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欧洲科学家的超光速实验和中国科学家的责任 前半部分  

2011-10-17 12:19:00|  分类: 科学技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     黄志洵教授是我国著名的电子学家,中国传媒大学信息工教授,博士生导师,中国科学院电子学研究所客座研究员。关于超光速问题,他已做过多年研究,在国内外发表了多篇论文,科学出版社和国防工业出版社都曾出版他的专著。现在我们给大家介绍一篇他刚刚完成的文章,题目是欧洲科学家的超光速实验与中国科学家的责任,梅花独喜漫天雪,万花开时笑春风,欧洲中微子实验的结果将给科技前沿带来什么,春江水暖鸭先知,请大家阅读,以便了解最近动态。        西北工业大学 航空学院 杨新铁  

欧洲科学家的超光速实验和中国科学家的责任

黄志洵l

     一个科学新闻迅速传遍了全世界——著名科学刊物在其网站上发表了由署名的报道说:“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的地方(意国家实验室所在地),用进行的。中微子束来自欧洲核子研究中心(),发射地靠近瑞士日内瓦市,距约。……消息迅速传开,引起很大反响;英国每日电讯报在其网站中说:“科学界深受震动,的狭义相对论()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。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,时间是在上世纪年代(等,;)。虽然于年提出的狭义相对论()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用(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(=,),如此则其存在不与相冲突。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。年,美国加州大学在一项光子隧穿实验中获得了,即光子可以用比光速快的速度飞行。到了年,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。年月日《》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,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,)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。世纪年代射电天文学界发现了惊人的类星体(、、等)超光速飞离现象,涉及速度、等。年教授提出了利用推广的变换()研究超光速问题的建议,发表在严肃的英国刊物上。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。北京教授曹盛林提出以几何为基础的时空不变量代替中的,可使超光速运动具有合理的物理实在性,使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质量和负能量”;黄志洵于年指出在截止波导内的消失态()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;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。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(),中国工程院院刊(《中教授》)据此作了“我国首次超光速实验”的报道。另外,杨新铁(在年)、黄志洵(在年)都提出,应当借鉴人类突破声障()的经验来突破光障(),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,特别是教授一直在默默的按照此规律进行计算和设计探索,期望拿出实际可行的方案,发现以超光速运行的奇异电子()。值得注意的是,年宋健院士论述了超光速对未来人类宇宙航行的意义,指出所说“不能超光速”实际上是对设定范围()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(),奇点的产生不是来自数学而是来自技术基础——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或大于的目标;另外,从年航天实践可以看出,即使在之时自主导航的实践与动力学也存在冲突;实际上,用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,教授早在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型量子方程,是分量方程。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分量的方程。

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。

实验的可信性

对一直在做超光速研究的科学家来讲,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上发表)对实验情况有较准确的了解。先说明的含意为:,另一个词组的含意为:,而论文题目是“在束中用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,共人成为论文作者,署名次序是按英文字母排列,例如第位是,最后一位是。另外,团队有一位发言人是瑞士伯尔尼大学的。论文的摘要说,在意大利的地下的实验室,中微子实验已测量了在约的基线上,从束的中微子速度;与过去的加速器中微子研究相比其准确度更高。测量是基于在年、年和年期间采集到的统计数据。的专用高级计时系统和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。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±±,这项反常相当于介子中微子速度相对于光速的差值为±±×。(以上叙述中代表统计误差,代表系统误差)。

中微子速度的测量是由测定中微子束源与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,在测定约基线时达到精度,束是几乎纯束,平均能量,采用的计时系统,误差很小(),这是由一系列精确计量技术而做到的。数据分析基建于检测到的约次中微子事件的基础上,结果经反复核对,是在个标准偏差()以内。

注意,全文未提及和狭义相对论。在论文结尾说:“”(“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,是非常严谨的;③国的位专家合作研究,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”。我们知道是确定论的,即与传统的因果性一致,而自己也说过“要放弃完全的因果性我将非常难受”。但是量子力学()的出现形成了对的真正挑战,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,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”。

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