超越了光速就能回到過去嗎
核心提示
針對歐洲中微子實驗出現的超光速現像，全球多個知名實驗室都在積極籌備重復這一實驗，以期驗證前者的真實性。
如果中微子最終被證實是超光速粒子，那麼是不是意味著愛因斯坦的相對論不再適用？或者需要做出相應的修正？進一步說，光速一旦被超越，人類對於“時光倒流”的夢想，是否終有一天能夠成為現實？
把光速定為速度極限是不妥當的“一刀切”
遼寧日報：歐洲的中微子實驗結果是中微子超光速，讓人們把焦點再次集中到中微子身上，那麼這個微小粒子有什麼特性？
張操：1956年，李政道和楊振寧發現：在中微子參與的弱相互作用的所有實驗中，宇稱不守恆(即互為鏡像的物質如粒子和反粒子的運動存在不對稱)。這些創新理論很快得到實驗證明，於是李政道和楊振寧在1957年獲得諾貝爾物理學獎。
遼寧日報：您在上世紀80年代就提出“中微子可能是超光速粒子”的論斷，是基於什麼？
張操：為了解釋著名的宇稱不守恆的實驗事實，我已經提出了二分量的中微子理論。中微子都是左旋的，而反中微子是右旋的，這意味著，在任意參考系的觀測者的運動速度都小於中微子，否則，中微子的自旋方向會反向。也就是說，中微子必須是以光速或者超光速運動的粒子。這是我的一個重要證據。
遼寧日報：根據相對論，許多科學家認為真空光速c是不可超的：如果給粒子或宇宙飛船不斷地供應能量，被加速物體的質量就會增大，使得加速變得更困難，要想把一個粒子加速到光速是不可能的，因為那需要無限大的能量。中微子如果超光速不符合這種情況嗎？
張操：我認為中微子並不是通過加速產生的，它在相互作用中一旦產生就可能是超光速粒子。
遼寧日報：那麼它的“質量”問題如何考慮，它也是有質量的，盡管微小？
張操：一般粒子如電子的靜止質量就是其固有質量，但是中微子具有非常微小的固有質量，卻不能稱為靜止質量，因為它是超光速運行的，它“靜”不下來，而且由於太快了，其動量的平方大於能量的平方，這已被實驗所測得。
遼寧日報：如果重復實驗得到與9月份實驗相同的結果，即中微子真的超光速運行了，愛因斯坦的相對論是不是不成立了？
張操：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，事實上，沒有強有力的證據顯示狹義相對論也適用於其它三種基本相互作用(引力相互作用、弱相互作用和強相互作用)。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。
光速一旦被超越狹義相對論就得修正
遼寧日報：對歐洲中微子實驗的超光速的理論(模型)解釋有哪些？
李學潛：有很多種猜測和理論文章。否定這個結果的如諾貝爾獎得主Glashow，他的論據是如果mu中微子是超光速到探測器，盡管它是中性的，也應該伴隨有切倫科夫型的輻射，而未被看到；也有許多理論家接受超光速的結果並嘗試著去解釋它，相關文章有關於CPT破壞、洛倫茲結構破壞、快子(tachyon)理論、新量子效應、超維時空(即存在新的時空維度，如霍金等提出的膜宇宙)、時空分立(不連續)、黑洞、泡沫宇宙結構等，這種爭論和研究是健康的，有益的，雖然它們極可能是錯的，但會促進我們進一步研究，達到對自然界認識的新高度。
遼寧日報：這些理論本身目前並不完善？
李學潛：是的，這些理論本身還未被實驗證明是正確的，所以也很難給中微子超光速這個結果以正確的解釋。但如果某個理論得到了新實驗的支持，成為新理論，那麼它就是有可能成為和相對論、量子論那樣劃時代的成果，從而可以解釋可能存在的中微子超光速。
遼寧日報：一旦測中微子速度的重復性實驗證明中微子超光速，那麼是否目前許多物理規律將面臨“考驗”？
李學潛：那樣的話，很多基本的物理規律就要修改。首先就是狹義相對論的時間-空間，能量-動量的關系式，也就是說要把相對論所依據的時空坐標——洛倫茲變換作為更基本理論的低能近似，就像當年牛頓力學中的“伽利略變換”是相對論的低速近似一樣。
遼寧日報：這是否就是我們對自然的一個科學探索過程、一個物理學發展的契機？
李學潛：物理學是人們對客觀自然規律的認識，隨著對自然界了解得更深入，我們在不斷更新和深化理論。物理不像數學，它沒有公理，我們對自然的所有理論都是近似的，是在不斷完善的，但永遠也達不到所謂的“終極理論”。20世紀和21世紀物理學的發展證明了這一樸素的真理。相對論和量子論誕生的歷史表明，當我們認識到在一個違反我們已有的、而且幾乎是金科玉律的觀念的實驗事實出現時，一個科學史上的革命可能開始了。另一方面，物理學歸根結底是實驗科學，我們一切理論是從實驗觀測開始，經過艱苦努力上升到理論，然而更重要的一步是要回到實驗中去經受考驗。如果，新理論的預言和新實驗結果吻合，我們可以說這個理論可能是對的，但如果和觀測數據相違背，那這個理論就一定不對，至少不完全對，需要拋棄或修正。對新的實驗觀測結果，我們要非常慎重，但另一方面也應該大膽些，勇於提出新的看法。如果一直畏縮不前，就可能喪失機會。這樣的例子真是不勝枚舉。
相對論可以被超越但“過去”仍然回不去
遼寧日報：如果中微子或有其他粒子超光速，狹義相對論將做哪些修正？
張操：以與我們最密切、也是相對論最核心的時間問題來說，在應用物理學以及日常生活中，人們對於相對時間早就采取了多種定義，例如當地太陽時、格林尼治時、天文時以及現代全球衛星定位系統(GPS)中使用的全球同步時間等。狹義相對論為相對時間添加了一種新定義：時鐘的速率與相對速度有關。這是愛因斯坦為物理學作出的貢獻。可是，如果把狹義相對論的相對時間作為物理學的唯一的時間定義，那是一種偏見。
每一種時間的定義都有它的適用範圍。例如，一位居家的農民，日出而作，日落而息，他只需要當地太陽時就足夠了。可是，某一天他出國去歐洲旅行，一到歐洲，他發現他的手表上的時間與歐洲時間相差幾個小時。這時，他需要知道格林尼治時間。近年來，GPS已在全世界廣泛使用。GPS系統把各運動中的導航衛星上鐘的時間都統一到地面靜止鐘時間，其使用的原子鐘同步法並不等同於狹義相對論中約定的異地鐘同步法。例如，由地球自轉產生的Sagnac時間差效應是個很大的修正項。它既不是狹義相對論效應，也不是廣義相對論效應。
遼寧日報：那麼，應該采取怎樣的時間坐標系？
張操：宇宙萬物都在運動之中。作為與運動相關量的時間也在不停地流逝著，物理學時間的定義以及同步異地的時鐘的方法也可以是多種的。時間(和空間)是比光速更為基本的物理量。世界上即使沒有光線，也照樣有時間的定義。時間的定義不應該局限於一種特定的物質運動，例如光的運動。
根據“推廣的伽利略變換(GGT)”這種空間和時間坐標變換，在不同的運動參考系，超光速粒子運動時間都是正向的。當存在超光速粒子時，其最低速度是光速，此時能量最大，而速度越高，能量相應越校作為低能極限，相對性原理將有微小破壞。
所以，除了相對時間外，還應該存在一種“真實”的時間(TrueTime)。比如“推廣伽利略變換”的時間，它對應於宇宙的格林尼治時間。當采用這種時間定義時，同時性是絕對的，其時間箭頭都是正向的，所以出現超光速時，僅僅說明狹義相對論定義的相對時間不再有效，可是並不會破壞因果律。
可以說，在描述亞光速運動時，狹義相對論是一種很好的物理理論，而我們遇到的絕大多數物理學問題都是亞光速運動。僅當遇到超光速運動時，狹義相對論定義的時間失效，這時，我們需要推廣伽利略變換的時間。
遼寧日報：如果證明光速可以超越，時間可以倒流嗎？是否如一些人說的那些，“穿越”、“平行空間”、“多維度”等將出現？
張操：當采用“推廣伽利略變換”的時間定義時，同時性是絕對的，超光速運動也不會引起時間的倒演。有些人借“超光速”宣傳會產生可以在時空隧道中來回穿梭的“時間機器”，這種想法可以拍成有趣的科幻電影，有利於商業操作，可是，這不是科學，回到過去及造“時間機器”是不可能的。
遼寧日報：超光速中微子“現身”，一旦這些粒子確實被證實跑過了光速，對科學發展將產生怎樣的影響、促進哪些進步？
張操：物理學家不需要人為地禁止超光速運動，恰恰相反，如果我們同意狹義相對論有一定的適用範圍，這將幫助我們深入地研究量子現像以及物理學的新領域。“超光速”為物理學提出了新的課題。實驗上的進展和突破，不斷地推動科學理論的跨越發展。相對論是可能超越的，例如，量子遠程通訊。
遼寧日報：一旦實驗出超光速，對地球、人類發展及生活有負面影響嗎？
張操：沒有負面影響，恰恰相反，會促進科學發展。
本報記者／劉洪宇
制圖／董昌秋
專家檔案
李學潛 南開大學物理科學學院教授，博士生導師。中國科技大學兼職教授，曾任中國高能物理學會常務理事。研究方向：高能物理唯像學、中微子物理、粒子物理宇宙學等。
張 操1965年畢業於復旦大學核物理專業。先後在上海科技大學物理系、美國Utah州立大學、美國Alabama大學任教和做研究工作。研究領域包括電動力學、相對論和引力理論的研究。在1985年的物理國際會議上，預言了中微子是超光速粒子。