超光速粒子

超光速粒子

愛因斯坦于1905年發表狹義相對論
人們對于速度低于光速的物質粒子了解甚多,而對速度高于光速的物質粒子—-快子卻知之甚少。人們通過對狹義相對論的進一步研究發現,速度原本就超過光速的快子的存在并不違背狹義相對論,但到目前人們對快子的特性并不清楚,也不知道為什麼不能發現快子。[1]
  • 中文名:超光速粒子
  • 外文名:Hyperluminal particle
  • 類别:物理學
  • 主管部門:

簡介

愛因斯坦于1905年發表狹義相對論稱,在真空環境中,宇宙中沒有任何物質的運動速度可以超過光速。這已經成為人們理解宇宙和時間的理論依據,同時也是現代物理的理論基礎之一。

但是歐洲粒子物理研究所的研究人員于2011年9月宣布,他們發現了一種中微子,其速度達到了299798454米/秒,而光速僅有299792458米/秒。一旦得到驗證,這将是一次“革命性的發現”。

研究

文學中的超光速

法國天文學家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于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迹:如發射的炮彈倒飛回炮口裡,死去的人又複活了等等。當時愛因斯坦對這本書極為不滿意,愛因斯坦認為超光速的情況是不可能的。如果一個人以超光速運動,他将會返老還童,甚至返回到母腹子宮内,超光速完全是無稽之談。

宇宙中的超光速

愛因斯坦在相對論中提出,光速是宇宙中最高的速度,現代物理學裡很多内容都是建立在這個理論上。科學家在精确測量光速方面做了無數次的實驗,但還從未發現過任何微粒運動速度可以超過光速。

二十世紀五、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确的:超光速是不可能的。

科學家假想的超光速

二十世紀七十年代前後,射電天文學家發現,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抛出一、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。

這些難以解釋的現象有些使科學家們膽怯,生怕被不精确的測量所愚弄。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,衆說紛纭,各種猜測,假說應運而生。

近代超光速粒子理論首先由Bilaniuk等三位美國科學家在1962年提出。他們在《美國物理雜志》上發表論文建議:在狹義相對論的框架内可以允許超光速粒子,可是需要增加了一條新假設。後來有人把超光速粒子稱為快子(tachyon)。由于他們的新假設帶來了無限負能量的問題,所以這些研究沒有得到重視。

狹義相對論中的空間和時間坐标是洛倫茲變換。按照這個變換,一旦有超光速粒子,那麼在另一個運動參考系上觀察這個超光速粒子時,它的時間可能倒演。這是狹義相對論不允許超光速粒子的主要理由。

張操研究了另外一種空間和時間坐标變換“推廣的伽利略變換”,簡稱(GGT)。按照GGT,在不同的運動參考系,同時性是絕對的。也就是說,在不同的運動參考系,超光速粒子運動時間都是正向的。

推廣伽利略變換的時間相當于物理學中的格林威治時間。當采用這種時間定義時,具有二個明顯優點:其一,不會産生"時鐘佯謬"的邏輯矛盾;其二,當采用推廣的伽利略變換中的時間定義時,任何慣性參考系觀測到快子的運動,其時間箭頭都是正向的。這樣,就克服了超光速理論中時間倒演的困難。

最新發現

2011年9月,歐洲科學家科學家宣布發現一種運動速度比光速還快的亞原子微粒。如果這個結果得到證實,現代物理學的基石将被撼動。

科學家發現超光速粒子

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公裡之外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。

這一數值的實驗誤差是10納秒,換言之,基本上比光速快是沒錯的!雖然隻是0.0025%的區别,但這一挑戰狹義相對論光速不變原理基石的發現一旦得到證實,将會給物理學界帶來巨大的變化。

突破光速不是兒戲,科學家們慎之又慎的反複測驗。研究發言人Antonio Ereditato博士表示他們已經反複檢驗過數據和設備,但就是無法發現有什麼錯誤,隻好選擇将這一結果公開,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。

盡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”,這也确實是現代物理中最基本的基礎之一。然而,這次不知道愛氏理論是否仍然能夠堅而不破。

實驗

歐洲粒子物理研究所研究人員為了檢驗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。

日本的T2K研究組和美國芝加哥的MINOS研究室都已經受邀驗證這一實驗。其中MINOS實驗室曾在2007年宣布發現了超光速中微子,但直至現在仍未公布驗證結果。

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