已经证明，和所有其它事物一样，中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则.虽然这件事以爱因斯坦先生的定理获胜告终，但这反映了人们挑战光速的愿望.可能还是牛顿的那句话：“真理就像大海一样，但在我自己看来，我不过就象是一个在海边玩耍的小孩，不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现.”费因伯格和苏达山（上世纪中叶物理学家）认为：狭义相对论并不排斥超光速，只是暗示假如真的存在超光速粒子，那么这种粒子将碰到另一种“光障”——速度永远也不能小于或等于光速.而且这些粒子的行为一定很怪异，如：失去能量时速度会变得更快，当能量接近于零时，速度将会变得无限大，他们称这种粒子为“快子’.

超光速理论工作一般从狭义相对论出发，将其推广，求得既适合于慢子(低于光速的粒子)和光子，又适合于快子的相对论理论.据理论上的推测，快子具有奇异的物理性质.它的质量是虚数，它的速度将随能量的耗散而无限增加，当它的能量趋于零时，则速度趋于无穷大.快子一旦产生，就具有大于光速的速度.要使它的速度减小，必须供给它能量.如要减小到光速，则必须供给它无限大的能量才行，因此其速度不可能减小到光速或低于光速.快子的负能问题是一个复杂的问题.由于负能量的出现，将意味着任何一个物理系统，因为可能无限地释放快子而处于不稳定状态，系统将无限地增加自己的能量，从而导致永动机的出现.而且，更为使人惊异的是，即使无限地产生快子对，也不会破坏能量动量守恒定律，同时也不会改变真空中的总能量.另外，根据洛伦兹变换，快子从一个坐标系转换到另一个坐标系的过程中，可能改变时间的顺序，即时间倒流.这样一来，也许就要出现像打油诗“年青女郎名葆蕾，神行有术光难追，快子理论来指点，今日出游昨夜归”所描绘的“奇迹”.这两个困难问题虽然可以借助二次说明原理(即应该将一个具有负能量的粒子看作是先被吸收，然后再发射，这样一来，负能量与时间倒流和正能量与时间顺流的物理意义完全一样，因而变换坐标系后物理定律依然不变)来解释，但它并没有解决不变的因果律的问题.另外，快子有可能以无限大的速度传播，因而假若存在着快子，就可能瞬时传递作用信息，似乎又可能回到“超距作用”论的概念上去.不过，近10多年来，虽说在理论方面和实验方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破.要使快子理论与现代物理学理论协调起来，还需要克服相当多的困难.不过，这却有可能迫使人们跳出目前的理论框架，克服早已习惯了的观念，从而产生巨大而深远的影响.