吳岳良院士：研究超光速可能性要從本質入手

　　諾貝爾物理學獎獲得者卡羅·盧比亞在不久前的諾貝爾北京論壇上評論說，中微子振蕩實驗(OPERA)很重要，令科學家意外發現了中微子可以超越光速，但他認為他們過早地發表了結果，應該進一步研究，考慮各種可能性，更加認真地對待。

　　歐洲核子中心OPERA實驗的研究人員自己也表示要繼續研究系統誤差，這個實驗出現的反常很可能是系統誤差引起的，不排除用系統誤差進行解釋。而我要講的和強調的是：我們所有實驗和理論研究都是朝著發現新現象和提出新理論，超越愛因斯坦和前人研究成果這個目標而努力的，愛因斯坦本身就超越了牛頓。我們知道，所有實驗都是在一定條件下做的，當實驗條件和環境等改變以后，物理現象也可能就會隨之發生變化，這是科學家們在研究時的重要出發點和探索目標。

　　眾所周知，相對論和量子論是上世紀建立的兩個奠基性理論。愛因斯坦的貢獻除了狹義相對論外還有廣義相對論。狹義相對論實際上是純運動學的理論，廣義相對論是動力學理論，回答粒子受力或物質之間有了相互作用以后是怎么加速運動或改變運動狀態的。狹義相對論的運動學理論加上量子力學，成功地建立了量子場論，并由此描述所有三種基本相互作用(即電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用)而建立起粒子物理標準模型。參與電磁相互作用而穩定存在的粒子有光子、電子和夸克，只參加弱相互作用而穩定存在的粒子就是中微子，還有一個穩定存在的粒子是由參加強相互作用的夸克而形成的質子。需要一提的是狹義相對論中用到的洛倫茲變換，它本身是一個數學上的坐標變換，雖然其在愛因斯坦之前已經存在，但愛因斯坦的貢獻在于解釋洛倫茲變換所隱含的物理含義。

　　愛因斯坦認識到洛倫茲變換不只是數學上的四維坐標變換，當把其中的一維作為時間，其變換就把時間與空間聯系了起來，同時需引進一個對應于速度的物理量，而當把這個速度物理量看做是與坐標無關的不變常數時，時間與空間之間的變換關系就將被唯一確定下來，這時洛倫茲變換就成為一個更基本的時空變換，若要求物理規律在洛倫茲變換下不變，那么，洛倫茲變換意味著時空的基本對稱性，這個對稱性稱為洛倫茲對稱性，而不變的速度常數就是大家熟知的光速。由此，愛因斯坦超越了牛頓關于時間與空間無關的絕對時空觀。實際上，空間本身的對稱性我們早已熟悉，如空間的轉動對稱性，它導致角動量守恒。事實上，每一個對稱性都與一個守恒律相聯系，如時間平移不變性與能量守恒聯系起來，空間平移不變性與動量守恒聯系起來。而洛倫茲變換除了包括空間本身的轉動對稱性外，還反映了時間與空間之間的對稱性。如在一參考系里同時發生而不在同一地點發生的事情，在另一以高速勻速運動的參考系里的觀察者看來卻不再是同時發生。這就是說，空間與時間之間實際是分不開的，它們是相互關聯的。只有當洛倫茲變換的對稱性受到破壞，才有可能發生超光速現象。而洛倫茲變換對稱性和光速不變成立的條件，是在四維時空和沒有相互作用的真空中，物質運動所遵循的規律。大家知道，光在介質中的速度與真空中的速度是不一樣的，這是因為光與物質相互作用引起的。從目前認識到的相互作用和基本粒子，其相互作用都是由粒子的內稟規范對稱性來支配，并以量子場論作為理論基礎來描述，因此物理規律滿足洛倫茲變換對稱性，其理論預言是不會有超光速現象發生的。

　　為此，若要研究超光速的可能性，就要從本質上來研究。由目前的相互作用和基本粒子建立的粒子物理標準模型無法解釋中微子的超光速現象，那么有沒有新的相互作用和新的物態，特別是與中微子之間而不是與其他物質的特殊相互作用，這是需要進一步研究的問題。同時，研究時空的洛倫茲變換對稱性的破壞，必須與粒子之間相互作用的內稟對稱性一起考慮，只有把它們聯系在一起研究，對中微子是否可能有超光速現象的認識才會更深入。我們知道，在粒子物理標準模型中，中微子與帶電輕子(電子為其中之一)一起構成一個新的內稟對稱性，即所謂的同位旋對稱性(類似質子與中子之間的對稱性)，這樣自然就會提出一個新問題，為什么我們沒有觀察到其他輕子(電子)的超光速現象?這當然不再是一個能簡單回答的問題。

　　在這個意義上，實際上我們所有的研究一直是在挑戰能不能超越愛因斯坦、超越現有理論。大家知道，有關暗能量的問題，今年的諾貝爾獎頒給了宇宙加速膨脹的發現，這表明宇宙中存在一種新的物態，這種可能的物態就是所謂的暗能量，它的存在本質上也表明了要超越愛因斯坦。因此，要超越愛因斯坦的狹義相對論，就必須研究超越狹義相對論成立的條件，如超越四維時空，重新認識真空以及引入新的特殊相互作用等，必須有突破性的新想法。