超越了光速就能回到过去吗
核心提示
针对欧洲中微子实验出现的超光速现象，全球多个知名实验室都在积极筹备重复这一实验，以期验证前者的真实性。
如果中微子最终被证实是超光速粒子，那么是不是意味着爱因斯坦的相对论不再适用？或者需要做出相应的修正？进一步说，光速一旦被超越，人类对于“时光倒流”的梦想，是否终有一天能够成为现实？
把光速定为速度极限是不妥当的“一刀切”
辽宁日报：欧洲的中微子实验结果是中微子超光速，让人们把焦点再次集中到中微子身上，那么这个微小粒子有什么特性？
张操：1956年，李政道和杨振宁发现：在中微子参与的弱相互作用的所有实验中，宇称不守恒(即互为镜像的物质如粒子和反粒子的运动存在不对称)。这些创新理论很快得到实验证明，于是李政道和杨振宁在1957年获得诺贝尔物理学奖。
辽宁日报：您在上世纪80年代就提出“中微子可能是超光速粒子”的论断，是基于什么？
张操：为了解释著名的宇称不守恒的实验事实，我已经提出了二分量的中微子理论。中微子都是左旋的，而反中微子是右旋的，这意味着，在任意参考系的观测者的运动速度都小于中微子，否则，中微子的自旋方向会反向。也就是说，中微子必须是以光速或者超光速运动的粒子。这是我的一个重要证据。
辽宁日报：根据相对论，许多科学家认为真空光速c是不可超的：如果给粒子或宇宙飞船不断地供应能量，被加速物体的质量就会增大，使得加速变得更困难，要想把一个粒子加速到光速是不可能的，因为那需要无限大的能量。中微子如果超光速不符合这种情况吗？
张操：我认为中微子并不是通过加速产生的，它在相互作用中一旦产生就可能是超光速粒子。
辽宁日报：那么它的“质量”问题如何考虑，它也是有质量的，尽管微小？
张操：一般粒子如电子的静止质量就是其固有质量，但是中微子具有非常微小的固有质量，却不能称为静止质量，因为它是超光速运行的，它“静”不下来，而且由于太快了，其动量的平方大于能量的平方，这已被实验所测得。
辽宁日报：如果重复实验得到与9月份实验相同的结果，即中微子真的超光速运行了，爱因斯坦的相对论是不是不成立了？
张操：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，事实上，没有强有力的证据显示狭义相对论也适用于其它三种基本相互作用(引力相互作用、弱相互作用和强相互作用)。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。
光速一旦被超越狭义相对论就得修正
辽宁日报：对欧洲中微子实验的超光速的理论(模型)解释有哪些？
李学潜：有很多种猜测和理论文章。否定这个结果的如诺贝尔奖得主Glashow，他的论据是如果mu中微子是超光速到探测器，尽管它是中性的，也应该伴随有切伦科夫型的辐射，而未被看到；也有许多理论家接受超光速的结果并尝试着去解释它，相关文章有关于CPT破坏、洛伦兹结构破坏、快子(tachyon)理论、新量子效应、超维时空(即存在新的时空维度，如霍金等提出的膜宇宙)、时空分立(不连续)、黑洞、泡沫宇宙结构等，这种争论和研究是健康的，有益的，虽然它们极可能是错的，但会促进我们进一步研究，达到对自然界认识的新高度。
辽宁日报：这些理论本身目前并不完善？
李学潜：是的，这些理论本身还未被实验证明是正确的，所以也很难给中微子超光速这个结果以正确的解释。但如果某个理论得到了新实验的支持，成为新理论，那么它就是有可能成为和相对论、量子论那样划时代的成果，从而可以解释可能存在的中微子超光速。
辽宁日报：一旦测中微子速度的重复性实验证明中微子超光速，那么是否目前许多物理规律将面临“考验”？
李学潜：那样的话，很多基本的物理规律就要修改。首先就是狭义相对论的时间-空间，能量-动量的关系式，也就是说要把相对论所依据的时空坐标——洛伦兹变换作为更基本理论的低能近似，就像当年牛顿力学中的“伽利略变换”是相对论的低速近似一样。
辽宁日报：这是否就是我们对自然的一个科学探索过程、一个物理学发展的契机？
李学潜：物理学是人们对客观自然规律的认识，随着对自然界了解得更深入，我们在不断更新和深化理论。物理不像数学，它没有公理，我们对自然的所有理论都是近似的，是在不断完善的，但永远也达不到所谓的 “终极理论”。 20世纪和21世纪物理学的发展证明了这一朴素的真理。相对论和量子论诞生的历史表明，当我们认识到在一个违反我们已有的、而且几乎是金科玉律的观念的实验事实出现时，一个科学史上的革命可能开始了。另一方面，物理学归根结底是实验科学，我们一切理论是从实验观测开始，经过艰苦努力上升到理论，然而更重要的一步是要回到实验中去经受考验。如果，新理论的预言和新实验结果吻合，我们可以说这个理论可能是对的，但如果和观测数据相违背，那这个理论就一定不对，至少不完全对，需要抛弃或修正。对新的实验观测结果，我们要非常慎重，但另一方面也应该大胆些，勇于提出新的看法。如果一直畏缩不前，就可能丧失机会。这样的例子真是不胜枚举。
相对论可以被超越但“过去”仍然回不去
辽宁日报：如果中微子或有其他粒子超光速，狭义相对论将做哪些修正？
张操：以与我们最密切、也是相对论最核心的时间问题来说，在应用物理学以及日常生活中，人们对于相对时间早就采取了多种定义，例如当地太阳时、格林尼治时、天文时以及现代全球卫星定位系统 (GPS)中使用的全球同步时间等。狭义相对论为相对时间添加了一种新定义：时钟的速率与相对速度有关。这是爱因斯坦为物理学作出的贡献。可是，如果把狭义相对论的相对时间作为物理学的唯一的时间定义，那是一种偏见。
每一种时间的定义都有它的适用范围。例如，一位居家的农民，日出而作，日落而息，他只需要当地太阳时就足够了。可是，某一天他出国去欧洲旅行，一到欧洲，他发现他的手表上的时间与欧洲时间相差几个小时。这时，他需要知道格林尼治时间。近年来，GPS已在全世界广泛使用。GPS系统把各运动中的导航卫星上钟的时间都统一到地面静止钟时间，其使用的原子钟同步法并不等同于狭义相对论中约定的异地钟同步法。例如，由地球自转产生的Sagnac时间差效应是个很大的修正项。它既不是狭义相对论效应，也不是广义相对论效应。
辽宁日报：那么，应该采取怎样的时间坐标系？
张操：宇宙万物都在运动之中。作为与运动相关量的时间也在不停地流逝着，物理学时间的定义以及同步异地的时钟的方法也可以是多种的。时间(和空间)是比光速更为基本的物理量。世界上即使没有光线，也照样有时间的定义。时间的定义不应该局限于一种特定的物质运动，例如光的运动。
根据 “推广的伽利略变换(GGT)”这种空间和时间坐标变换，在不同的运动参考系，超光速粒子运动时间都是正向的。当存在超光速粒子时，其最低速度是光速，此时能量最大，而速度越高，能量相应越小。作为低能极限，相对性原理将有微小破坏。
所以，除了相对时间外，还应该存在一种“真实”的时间(TrueTime)。比如“推广伽利略变换”的时间，它对应于宇宙的格林尼治时间。当采用这种时间定义时，同时性是绝对的，其时间箭头都是正向的，所以出现超光速时，仅仅说明狭义相对论定义的相对时间不再有效，可是并不会破坏因果律。
可以说，在描述亚光速运动时，狭义相对论是一种很好的物理理论，而我们遇到的绝大多数物理学问题都是亚光速运动。仅当遇到超光速运动时，狭义相对论定义的时间失效，这时，我们需要推广伽利略变换的时间。
辽宁日报：如果证明光速可以超越，时间可以倒流吗？是否如一些人说的那些，“穿越”、“平行空间”、“多维度”等将出现？
张操：当采用“推广伽利略变换”的时间定义时，同时性是绝对的，超光速运动也不会引起时间的倒演。有些人借“超光速”宣传会产生可以在时空隧道中来回穿梭的“时间机器”，这种想法可以拍成有趣的科幻电影，有利于商业操作，可是，这不是科学，回到过去及造“时间机器”是不可能的。
辽宁日报：超光速中微子“现身”，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，对科学发展将产生怎样的影响、促进哪些进步？
张操：物理学家不需要人为地禁止超光速运动，恰恰相反，如果我们同意狭义相对论有一定的适用范围，这将帮助我们深入地研究量子现象以及物理学的新领域。 “超光速”为物理学提出了新的课题。实验上的进展和突破，不断地推动科学理论的跨越发展。相对论是可能超越的，例如，量子远程通讯。
辽宁日报：一旦实验出超光速，对地球、人类发展及生活有负面影响吗？
张操：没有负面影响，恰恰相反，会促进科学发展。
本报记者／刘洪宇
制图／董昌秋
专家档案
李学潜 南开大学物理科学学院教授，博士生导师。中国科技大学兼职教授，曾任中国高能物理学会常务理事。研究方向：高能物理唯象学、中微子物理、粒子物理宇宙学等。
张 操 1965年毕业于复旦大学核物理专业。先后在上海科技大学物理系、美国 Utah州立大学、美国Alabama大学任教和做研究工作。研究领域包括电动力学、相对论和引力理论的研究。在1985年的物理国际会议上，预言了中微子是超光速粒子。
