超光速佯谬和中微子

爱因斯坦的狭义相对论和因果原理意味着任何运动物体的速度不能超过光在真空中的速度。然而，有许多讨论超光速运动粒子的尝试，这些讨论或者是在狭义相对论的框架下进行的，或者是超越了狭义相对论。这些讨论都遇到一系列难以克服的困难，即“超光速佯谬”。文中详细分析了这种佯谬，并证明它在与狭义相对论兼容的量子理论中显然是不出现的。在实在世界中，中微子最可能是一种超光速粒子。     

借助于超光速通信，给3年前的自己发送邮件

<正>光在真空中的传播速度（光速）非常快,每秒大约30万千米。那么,如果超过光速的速度,即“超光速”得以实现的话,会发生什么呢？理论上可能存在始终以超光速运动的粒子想必很多人都知道“任何物体的运动速度都不可能超过光速”这一定律吧。这是从阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955）创建的狭义相对论推导出的结论。根据狭义相对论,使某个物体加速时,随着其速度接近光速,其再加速时需要巨大的能量。要想将普通物体加速到超过光速,     

光速极限问题的讨论

狭义相对论指出,真空中的光速C是一切物质运动和信号传播速度的极限速度。这一重要结论很容易被误解为光速C(以下光速均指真空中的光速)是一切速度的极限,即任何速度都不能超过光速。本文通过几种物理现象,说明在物理学中不难找到超光速的例子,以求加深对光速极限问题的认识和理解。     

论1987年超新星爆发后续现象的不同解释

1987年2月23日发生了超新星爆发,在1987A超新星的第一批光子抵达前7.7h,意大利布朗峰下的探测器检测到第1批中微子到达,包含5个事件。而在第1批光子抵达前3h,第2批中微子抵达,日本神岗Ⅱ的探测器收到11个,美国Ohio州的IMB探测器收到8个,前苏联Baksan的探测器收到5个。这怎么会发生,一直没有得到合理的解释。本文认为有3种可能:1光子速度为光速c,中微子速度是超光速;2中微子速度为c,光子速度为亚光速;3中微子速度为超光速,光子速度为亚光速。从最近的研究来分析,可能发生了情况3。本文先论述引力势造成的光速值修正,包含两个理论——Einstein的(1911年)和Franson的(2014年)。这些理论都预期引力势使光速减小,从而使光速c成为不恒定的常数;而这就损害了狭义相对论的基础。Franson考虑了量子力学的Hamilton量中引入有质量粒子的引力势能所带来的影响,并依靠了Schr?dinger方程这样的非相对论性理论;所得结果基本上与超新星SN1987A的观测相符。回顾2011年9月22日公布的在意大利进行的中微子超光速实验,即使它的结果错了,也不能完全抹杀OPERA实验的意义。其时中微子速度由飞行距离与飞行时间之比确定,这是Newton力学的方式。OPERA研究人员对CERN与探测器间约730km距离的测量精度达20cm,而相应时差的测量精度达10ns。因此,确定中微子速度的最佳方法仍应像OPERA实验那样去测量距离和时间。别的研究方法,例如以“虚数静止质量”概念为基础的方法,由于物理意义不明又不能直接测量,在科学上没有多少价值。     

自由电子激光的“碰撞”模拟

本文利用快速运动电荷的电磁场与速度接近于光速的平面电磁波场的相似,描述了反向康曾顿散射的特性,提出了一个基本的理论计算,导出了一个结果,其中出现了4Υ~2的光子能量增益因子,并对4Υ~2因子进行物理解释,它是由于多普勒加速而产生的。在自由电子激光中,输出能量是通过相对论性电子与光子的“碰撞”而提取的。     

电磁波波速和超光速现象的研究

本文简要回顾了从本世纪初到最近的九十年间关于电磁波波速和光速问题的研究进展。指出：近年来有关“微波可以用超过真空中光速ｃ的速度运动”的报导，必须放在数学的、物理的背景中，与量子隧道效应、光子性质联系起来考察和研究。     

光电效应与康普顿效应的异同

光电效应和康普顿效应是光的粒子性最好证明。在两种现象中都包含了光子和运动速度远小于光速的电子的相互作用。光子能量和电子所受束缚能量相差不大时,主要是出现光电效应;光子能量大大超过电子所受的束缚能量时,主要出现的是康普顿效应。     

使自由空间中光速变慢的研究进展

1905年Einstein发表了著名的狭义相对论( SR)文章,其中说光在真空中总以不变的速度传播。然而这个光速不变性原理一直缺乏可靠的实验证明,近年来的一些研究成果倒像是证伪了这一原理。例如,美国Maryland大学的物理学家James Franson于2014年6月发表论文引起物理界的广泛关注,文章宣称已可证明光速比过去所认为的值要慢。他的论据来源于对1987年超新星SN1987A的观测,当时在地球上检测到由爆发而来的光子和中微子,而光子比中微子晚到4.7h,过去对此现象人们只作了模糊的解释。 Franson认为这可能是由光子的真空极化造成的———光子分开为一个正电子和一个电子,在很短时间内又重组为光子。在引力势作用下,重组时粒子能量有微小改变,使速度变慢。粒子在飞经168000光年的过程中(从SN1987A到地球),这种不断发生的分合将造成光子晚到4.7h。另一个例子是,2015年1月英国Glasgow大学的Padgett研究组做到了使光的运行比真空中光速( c)要慢。他们使光子经过一个专用的散射结构物,波形被改变,从而速度变慢。令人惊奇的是,光子出来后(即回到自由空间)仍以减慢了的速度行进。Franson理论和Padgett小组实验损坏了真空中光速的恒值性,使c成为“不恒定的常数”,或“不常的常数”。这种情况妨害了SR理论及现行米定义的理论基础。另外,本文比较了1993年的SKC实验和2015年的空间结构化光子实验,前者以量子隧穿和消失波为基础,后者则改变光束的横向空间结构。二者都使用相关光子对,结果都显示光子群速的变化。如今或许可以终结关于光速不变原理的讨论。……在现代物理学中波粒二象性仍是难题,但新近研究对此有新的理解,与互补原理不同;故更宜于用波理论解释粒子实验。在Padgett小组实验中,无论Bessel波束或Gauss波束光子群速均减小,表现为在1m的实验距离上迟到若干微米。……最后,本文指出近年来的光速研究为波科学带来丰富体验,为理论思维造成新机会。     

论有质粒子作超光速运动的可能性

狭义相对论( SR)中运动的有质粒子的长度( l)、质量( m)、能量( E或W)随速度v变化。当v增大,l减小而m和E加大。如果v=c,运动粒子的质量、能量成为无限大。故Einstein断言讨论超越光速c是无意义的。然而在实际上从未发现过物体长度随速度增加而减小。对质量而言,Newton力学中质量与速度无关;质量随速度变来自1904年的Lorentz公式m = m01- vc 2[()]-1/2,即使它适用于电子也不能像SR那样推广于一切动体,实际上缺少“Lorentz质速公式适用于中性粒子和中性物体”的实验。故所谓“光障”不一定真的存在。
　　电子并不是一个普通的动体,而是特殊的带有电荷的动体。故即使v=c,能量也不是无限大。另外,还可证明当速度v增大时动体荷电量q和受力F都减小。这就很好的解释了1901年的Kaufmann实验。类似地,分析表明1964年的Bertozi实验也不能证明光速c不可超越。
　　本文把今日的“光障”问题与过去的“声障”问题作了比较,认为可压缩流体力学可用在超光速研究中,空气动力学发展对突破光障有参考作用。在超声速飞机问世前,当飞机速度接近声速将形成气体超大密度的激波,飞机将无法穿越它。但深入的理论分析和风洞实验使科学家获悉,即使v=c(在这里c为声速),密度仅增大6倍,不是无限大;故工程师开始设计和建造超声速飞机。1947年10月14日美国空军完成了人类首次超声速飞行。……我们相信对所谓光障也会是同样的情况。
　　由于量子力学中的波粒二象性,科学家可按两条路径(粒子或波)展开研究。过去认为微观客体会呈现为粒子或波,但不会同时体现这两者。然而最新的研究却证明可在实验中又是粒子又是波。本文建议设计针对物质波的实验。由于现时有大量的群速超光速实验已获成功,可以期待超光速有质粒子(电子或质子)的存在和发现。……总之,结论是有质粒子可以作超光速运动,但有待将来的直接实验证明。     

光子的质量与真空中光速的色散

若光子是有质量的重光子，它的频率有一确定的最小值，光速则有一个确定的下限，仅低于极限速度 约10 % .与介质中光速的色散不同，由光子质量引起的色散几乎全部集中发生在最小频率附近狭窄的频率范围内，高于长波无线电频率的电磁波的速度都是饱和的，即等于极限速度 .因此，光速等于常数 的测量结果以及康普顿散射实验，都不表明光子的质量必然为零.静电场的传播速度应该等于光速的下限，后者则是光速色散的标志，所以，测量静电场的传播速度等同于观察光速的色散，从而有助于判断光子是否有质量     

光子的质量与静电场中的慢光子

先前的研究已经说明,根据至今在高频率范围内对光速的测量结果,既不能证明真空中光速没有色散,也不能够对光子有质量与否做出判断,因为光子质量引起光速的色散只会集中地发生在频率逼近于零的长波光子辐射的小频率范围之内.所以,为寻找光子质量引起的光速色散,本文关注于静电场的研究.按照波粒二象性,必须放弃"静电场的频率等于零"的观念;静电场应被视为长波光子的辐射场.由光子质量引起的光速色散就发生在静电场的小频率范围内,静电场的传播速度就是频率最低端的光速.计算表明,若光子有质量,则静电场中存在着可观数量的慢光子,它们的速度与极限速度c相比大约低3%到10%.为证明光子质量引起光速的色散,应该测量并分解静电场的传播速度.     

光脉冲在含色散缺陷-维光子晶体中的传播

应用传输矩阵方法推导了光脉冲在-维光子晶体中的动力演化．若在结构中引入非色散的缺陷时,超光速传播将变成慢光速;若引入含二能级原子色散缺陷时,慢光速又将变成超光速．最后指出,尽管群速度比真空中光速c大,甚至为负,但能量传播速度一定不会超过光速c,光脉冲在光子晶体中的此种现象是布喇格反射波相干叠加的结果．     

光脉冲在含色散缺陷一维光子晶体中的传播

应用传输矩阵方法推导了光脉冲在一维光子晶体中的动力演化.若在结构中引入非色散的缺陷时,超光速传播将变成慢光速;若引入含二能级原子色散缺陷时,慢光速又将变成超光速.最后指出,尽管群速度比真空中光速c大,甚至为负,但能量传播速度一定不会超过光速c,光脉冲在光子晶体中的此种现象是布喇格反射波相干叠加的结果.     

一个容易使学生误解的结论

在中师物理学(94年第一版)教材第二册第11页中,对电荷在电场中运动时电场力做功与电势能的变化进行分析后做出了这样一个结论:“正电荷顺着电场方向移动时,是电场力做功,它的电势能减少;逆着电场线方向移动时,是外力克服电场力做功,它的电势能增加。负电荷的情况,同学们可以自己去讨论。” 教材中如此表述是不严密的,很容易使学生对电场力做功的情况产生以下一些误解: 其一,无论电场力做正功还是负功,只要电场力做功,电荷的电势能就减少; 其二,只有当正电荷在电场中顺着场强方向运动时,电场力才对电荷做功,而逆着场强方     

二参量描述的超光速中微子述的超光速中微子

根据中微子质量平方是负值的实验数据，提出了一个关于超光速中微子的量子理论，用一个和最大宇称破坏相关的质量项将两个Weyl方程耦合在一起，得到一个描述具有永久螺旋度且超光速运动的中微子的新方程，超光速粒子的速度在（0，∞）范围内变化，其内部上干迭加的两个矛盾场的相对变化导致亚光速粒子和超光速粒子的各种奇异特性，这个理论和狭义相对论是兼容的，因而可以有多方面的应用。     

电荷的运动速度与位移电流的分布

应用狭义相对论理论研究了电荷运动时，随着速度的变化在空间激发的变化电场导致的位移电流的分布．当电荷的运动速度远小于光速时，空间任意点的位移电流密度矢量的大小与位置矢量r有关，且方向与电场的方向不平行；当电荷的运动速度与光速接近时，在垂直于运动平面内，位移电流密度矢量方向与速度方向相反．大小趋于无穷大，而空间其他点的位移电流密度矢量趋于零．     

光子是什么

通常认为光子是电磁场量子,亦即电磁场经量子场处理后形成的方程可以描写光子。然而在物理思维上存在困难,例如很难了解光子物理形象的动力学。非相对论量子力学(例如Schr?dinger方程)决定,用波函数Ψ(x)描述的电子定位是在空间中的几率性分布;但与此相反,光子是不可定位的。由于在数学上不能使用满足Einstein狭义相对论的定位几率分布来建立连续性方程,因而无法对光子流建立连续性方程。正如大家所知,对量子粒子(如电子)是用波函数表达其空间定位性质,但光子是非局域粒子的事实造成我们无法为光子定义一个自洽的波函数,虽然在Weisskopf-Wigner模型理论框架内可以建立光子波函数的操作性定义。总之,不能为光子写出波方程。必须强调指出,光子不是一个刚性球,永远无法给出其尺寸和体积。光子的理论分析以广义Maxwell方程组和量子理论为基础,后者是指量子力学(QM)和量子电动力学(QED)。Schr?dinger方程(SE)非常适用于光纤的分析,这个事实证明QM对解释光子有用。然而,必须指出光子形象仍然模糊不清。光波并不完全等同于传统电磁波,因为光子是微观粒子,波特性遵从统计规律,波函数表达几率波模式。然而现时却缺少光子几率波的方程。本文将1936年发现的Proca方程组称为广义Maxwell方程组或修正的Maxwell方程组,在光子有静止质量时应由Proca方程组取代Maxwell方程组。这时,磁矢势A成为可观测量。人们已用许多方法进行了光子静质量测量,可以相信光子也是一种有质(量)粒子。在这种情况下,我们发现即使在自由空间(真空)条件下电磁波也可能作超光速传播。而按照Proca理论,将给光子带来几率波特性,但却仍然保持光子与电磁波之间的传统关系(光子仍是电磁波的量子)。……本文的结论是:光子是一种深具特殊性的微观粒子。由于光子静质量、引力、真空极化作用等因素的影响,在我们的新理论中速度的非恒值性是一个特点。这就可能造成对光速的多样化解释。因此我们追求对物理学中的这个基本问题的新理解——"真空中光速"的确切含意是什么?     

加速电荷的电磁辐射场分布

运动的带电粒子会产生电磁场,其中加速运动的带电粒子,由于速度的改变将引起带电粒子电磁场的变化,粒子将会产生辐射场,从而产生电磁波辐射。文章主要从带电粒子的几种加速运动形式,来分析加速运动电荷在运动过程中的电磁场分布,包括辐射场分布。从运动图示上分析,可以更直观、更形象的理解加速电荷的电磁场分布。     

狭义相对论的自然推广

本文遵从下列原则把狭义相对论扩展到超光速领域:(ⅰ) 承认有超光速物质就必须承认有超光速惯性系,(ⅱ) 保留光速不变原理和相对性原理,但内容要扩充。结论:(ⅰ) 慢子(亚光速粒子)只能有正质量,快子(超光速粒子)只能有负质量,(ⅱ) 爱因斯垣质能联系定律适用于慢子,快子和光子等整个物质领域,(ⅲ) 光子也有正负质能两类。     

季灏“带电粒子高速运动时能量和轨道异常”实验的意义和解释——需要引入运动电荷概念,对洛伦茲力公式进行修正

季灏完成的三个"带电粒子高速运动时能量和轨道异常"实验表明,带电粒子运动速度接近光速时,能量和运动轨迹偏离狭义相对论的预言。本文对其中的两个实验进行分析,指出该组实验实际上并不意味着狭义相对论的质速关系被破坏,而是意味着电荷与运动速度有关,不是一个常数。带电粒子运动速度接近光速时,电荷明显偏离现有理论认为的常数值。本文通过引入运动电荷的概念,修改经典电磁理论的洛伦茲力公式,在不违背狭义相对论质速关系的前提下,较好地解释了季灏实验。洛伦茲力公式的修正意味着电磁场运动方程也必须修正,修正后的电磁场运动方程显然不可能满足洛伦茲变换的不变性。因此季灏实验意味着相对性原理可能不成立,但光速不变原理仍然成立。季灏这组实验涉及到物理学最基本的核心问题,如果能够证实这类异常现象的存在,对物理学基础理论和高能粒子物理学实验的影响将是震撼性的。建议国家有关科研机构予以重视,尽快组织力量进行重复性实验。