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新物理学革命，是谁先扣动了扳机？
— 评中微子超光速实验和季灏实验
梅 晓 春 （福州原创物理研究所)
英国《自然》杂志网站2011年9月22日报道，意大利格兰萨索国家实验室"奥佩拉"项目研究人员发现中微子超光速现象。他们接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束，发现中微子比光子提前60纳秒到达，也就是说中微子的速度比光子每秒钟快了6公里。过去两年中他们观测到超过1.6万次这种"超光速"现象，考虑了各种误差后仍然无法排除这个结果。
由于涉及到爱因斯坦狭义相对论的光速不变原理是否成立，实验结果公布后在全球物理学界掀起轩然大波。尽管许多头面人物声称不相信这个实验结果，有的物理实验室已经开始准备做重复实验。在此山雨欲来风满楼之际，人们似乎已经听到了新一轮物理学革命的枪声。笔者要问的是，到底是谁先扣动了扳机？
上海电磁波研究所季灏先生从2006年起连续在中国工程院的《中国工程科学》和《中国科技纵横》等杂志上发表了三篇论文，介绍了他完成的三个实验。这三个实验的结果是一致的，表明带电粒子运动速度接近光速时，出现能量和运动轨迹偏离狭义相对论预言的异常现象。实验主要是在中国科学院上海应用物理研究所的加速器上，由实验物理学专业研究人员共同完成的。同时也在其他加速器上做过多次重复，异常现象始终存在。实验结果表明，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。
由于涉及爱因斯坦狭义相对论，5年以来国内互联网上引发大量的讨论。该组实验是如此的有名，以至于已经被命名为"季灏实验"。遗憾的是，而国内主流物理界对季灏实验一直持漠视态度，至今没有任何研究单位愿意进行重复。笔者曾在上海目睹了其中一个实验，印象极深。认为有必要将季灏实验与中微子超光速实验做一个比较，分析二者对物理学可能产生的影响，希望能够引起国内物理学界对季灏实验的兴趣和国家科学管理机构重视。
先谈中微子超光速实验。爱因斯坦理论体系分为狭义相对论和广义相对论，中微子超光速实验与狭义相对论有关。狭义相对论有两条原理，一条是相对性原理，另一条是光速不变原理。按照光速不变原理，真空中光速是极限速度。如果中微子的速度超过光速，狭义相对论将受到严重挑战。其实光速不变原理更核心内容应当是，自然界中物质相互作用的传递速度是有限的。在经典牛顿力学中，物质相互作用传递速度无限大，但即使牛顿本人也认为这不可能。显然，只要物质间相互作用传递速度不可能无穷大，即使出现超光速运动，我们也不可能回到牛顿力学。
因此即使中微子超光速现象存在，爱因斯坦理论也不可能有本质的改变。我们只要用新的极限速度代替光速，爱因斯坦理论就可以做到换汤不换药。事实上作为原子能工业理论基础的质能关系经过了百年的考验，已经成为一道难以逾越的墙。物质内含的能量与光速平方成正比，这个关系无疑会对新的速度冠军构成限制。也就是说即使出现超光速现象，新的物理学也不可能有很大的作为。超光速现象的重要意义体现为一种思想解放，它替物理学界破除了一道魔戒。物理学家们被再次告知，科学是没有禁区的，爱因斯坦相对论也是可以质疑和讨论的。
从实际实验可行性角度，静止质量为零的可能超光速运动粒子屈指可数。我们现在知道有中微子，引力子和胶子，其中引力子和胶子尚未在实验上发现。由于胶子只参与强相互作用，而强力是短程力，因此用胶子做长距离超光速信号源似乎是不可能的。已有实验表明引力相互作用也是以光传播的，至少不可能背离光速太远。因此目前只有中微子的超光速实验是可行的，但中微子速度对光速的超出看来很小，一点点背景干扰和操作误差都可能淹没超出部分。中微子超光速现象是否最终会被证实，或者最终不了了之，目前还很难说。事实上至今已经有许多关于超光速实验的报道，但由于各种各样的原因，它们都不是真的。比如2000年王力军的实验，所谓的超光速实际上是由计算错误引起（详见附件）。自然界总比人类高明，对于是否存在超光速现象，我们将拭目以待。
有些天真的人想象什么高维空间，中微子从超出的第几维穿过。有些人操心超光速破坏因果律，让人回到过去。实际上即使超光速，我们看到的只是信号，不是事物过程的本身。至于量子力学中所谓的量子纠缠导致的非定域瞬时作用，实际上是量子力学解释本身有问题引起的，根本不值一提。
再看季灏实验，它的效应非常大，通过简单的实验就能判断真伪。比如将速度为0.999c的电子束流打到铅靶上，按相对论动能公式的计算，温度升高6.29度。但季灏实验中测量到的实际温度升高只是1.03度。二者相差6倍，是很容易辨别的。扣除了各种可能因素，也不可能存在这样大的差别。事实上早期物理学家检验狭义相对论质速关系时用的都是中低能的电子，从来没有对近光速运动的粒子做过测量。粒子物理学中高能粒子的能量实际上按相对论的公式计算的，用季灏的话说，粒子物理学中的能标被高估了。
从表面上看季灏实验破坏了狭义相对论的质量-速度关系，许多人都这样认为，但问题并不是这样简单。如果季灏实验破坏质速关系，就必然破坏质能关系。然而原子能实验和工业实践证明，质能关系严格成立，至少不可能有季灏实验那样大数量级的破坏。笔者认为季灏实验显示的是，对于高速运动的带电粒子，经典电磁理论的洛伦兹力公式不适用。从更本质上说，电荷与运动速度有关。为了合理解释季灏实验，我们需要引入运动电荷概念。
这种看法的根据在于，单个带电粒子任意运动产生的电磁场是推迟电磁场。在电动力学中我们知道，单个带电粒子推迟电磁场的形式非常复杂，与粒子的速度和加速度都有关系（见曹参其《电动力学》第210页）。经典宏观推迟电磁场实际上只是大量单个带电粒子推迟电磁场的总和，其中单个粒子的某些特性已经被抹去。带电粒子做匀速直线运动且粒子速度趋于光速时，推迟电磁场趋于零。这等价于带电粒子以光速运动时，运动电荷趋于零。正负电子碰撞湮灭成电荷为零的光子，也许就是这个道理。由此就可以解释季灏实验中，近光速运动带电粒子的能量被高估的问题。因此季灏实验是有理论根据的，它的根据就是推迟电磁场。只是由于长期以来物理学家忽略了这个问题，而季灏实验把这个问题明确地摆到桌面上来罢了。
更要命的是，如果季灏的实验是正确的，现有高能物理实验数据库将面临崩溃。由于能标被高估，高能物理学中的大部分数据，包括几百种基本粒子的质量都得改写。这对高能粒子物理学将是一场大地震，粒子物理学家们是不愿意看到这个结果的。然而现实可能是严酷的，谁让他们以前在加速器中加速带电粒子时，没有考虑推迟电磁场问题呢？
那么季灏实验与相对论的关系又是如何呢？显然，单个带电粒子推迟电磁场的运动方程不可能满足洛伦兹变换不变性。事实上这种推迟电磁场的形式是如此地复杂，以至于到目前为止没有任何人曾经导出这种电磁场满足的运动方程，更不用说证明它们能在洛伦兹变换下保持不变。因此季灏实验破坏的是相对性原理，而不是光速不变原理。
经典麦克斯韦电磁场运动方程在洛伦兹变换下保持不变，这一点被认为是爱因斯坦狭义相对论赖以生存的基本立足点。然大多数相对论专家都没有注意到一个事实，那就是为了使电磁场运动方程在洛伦兹变换下保持不变，我们不得不引入所谓的电磁场相对论变换。然而这种电磁场的相对论变换与电磁场的洛伦兹变换结果一般是不一样的。这就导致电磁理论的不一致性，在运动参考系中，电磁场满足的是相对论变换形式还是洛伦兹变换形式？这个问题是爱因斯坦时空相对性原理的死穴！物理学家们如果希望物理学基本理论具有唯一性，就请注意这个问题。
在中微子超光速实验问题上，西方人再次表现出敢想敢干的风格。实验结果一出来，不管对不对，先发表再说，媒体随后就进行铺天盖地的报道。即使违背爱因斯坦的光速不变原理，他们也义无反顾，全力一搏。不幸的是，季灏先生身处传统中国社会。根深蒂固的惰性思维和媚洋崇外情结，使得主流物理学界和新闻界对季灏先生一直无动于衷。这不但是季灏先生的悲哀，也是中国科学的悲哀！如此重要的实验，呼吁了这么多年，主流科学界难道就没有一个人动点好奇心想试一试？
即使不考虑季灏实验，按照经典电动力学公式，单个带电粒子速度接近光速时，产生的推迟电磁场趋于零，这本身就是一个非常有趣且非常重要的推论。但这个推论的实验检验至今为止从来没有人做过，物理学家们为什么不去试一试呢？虽然量子电动力学在低能条件下异常精确，在高能条件下连精细结构常数都可能要变化，希望国内物理学家们对异常现象敏感一点。
季灏早年考入南京航空学院物理系，由于国家三年困难时期的经济原因，辍学回家当了个中学物理教师，从此流落民间。他发现美国人贝托齐验证相对论质速关系的实验有不实之处，就下决心重做。改革开放后，季灏先生离开中学校长的岗位，从商一段时间，有了积累后就弃商专心做物理。多年来投入巨大，其中的艰辛难以言说。他不迷信前人和权威，坚持独立思考，不畏艰难的科学探索精神令人敬佩。季灏的三个实验互相印证，揭示出的反常现象极其重要性，在物理学上也是千载难逢的。进行重复实验，代价极小而胜算可能极大。笔者希望国内高能物理学界和科学管理机构高度重视这个实验，尽快组织力量予以实施。
总而言之，中微子超光速实验的意义是象征性的，偏离相对论的数量级可能是微小的，对现代物理学的本质不产生根本性的影响。季灏实验破坏相对性原理，可能导致洛伦兹力的修正和运动电荷概念的引入，对高能物理学产生的影响是重大的实质性的。相比之下，谁轻谁重，不言而谕。当然笔者不否定中微子超光速实验的重要性，事实上只要二者中有一个被证实，物理学就将翻开新的一页。即使中微子超光速现象不存在，季灏实验仍然是物理学家需要认真面对的。即使没有中微子超光速现象，物理学照样需要一场革命！
至于谁先扣动扳机，则是不重要的。重要的是，在新一轮物理学革命中，中国人已不再是看客！这么多年以来，国内有无数的人参与了挑战相对论的事业。中国人错过了第一次和第二次物理学革命，但决不会错过第三次。历史已经赋予我们这一代人中国人再造物理科学的使命，历史也一定会记住在本论坛里发生的一切！ 附件： 1. 梅晓春，王力军等"超光速实验"的计算错误。 2. 梅晓春，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，前沿科学， 2011年1月第5卷第17期，86 ~ 96页。 |