我们站在了真理的边缘-浅谈超光速的可能性.docx

本科生课程论文学年、学期：2012 2013学年秋冬学期课程名称：物理学与人类文明题目：我们站在了真理边缘姓名：学号：3110104400任课教师：盛正卯、叶高翔我们站在了真理边缘-浅谈超光速的可能性吴函烁，3110104400光电信息工程摘要：文章开头由狭义相对论展开对于超光速现象的认识，并举例说明，阐释了我们应该如何对超光速进行理解，其后又根据物理学发展史论述了超光速的可能性。关键词：狭义相对论；超光速；可能性中图法分类号：N06We Are At The Edge of The Truth-A Brief Chat On Super Velocity of LightWu Han-shuo,3110104400Dept. of Optical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310058, ChinaAbstract:At the very beginning of the article, it first raises the concept of special theory of relativity. Thenit briefly discusses the superluminal phenomenon and makes examples, illustrating how we understand the concept of super velocity of light. At the end of the article, through the analysis of the development of physics, it expounds the the possibility of super velocity of light.Key words:special theory of relativity;super velocity of light;possibility引言最近上帝粒子一事闹得沸沸扬扬，上帝粒子是当前物质理论中最后一个未被发现的粒子，自然界中物体之间的相互作用力可以划分为4种，即引力（重力）、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，理论物理学家开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子，这就是标准模型。该模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子3大类，预言了62种基本粒子的存在。随着实验物理学家把加速器越造越大，标准模型预言的未知粒子全都在实验中现身，只有最重要的希格斯玻色子，即所谓的“上帝粒子”，仍然“在逃”。上帝粒子是否存在呢？光速是不是宇宙的极限速度？一、超光速的可能性1.1狭义相对论1905年，Einstein发表了著名的狭义相对论，光速不变作为其中的一个重要的基本假设。Einstein认为一切实物和信号的传播速度都不会超越真空中的光速。狭义相对论在逻辑上严密的，无论是它的基础(光速不变性，相对性原理)在许多自然现象中的应用，还是大量以它为基础的结果质能关系式、核能的开发、现代加速器技术、光子的动量、康普顿效应、穆斯堡尔效应等等，都已被实验所证实。所以，它不仅引导人们准确深入地认识客观世界的本质，同时得到了大规模的实际应用。尽管它的许多结果在一定范围内跟我们基于日常经验并用经典理论表述的一些东西相矛盾，但是我们认为矛盾的事物或现象的出现常常是因为对现象的分析过于肤浅或表述得不够严密而导致的。比如，有人说:狭义相对论认为在自然界不存在超光速。其实，在狭义相对论中并没有这样的论断，其中所说的完全是另外的内容：“实物粒子和信号传递的速度不可能大于真空中的光速”。显然，这种确切的表述并没有完全排除存在超光速的可能性，只是说实物粒子的速度不能超过真空中的光速。1.2“超光速”现象我们都知道光在不同的介质中传播速度不同，它的速度v=c/n，其中n为介质对这种光的折射率。所以在同一种介质中其他物质的速度超过光速是完全可能的。1.2.1切连科夫-瓦维洛夫辐射1934 年，当时作为瓦维洛夫的研究生的切连科夫发现了一种不同于荧光的辐射，它是由液体中快速电子的运动所引起的。1937年塔姆和夫兰克证明，这种辐射的原因是由于电子以超过光在媒质中的速度运动产生的，尽管它小于光在真空中的速度。如果已知媒质的折射率n 1，则在其中光速v光= c/nc ，电子(或其它带电粒子，如质子)以c/n vc 的速度运动是完全可能的。由于这个发现，切连科夫、塔姆和夫兰克荣获了1958 年诺贝尔物理学奖。1.2.2德布罗意波我们知道，如果粒子的静止质量为m0,速度为v,则其对应的德布罗意波长为=hmv=h1-v2c2m0 v,此时，此波的相速度为v相=E/p，而群速度为v群=dE/dp，式中E=m0 c21-v2c2为粒子的能量，p为粒子的动量，即p=m0v1-v2c2。我们可以得出v相=c2v,因为粒子的速度小于真空中的光速c，所以德布罗意波的相速度大于真空中的光速。但是这和狭义相对论并不矛盾，因为德布罗意波并不是以相速度在传播，而是以群速度传播，群速度等于粒子的运动速度。有以上事例可知超光速现象是存在的，第一个例子给我们一种新的思维来理解超光速现象，我们不能仅仅认为超光速就是超过光在真空中传播的速度，第二个例子我们可以知道德布罗意波的相速度是可以超光速的，但是它以群速度传播，和狭义相对论并不矛盾。二、超过真空中的光速2.1上帝粒子标准模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子3大类，预言了62种基本粒子的存在，上帝粒子是当前物质理论中最后一个未被发现的粒子，上帝粒子是否存在？有科学家指出中微子可能是超光速粒子，多年来世界各国对中微子质量平方作了精确测量。在电子中微子测量方法中利用了氖（）的的衰度。通过测量粒子（即电子）的最大能量区域的能谱，推算出电子中微子的质量平方值。在年，全球个实验的数据显示出其平均结果为负值：m2(ve ) = 一27 士 2 0eV2后来实验技术进行了改进，1996-2000年间二次新实验值的结果缩小了，但平均值仍为负值:m2(ve) = 一2. 5 士 3. 3eV2根据近代超光速理论，从中微子的负质量平方，可以推测中微子是超光速粒子。2012年7月4日，欧洲核子研究组织（CERN）宣布，大型强子对撞机（LHC）的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.30.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差）。这两种粒子极像希格斯玻色子，但还有待物理学者进一步分析来完全确定两个探测器探测到的粒子是否为希格斯玻色子。2.2 由上帝粒子想到的到目前为止没有确切的实验可以证明物质可以超过光速，也没有什么确切的理论来支撑超光速（真空中的光速），但是我想从物理学发展的历史来说明一下我对超光速的看法。随着人类的视野不断扩大，对物质世界研究的逐渐深入，我们可以发现从牛顿的经典力学发展到爱因斯坦的相对论，人类对自然规律有了更加清晰的认识。我们不能否认牛顿力学的正确性，它适用于宏观低速的物体，这也受当时人类所能观察研究的范围所限制。随着人们认知领域的不断扩大，很多事物、现象不能够用经典理论来解释。新的理论也被建立，爱因斯坦的相对论有更大的适用范围，牛顿经典力学只是它的近似情况。我们可以说牛顿经典力学有效的前提是研究对象为宏观、低速的物体，而狭义相对论的前提是承认光速不变以及一切实物和信号的传播速度都不会超越真空中的光速。狭义相对论包含了牛顿经典力学，我们可以推想，是否狭义相对论是另外一种全新理论的一种特殊情况，这种理论或许包含了超光速的情况，狭义相对论只是这种理论在实物以及信号的传播速度没有超过光速的一种特殊情况。另外再举一个例子，十九世纪末，科学家维恩从自己的位移定律出发，导出在短波方面和实验结果相符的热辐射公式：MBT=C15e-C2T瑞利和金斯从电磁场基本规律，以及分子动理论中能量按自由度均分原理出发，导出了在长波方面与实验结果相符的辐射公式：MBT=24kTc其中k为波尔兹曼常数，c为真空中的光速。1900年，德国物理学家普朗克，以维恩和瑞利-金斯公式为基础，成功导出了一个黑体辐射公式（普朗克公式）：为了导出这个公式，普朗克提出了完全偏离经典理论的“能量量子化”假设：绝对黑体腔壁中的原子，可以看作是在各自平衡位置作简谐振动的带电的线性谐振子，它们能够与周围的电磁场交换能量，这些频率为的谐振子只能处于一些分立的状态，在这些状态上振子的能量是最小的能量h的整数倍。这与经典物理学中的能量连续取值的概念有着本质的不同。我们可以说普朗克公式包含了短波与长波的情况，维恩公式以及瑞利-金斯公式是普朗克公式的特殊情况，而普朗克公式是在不同于经典理论的基础上推导得到的，这与从牛顿经典力学发展到爱因斯坦的相对论有相似之处。1905年爱因斯坦在解释光电效应的时候，继承并突破了普朗克的认识，他认为，不仅当电磁场与器壁振子发生能量交换时电磁能量才能显示出不连续性来，就连电磁能量本身也是量子化的。以及波尔建立的氢原子理论，这些都为量子力学的发展做出了贡献。这些都是人们在认识范围不断扩大的过程中，为了解释一些现象而突破现有理论的限制而建立了新的理论解决现有问题。据此我们到目前为止也许还没有发现超过真空中光传播速度的现象，更没有建立相应的理论，但不能排除没有超光速现象，或许现在很多我们解释不了的、看似与是否超光速联系不到一起的现象正是需要我们突破狭义相对论的限制，从一个崭新的角度看问题。也许这样的理论一时不会被人们所认可接受，就像狭义相对论一样，在刚提出时很少有人认可，很少有人看懂，但它终究会发出它的光辉开辟一个崭新的时代。三、总结上帝粒子是否存在，我没有坚实的理论基础，也没有相关的实验经历，我不敢妄下断言，但是我相信随着人类对世界的进一步认识，超光速现象也许会被人类发现。人类对世界的认识是没有极限的，我们所认知的事物永远没有未知的事物多，我们现在理解了许多事物，其中不乏真理，但是相对于这浩浩宇宙，我们所认识的也许很少，我们也许只是站在真理的边缘。虽然狭义相对论的思想已渗透到近代物理的各个部分，我相信但是狭义相对论不是终极真理，但一定是相对真理。人类对自然界的认识永远是不断前进的，永远不会停留在一个水平上，将来必定会有更新的理论问世，新理论也必然包含着相对论，那时，人们将会发现相对论是新理论在某一极限条件下的近似理论，就好像我们今天看到经