吴岳良院士:研究超光速可能性要从本质入手

2011-10-17 11:03 来源: 中国科学院
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  诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚在不久前的诺贝尔北京论坛上评论说,中微子振荡实验(OPERA)很重要,令科学家意外发现了中微子可以超越光速,但他认为他们过早地发表了结果,应该进一步研究,考虑各种可能性,更加认真地对待。

  欧洲核子中心OPERA实验的研究人员自己也表示要继续研究系统误差,这个实验出现的反常很可能是系统误差引起的,不排除用系统误差进行解释。而我要讲的和强调的是:我们所有实验和理论研究都是朝着发现新现象和提出新理论,超越爱因斯坦和前人研究成果这个目标而努力的,爱因斯坦本身就超越了牛顿。我们知道,所有实验都是在一定条件下做的,当实验条件和环境等改变以后,物理现象也可能就会随之发生变化,这是科学家们在研究时的重要出发点和探索目标。

  众所周知,相对论和量子论是上世纪建立的两个奠基性理论。爱因斯坦的贡献除了狭义相对论外还有广义相对论。狭义相对论实际上是纯运动学的理论,广义相对论是动力学理论,回答粒子受力或物质之间有了相互作用以后是怎么加速运动或改变运动状态的。狭义相对论的运动学理论加上量子力学,成功地建立了量子场论,并由此描述所有三种基本相互作用(即电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用)而建立起粒子物理标准模型。参与电磁相互作用而稳定存在的粒子有光子、电子和夸克,只参加弱相互作用而稳定存在的粒子就是中微子,还有一个稳定存在的粒子是由参加强相互作用的夸克而形成的质子。需要一提的是狭义相对论中用到的洛伦兹变换,它本身是一个数学上的坐标变换,虽然其在爱因斯坦之前已经存在,但爱因斯坦的贡献在于解释洛伦兹变换所隐含的物理含义。

  爱因斯坦认识到洛伦兹变换不只是数学上的四维坐标变换,当把其中的一维作为时间,其变换就把时间与空间联系了起来,同时需引进一个对应于速度的物理量,而当把这个速度物理量看做是与坐标无关的不变常数时,时间与空间之间的变换关系就将被唯一确定下来,这时洛伦兹变换就成为一个更基本的时空变换,若要求物理规律在洛伦兹变换下不变,那么,洛伦兹变换意味着时空的基本对称性,这个对称性称为洛伦兹对称性,而不变的速度常数就是大家熟知的光速。由此,爱因斯坦超越了牛顿关于时间与空间无关的绝对时空观。实际上,空间本身的对称性我们早已熟悉,如空间的转动对称性,它导致角动量守恒。事实上,每一个对称性都与一个守恒律相联系,如时间平移不变性与能量守恒联系起来,空间平移不变性与动量守恒联系起来。而洛伦兹变换除了包括空间本身的转动对称性外,还反映了时间与空间之间的对称性。如在一参考系里同时发生而不在同一地点发生的事情,在另一以高速匀速运动的参考系里的观察者看来却不再是同时发生。这就是说,空间与时间之间实际是分不开的,它们是相互关联的。只有当洛伦兹变换的对称性受到破坏,才有可能发生超光速现象。而洛伦兹变换对称性和光速不变成立的条件,是在四维时空和没有相互作用的真空中,物质运动所遵循的规律。大家知道,光在介质中的速度与真空中的速度是不一样的,这是因为光与物质相互作用引起的。从目前认识到的相互作用和基本粒子,其相互作用都是由粒子的内禀规范对称性来支配,并以量子场论作为理论基础来描述,因此物理规律满足洛伦兹变换对称性,其理论预言是不会有超光速现象发生的。

  为此,若要研究超光速的可能性,就要从本质上来研究。由目前的相互作用和基本粒子建立的粒子物理标准模型无法解释中微子的超光速现象,那么有没有新的相互作用和新的物态,特别是与中微子之间而不是与其他物质的特殊相互作用,这是需要进一步研究的问题。同时,研究时空的洛伦兹变换对称性的破坏,必须与粒子之间相互作用的内禀对称性一起考虑,只有把它们联系在一起研究,对中微子是否可能有超光速现象的认识才会更深入。我们知道,在粒子物理标准模型中,中微子与带电轻子(电子为其中之一)一起构成一个新的内禀对称性,即所谓的同位旋对称性(类似质子与中子之间的对称性),这样自然就会提出一个新问题,为什么我们没有观察到其他轻子(电子)的超光速现象?这当然不再是一个能简单回答的问题。

  在这个意义上,实际上我们所有的研究一直是在挑战能不能超越爱因斯坦、超越现有理论。大家知道,有关暗能量的问题,今年的诺贝尔奖颁给了宇宙加速膨胀的发现,这表明宇宙中存在一种新的物态,这种可能的物态就是所谓的暗能量,它的存在本质上也表明了要超越爱因斯坦。因此,要超越爱因斯坦的狭义相对论,就必须研究超越狭义相对论成立的条件,如超越四维时空,重新认识真空以及引入新的特殊相互作用等,必须有突破性的新想法。