原中科院数学所所长秦元勋的质量时间空间一书好在反对相对论理由论证严格,但又浅显易懂-挑战相对论-西陆网

[4楼] 作者:hudemi 发表时间: 2001/08/11 20:55

超光速问题与速度极限
既然沈先生等人已谈到了超光速现象，我也不妨把我书中第三章关于超光速的内容帖出来，供大家讨论(部分公式和图表帖不出，请谅解）。
黄德民2001。8。11

第三章超光速问题与速度极限

[摘要]本章讨论了超光速问题，并对速度极限的观点提出了质疑。在列举了部分超光速现象存在的事例及对理论上的超光速问题进行分析、讨论的基础上，笔者指出，光速极限的观点是不成立的，理论上、实践中都存在着超光速现象。

我们知道，相对论起源于对光速问题的探索。相对论的基本观点是，在惯性系中，真空中的光速是恒定不变的，且光速是宇宙间所有物质的极限速度，任何物质的运动都不可能超过光速。
相对论认为，时间、空间是与物质的运动状态密切相关的，如果物体的运动速度超过光速，时间就会倒流，结果会先于原因而发生。这样，就违背了自然界最基本的规律——因果律。而因果律是不能违背的，故任何物体的运动速度都不可能超过光速。
包括质量、能量、长度、时间等在内几乎所有的物理量都没有极限限制，为什么唯独“速度”这个物理量有极限限制呢？这不能不让人感到费解。事实上，光速是物质运动的极限速度这一结论根本是不成立的。
相对论认为，有静止质量的宏观物体，其运动速度永远不能达到光速，甚至接近光速都困难。但事实并不是这样。因为速度是相对的，大小取决于观察者与物体之间的相对运动。例如，宏观物体发出光子，从该物体所在的参考系来看，光子在以光速运动。反过来，从光子参考系看，该物体也在以光速运动。很明显，在光子参考系中，宏观物体的运动速度已经达到了光速。这说明，相对论关于有静止质量的物体，其速度不能达到光速的结论是不准确的。
事实上，这个例子还仅是“冰山一角”，光速不可超越这一论断，不仅面临着许多理论上的问题，同时也正承受着来自实验和实践的挑战。

一、实践中的超光速现象

到目前为止，人们在实践中已经发现了多种超光速现象。
1995年，《科技日报》等连续报道多国科学家发现超光速存在的证据。科学家们已经初步肯定，超光速现象确实存在。
继1932年贝尔实验室第二次发现“光子在穿越势垒时不需要任何时间”之后，科学家一直在探讨超光速运动的可能性。到1995年，美国普林斯顿大学著名科学家奥尤金.威格内等人就断言：在某些条件下，穿越势垒的粒子是超光速的。
1991年，意大利国家电磁波研究院做过一个有说服力的实验，他们使一束微波通过波导管。理论上，当波导管直径为微波波长的一半时，微波将全部反射回来。但实验发现，仍有极少一部分能通过波导管。随着波导管的加长，他们立即发现这一部分微波以超光速穿过了导管。
奥地利维也纳技工大学也做了类似的实验，他们用高频大功率激光脉冲实现高精度时间解析后发现，不管势垒有多厚，光子穿越其间的时间都是固定的。
美国加州大学赵雷蒙等人取得了更有力的证据。赵雷蒙一直在从事测量粒子穿越势垒时间的工作。他们发现从时间上测量光子穿越势垒是毫无意义的，因为它们只有几飞秒（1飞秒=10-15秒），远远超过原子钟的测量能力。直到纽约曼彻斯特大学发明了一种极其巧妙的干涉仪后，赵雷蒙利用这种仪器，经过大量精密的调零工作，准确地测量出光在一种势垒中的速度是真空光速的1.7倍。
美国尼米兹等人的研究成果更令人震惊。他们曾在一个研讨会上播放了一段音乐。据称，这段音乐的信号载波是以4.7倍的光速传递了一段12厘米的距离后录制的。
2000年，更高的超光速现象出现了。6月7日《科技日报》报道，在美国进行的研究中，粒子物理学家已经证明光脉冲最高可加速到光速的300倍。这项研究是由普林斯顿NEC研究所的王力军（音）进行的，他把一个光脉冲射向一个充满了经特殊处理的铯气体的容器中。几乎在该脉冲完全进入容器之前，它就已经穿过了容器，并且又朝实验室的那头行进了60英尺，速度相当于正常光速的300倍（后来王力军本人出面澄清，其中传媒的宣传有些误解。实际是光脉冲在铯气室前进的距离是同一时间在真空中所能穿越距离的310倍，可能是铯原子改变了光的性质，所以其中的光才比真空中的快）。
除了实验室中的超光速现象外，天文观察也发现了超光速现象存在的证据。
天文观察发现，一些星系和星系核抛射物质具有极高的速度，有的接近光速，有的甚至超过光速好几倍！1972－1974年美国一些天文学家发现塞佛特星3C120自身膨胀的速度达到光速的4倍。到1977年又陆续发现类星体3C273、3C345 和3C279各自的两组成部分分离速度达到光速的7倍、10倍和19倍。后来，天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪，又发现了10个类星体的两子源分离速度均达到光速的7到8倍。看来，河外射电源两组成部分分离速度的超光速膨胀现象并非是罕见的事例了。
射电天文学还发现，半径大于1光年的河外射电源如3C273等，能够在几个月之内发生整体的明亮变化，科学家认为，这可能意味着射电源上存在着超光速运动或超光速作用。
尽管这些实验或观察或许还需要进一步地验证，但它们提醒人们，超光速现象已成为一种不能回避的现实，理论物理学必须正视这一点。任何“有准备头脑”的物理学家，都不应轻易放过一个可能引起重大突破的物理学问题。

二、相对论面临的理论上的超光速问题

除了实践中发现的超光速现象以外，理论上也存在着一些超光速问题，需要加以解释和说明。
（一）恒星的表观速度
我们生活在地球上，当我们观察远处天体时，看到周围的星体似乎都在围绕地球运动。如果知道这些星球离地球的距离，就可以计算出它们围绕地球转动的圆周周长，用周长除以24小时，就得到了这些星球的表观速度。由于这些星体距离地球非常遥远，它们绕地球转动的表观线速度都远远地超过光速。即使距离太阳系最近的恒星，若计算起它环绕地球的表观速度来，也将达到光速的10000多倍。
如果没有相对论，即使这种速度再高，人们也不会觉得有什么奇怪。因为过去从来没有人说过速度还有极限，哪怕某一物体的速度达到光速的十万倍，人们也不会觉得有何不妥。人们很清楚，这些速度并不是这些星体的真实运动速度，而是它们的表观速度，这种巨大的速度是由地球的自转引起的，并不是这些恒星真的在以远远超过光速的速度在围绕地球转动。
就这么一个简单问题，到了相对论那里也会成为一个难解的超光速问题。相对论认为，光速就是宇宙间的极限速度，任何物质的运动速度都不能超过光速。那么，相对论该如何面对从地球上观察到的天体的运动速度远远地超过光速这一现象呢？
也许有人会说，这个速度只是星体的表观速度，并不是星体真实的运动速度，因而不能算作是超光速现象。如果从绝对时空的观点来看，这种看法无疑是正确的。但相对论反对的就是绝对时空观，坚持的是相对时空观。相对时空观认为，运动没有绝对意义，没有必要区分谁是真的静止，谁在真正运动。所有物体的运动都是相互的、对等的，根本没有所谓真实运动和表观运动的区别。任何观察者都有权认为自己是静止的，观察者观察到的速度就是物体的真实速度。
既然我们观察到的天体的运动速度远远地超过光速，按照相对论论的观点，我们就应该对这种速度的真实性予以肯定并承认它是超光速的。这说明，超光速现象确实是存在的，相对论所说的光速是宇宙间极限速度的观点是不成立的。
相对论要想解开这个结，非常困难。它要么放弃“光速是宇宙间速度极限”的观点，要么放弃“运动没有绝对性”的观点，明确承认这种速度只是一种表观速度而非真实的运动速度。可惜，这两种观点又都是相对论绝对不能放弃的，放弃任何一种，就意味着整个理论体系的错误。
（二）光斑的移动速度
除了物体的表观速度能够超光速外，还有一类超光速现象，就是光斑的移动速度。
最常见的例子是平行光束照在平面上的情况，光束在平面上形成的亮斑的移动速度就是超光速的。如图3.1所示。
S

B

F
A C
图3.1 光斑的移动
设平行光线S倾斜着射向平面F，最左边的光线最先照到平面上的A点，此时最右边的光线才到达B点。接着各束光线依次照射到平面上，平面上的光斑从A点逐渐向右移动。当最右边的光束照到平面上的C点时，平面上的光斑也从A点移动到了C点。既然以光速传播的光线才从B点运动到C点，而AC之间的距离明显大于BC之间的距离，说明从A点移动到C点的光斑的速度是超过光速的。光线的入射角越接近于垂直方向，平面上光斑的移动速度就越大。
除此之外，日常生活中还有其它超光速现象存在的例子。最简单的情况就是快速
转动一只手电筒，让手电发出的光照到远方的物体上。只要手电转动得足够快，而光线传播的距离又足够远，以致于转动手电所用的时间相对来说很短，则照在物体上的光斑的移动速度就是超光速的。
这些例子是再简单不过的超光速例子了，相对论如何解释呢？
相对论认为，这些现象并不是超光速现象，或者说这种超光速现象与相对论所说的速度不能超光速并不矛盾。因为相对论认为，光速不可以被超越的结论只适用于实物物体以及可用来传递信息的信号。由于光斑不能传递信息，它的移动速度是不受相对论限制的，故它的速度是可以超过光速的。
让我们感到不解的是，明明讨论的是物理学上的速度问题，怎么突然之间又和能否传递信息联系上了呢？当初，相对论在论证速度不能超光速问题时，似乎并没有什么附加条件的限制，为什么在讨论具体的超光速问题时，突然提出要以能不能传递信息为约束条件呢？要知道，“信息”本身就是一个很敏感、很复杂的话题。目前，“信息”一词已被广泛使用，但到底什么是“信息”以及该如何定义“信息”这一概念，长期以来，存在着很大争论，到目前为止，科学界、哲学界也从未达成过一致意见。在光斑的速度是否超光速这一问题上，相对论突然将超光速问题和“信息”一词联系到一起，是否会将问题越弄越复杂？
退一步，就算我们同意相对论的观点，只有能传递信息的信号才不允许超光速。那么移动的光斑是否真的不能传递信息呢？
下面，我们将用例子来说明，快速移动的光斑其实是能够传递信息的。
设想有一现代“烽火台”用来传递外星人入侵信息。烽火台为圆形（或者半圆形），每隔一段距离设有一个暸望台，分别用A 、B 、C 、……、Z 表示，如图3.2所示。

A B

C

Z

图3.2 现代“烽火台”

假设暸望台A 上的观察者首先发现了外星人的舰队，他立即打开信号灯，并快速转动，使光线能够迅速从暸望台A 传向B 、C 、……、直至Z，以便这些暸望台上的观察者能够及时知道敌人入侵的信息。此时，在烽火台上移动的光斑就代表着外星人入侵的信息。
只要信号灯转动得足够快而烽火台的半径足够大（既然是太空烽火台，半径肯定非常大），转动信号灯所用的时间就可以忽略。灯光从A到Z正好走过圆的直径，而光斑走过半个圆周，故光斑的移动速度是光速的π/2≈1.57倍。
当暸望台B 、C 、……、Z上的人员观察到这种光斑，或者说接收到这种光信号时，就知道外星人已经入侵了。由此可见，移动的光斑可以传递信息，并不象相对论所说的那样，光斑是不能传递信息的。
不过，也许会有人不同意上面的说法，他们会认为，上述例子中外星人入侵的信息不是依靠光斑传过来的，而是由A处的灯光直射带来的。确实，A处直射过来的灯光代表着外星人的入侵信息，但这并不能否定光斑也代表着的外星人的入侵信息。因为，信息可以有多种传播途径和形式，我们不能以其中的一种传播形式和途径来否定另一些形式和途径的存在。例如，你发现有人向你走来，既可能是直接看到的，也可能是从镜子中发现的，还有可能是从地面移动的影子中觉察到的，你难道能说镜中的像和在地面移动的影子就不是信息吗？同理，在上述例子中，直射过来的灯光代表着外星人的入侵信息，移动的光斑也同样代表着外星人的入侵信息。
从这个例子可以看出，除非我们对什么叫“信息”以及“信息”是如何传递的等基本问题达成一致意见，否则，以光斑不能传递信息为由来否定光斑的超光速现象，是难于令人信服的。
（三）高速运动物体之间的分离速度
当两物体沿同一直线相互离开时，根据经典的速度合成定理，这两物体的分离速度等于这两物体的速度和。例如甲以0.8C（C为光速）向东运动，而乙以0.9C向西运动，经典理论预见的两者分离速度为1.7C。无论是甲看乙、还是乙看甲，抑或是在其它观察者看来，甲、乙两者的分离速度均为1.7C。

u v
甲乙

S
图3.3 两物体的分离速度

但相对论速度变换公式并不是简单地相加，而是U=（u+v）/(1+uv/c2)，其中，U代表两者之间的相互分离速度，u、v分别代表甲、乙这两个物体相对于某一参考系S的运动速度，如图3.3所示。
按相对论速度变换公式，甲、乙两者相互之间的分离速度为0.988C，这个速度指的是甲看乙离开自己的速度，或者是乙看甲离开自己的速度。显然，在甲、乙眼中，对方的速度都没有超过光速。
现在的问题是，在S参考系中的观察者看来，甲、乙两者的分离速度是多少呢？总不至于也是0.988C吧。
因为，在S系中的观察者看来，1秒中内，甲向左走了0.8C的距离，而乙向右走了0.9C的距离，两者相互离开的距离为1.7C，故S系中观察者看到的甲、乙分离速度应为1.7C，似乎没有理由说成是0.988C。这样，就出现了两个问题，第一个问题是，为什么S系中观察者得出的结论与甲、乙双方得出的结论不一致？相对论中是不是既要U=（u+v）/(1+uv/c2)这种速度变换公式，也要U=u+v这种速度变换公式？在经典理论中，只要U=u+v这一公式即可，任何观察者都可以加以应用，而相对论必须要有两种速度变换公式，这是否已经表明该理论本身有着固有的缺陷？第二个问题是，这是否也可以看作是超光速问题？
对第一个问题，希望相对论能有个明确说法。对第二个问题，倒是有专家为笔者作过解释，他们告诉笔者，在相对论中，“非关联速度”是允许超过光速的。上述例子中，S系中观察者看到的甲、乙两者的分离速度是一种非关联速度，故其超过光速与相对论所说的光速不可超越是不矛盾的。对此回答，笔者一方面觉得有些道理，另一方面仍不免有些疑惑，相对论在速度问题上怎么又出现了一个约束条件？经典理论中似乎很少有这种现象存在。

三、相对论在光速问题上的矛盾性

狭义相对论认为，光速与光源的运动无关，也与观察者的运动无关，具有不变性，光速是宇宙间的极限速度。但广义相对论却认为，光会在引力场中加速，且加速度与普通物质在引力场中的加速度没有什么差别。关于这些，在第一章中，我们已作过介绍，这里不再详述。
尽管上述两种观点都有实验（或观察）证据作支持，但它们之间却是相互矛盾的。过去，还没有人注意过这一点。
既然广义相对论认为光线会在引力场中加速，我们不妨据此观点作一些简单的计算，并就一些特殊情况作一讨论，看看会出现什么样的结果。
设光线正对着（或背对着）星体的方向飞行，如图3.4所示。

r1 r2 r R
u g

图3.4 引力场中的光速

光线在引力场中的加速度与普通物体在引力场中的情况一样由下式确定：
g(r)= GM/r2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-1）
式中：G为引力常数，G≈6.67×10-11N.m2 .Kg-2；
　　　M为星球的质量；
　　　r为光束距星球中心的距离。
光束在引力场中的加速过程满足如下微分方程：
dr=-udt 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-2）
du=g(r)dt 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-3）
式中：d为微分算子；
　　　 u为光的运动速度；
　　　 t 为时间。
由（3-2）、（3-3）式消去dt 得：
　　udu ＝-g(r)dr 　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-4）
将（3-1）式代入（3-4）式两边同时积分有：
　　∫ucudu =∫r2r1(-GM/r2)dr 　(式中已假设光的初速度为C）
得：u2 = c2 + 2GM(1/r2 -1/r1) 　　　　　　　　　　　　　（3-5）
从（3-5）式可知：
当r1＞r2时，u＞c。即光束正对着星球飞行时速度增加；
当r1＜r2时，u＜c。即光束背对着星球飞行时速度下降。
若星球的半径为R ，则当光线从远处飞到星球表面时对应r1=∞，r2 = R ，此时光线的速度为：
u2 = c2 + 2GM/R 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-6）
当光线从星球表面飞向无穷远处时对应r1=R，r2=∞，此时光线的速度为：
u2 = c2 - 2GM/R 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-7）
上述两式可以合写为：
u2 = c2 ± 2GM/R 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-8）
当2GM/R远远小于c2时，依据泰勒展开，上式可简化为：
u ≈ c ± GM/RC 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-9）
下面就几个特殊情况作一讨论：
①　太阳：
将太阳的质量M ≈ 1.99×1030kg, R ≈ 6.96×108m 以及C≈3.00×108 m/s
代入式（3-9）有：u ≈ c ± 636 m/s
由此可见,太阳的引力对光速的绝对影响还是比较明显的。
②　地球：
将地球的质量M ≈ 5.98×1024kg, R ≈ 6.38×106m 以及C≈3.00×108 m/s
代入式（3-9）有：u ≈ c ± 0.21m/s
由此可见,地球的引力对光速的影响非常微弱。
③　两倍光速：
令u = 2c ，则由式（3-6）得：
R＝2GM/3c2　
这也就是说，如果某星球的半径和质量之间满足上述关系式，则当光线从无穷远处到达该星球的表面时，光的速度将达到现有光速常数c的两倍。
从上面的计算可以看出，当光对着星球飞行时，速度会因加速而超过通常所说的光速常数c；相反，当光线背对着星球飞行时，速度会因减速而低于光速常数c。尽管地球、太阳等小质量的天体对光速造成的影响很小，但大质量的天体将对光速产生明显的影响，甚至会使其远远地超过光速常数c。
需要说明的，广义相对论对引力场中光速的计算并不是采用上述方法计算的，它应用的是非欧几何学，其计算过程非常复杂，最终得出的结论却是光速并不超光速常数c。不过，这个结论是令人难于置信的，它与光速能加速这种观点相矛盾。任何有正常思维的人都知道，如果光速初速度为c，经过加速后，其速度必然大于c，怎么可能最大还是c呢？否则的话，又怎么能说地球周围的光束也有9.8米/秒2的加速度呢？这一结论只能更进一步暴露出广义相对论引入非欧几何是错误的。我们在上一章讨论转动圆盘的问题时就已指出过，相对论引入非欧几何的理由是不成立的，这再次印证了这一观点。
从上面的分析、计算结果可以看出，狭义相对论和广义相对论在光速问题上有着明显的矛盾，主要表现在如下两个方面：
1.狭义相对论认为（真空中的）光速是不变的，而广义相对论却认为光线会在引力场中加速，既可大、也可小。
2.狭义相对论认为光速是宇宙的极限速度，而广义相对论实际上已经肯定了光本身能够“超光速（常数c）”。
对于第一点，或许有人会辩解，狭义相对论讲的是在无引力场情况下光速为一常数，广义相对论讲的是在有引力的情况下光速可变，它们之间并无矛盾。但对于第二点，相信不应该有什么异议。
由于光速不变性是狭义相对论最基本的假设和前提，而光会在引力场中加速的观点是广义相对论基本思想最直接的推论，这两种观点暴露出来的矛盾性反映出狭义相对论和广义相对论之间存在着根本性的矛盾。它表明，要么狭义相对论错误，要么广义相对论错误，甚至两者都错误。
总之，相对论既要面对实践中的超光速现象，同时还要面对理论上存在着的超光速问题，这些事实和现象表明相对论对光速问题的认识是错误的。为了真正弄清光速的本质，我们必须对光速问题作进一步地探索。

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