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1、 一种可能的超光速理论谭 强 （广西南宁一点通教育咨询中心）摘要：证明“时间机器”不可能存在；从“狭义相对性原理”和“光速不变原理”出发，得到一个过去被忽略的数学解，从而建立一种可能的超光速理论，推测“超光速粒子”具有“负质量”和完全穿透性，是一种新的物质形式。关键词：爷孙悖论；时间机器；超光速；超子；有限宇宙；负质量；完全穿透性引言现代科学家推算：银河系的直径约为10万光年，拥有大约两千亿颗恒星。宇宙究竟有多大谁也不知道，按大爆炸理论假设，宇宙的直径约为300亿光年。也就是说，假如宇宙只有地球那么大，那么银河系大约只有羽毛球场那么大。目前人类制造的飞得最快的战斗机，其速度也不到光速的万分之一
2、，就算人类已经制造出接近光速的宇宙飞船，要想横穿银河系也得花10万年时间。宇宙中恒星的数量可由此可推算。试问，在这如此众多的恒星周围，难道只有地球才具有生命吗？答案当然是否定的。1977年，美国抓住难得的机会，向太空发射了能够飞离太阳系的“旅行者”号飞船，携带人类的语音和图像信息，企图让外星人获取。如果是以最外侧的海王星轨道为准，飞船飞了30多年，也仅到达太阳系的边缘。世界著名数学家华罗庚曾提出把“数形关系（勾股定理）”带到其他星球，作为地球人与其他星球“人”进行第一次“谈话”的语言。英国行星学家曾经预测，在我们的银河系至少有不少于3.5%的星球可能存在生命，而2010年9月，美国天文学家们的
3、一项新发现似乎证明了他们的这一理论。卡耐基华盛顿研究所和加州大学的科学家们，用凯克-1光学望远镜目前世界上最大的光学望远镜，发现距离太阳系20光年远的天秤座星群中存在着一个表面覆盖着液态水以及具有引力的天体。科学家给这个天体命名为“581g”，它围绕红矮星葛利斯（Gliese） 581公转，自转周期为37天。这是科学家迄今为止发现的最适合生命存在的地外星球。然而，用现有的技术到达那里至少需要35万年之久。如果没有超光速飞行器，也许人类想遨游宇宙的梦想就永远是幻想。由于“弯曲的空间”似乎只是一种数学概念而并非物理真实【1】，故而试图通过“虫洞”到达遥远深空的想法，似乎只是痴人说梦，自欺欺人。不论
4、是从国家长远发展的战略，还是人类探索地外文明的需要考虑，进行超光速研究都有非常重要的意义。当然，现在就谈设计光速飞船或者超光速飞船还为时尚早，但是应该探讨这件事的可能性。1 “爷孙悖论”与时间机器在讨论“超光速”以前，让我们首先了解“爷孙悖论”与“时间机器”。人类不断地制造出越来越先进的交通工具，可以供人们在三维空间内自由地旅行，那么，是否可以制备一种“机器”沿时间轴在一维时间内旅行呢？早在两千多年前，我国大思想家惠施就提出过逆时间旅行的可能性，所谓“今日适越而昔来”，就是说“今天出发到越国去，昨天就到达了”。1895年，英国科幻作家威尔斯（Wells）在他的时间机器一书中也提到了这一想法。如
5、果说这些还只是一些想象，美国作家萨根（Sagan）在1985年根据当时的一些研究成果创作的接触，就有了一定的物理基础。该书提出利用黑洞作为快速旅行的工具，可以进入“时间隧道”回到自己的过去。三年以后，以托恩（Thorne）为首的几位物理学家从现代理论物理学出发认真研究了时间机器的可能性，他们发现，现代理论物理不能完全排除将来的先进文明有可能制造出时间机器。这一惊人结论立即引起了理论物理学界和哲学界的广泛兴趣和激烈争论，有人甚至认为到现在为止也仍然是一个有待解决的研究热点。要了解“时间机器”(time machine)或“时间隧道”，必须知道“虫洞”(worm-hole)的概念，它是指连接两个不
6、同宇宙或同一个宇宙的的两个不同部分的通道或捷径。狭义相对论讨论的是无引力的平直时空，它是一个处处均匀、各向同性的单连通流形（单连通是只任意一条闭合曲线可以收缩为一点）。但是，爱因斯坦广义相对论认为，存在引力的真实时空是弯曲的，当引力非常强时（例如黑洞）时空的涨落非常厉害，没有理由认为宇宙的时空流形拓扑一定是平凡的单连通的。例如，由弯曲时空量子场论知道，在普朗克尺度附近，物质场的量子涨落将使得时空发生涨落，其结果是时空流形出现泡沫结构或多连通结构，从而在时空各处出现手柄（handle）或虫洞。霍金也曾经指出，当黑洞由于霍金蒸发而完全消失时，一个最自然的解释是掉入黑洞的粒子将进入一个由我们的母宇宙
7、分岔出去的子宇宙中去。无论是前一例出现的微观虫洞或后一例中的宏观子宇宙，皆足以说明宇宙可能具有复杂的多连通结构，可能存在虫洞。早在1935年，爱因斯坦和罗逊（Rosen）就曾研究了史瓦西时空镶嵌图的拓扑性质,发现史瓦西时空内部存在一种连接两个宇宙的通道，即爱因斯坦-罗逊桥，这是第一个洛伦兹虫洞（Einstein A,Rosen N,1935）。但是研究表明，任何信号都不可能通过这样的虫洞，所以也称这样的虫洞为“不可通过的虫洞”。但是却有人认为可能存在可以通过的虫洞。1988年，托恩等提出了一个可以通过的洛伦兹虫洞（又称永久虫洞、三维虫洞），通过适当制备可以用来制造时间机器，实现逆时间旅行或产生
8、一个含有闭合类时曲线的时空（Morris MS,Thorne KS,Yurtsever U,1988）。他们认为，对一个三维虫洞进行适当的制备，就可以产生闭合类时曲线，造成时间机器。这个时空具有这样的特点：它可以分成两部分，一部分是因果性比较好的，不含闭合类时或类光曲线，比如虫洞制备之前就是这样；另一部分含有闭合类时曲线。人们计算了一些含有闭合类时曲线的时空的真空极化能动张量在此曲线上总是发散的，而且这个发散和坐标的选取无关。霍金指出，由此产生的反作用会破坏时空结构，从而使得闭合类时曲线也将被破坏掉，因此这样的时空是不稳定的。于是霍金在1992年提出了一个“时序保护猜想”：物理规律不允许出现闭
9、合类时曲线（Hawking SW,1992）。经验告诉我们，时间机器或时间隧道的出现将导致违背因果律。一般认为因果律是一条普遍规律，它的失效将动摇我们对客观世界的认识标准。有人据此提出如下命题：如果时间机器成为现实而出现时间倒流，一个小孩就可以回到过去，在他自己和他的父亲出生前将他的爷爷杀掉，然后又回到我们的世界，这时，他和他父亲是否存在？如果存在，他父亲又怎么出生？这就形成严重的逻辑或因果困难，而逻辑关系凌驾于所有科学之上。人们将这一命题称为“爷孙悖论”。 为此，诺维可夫（Novikov）又提出了一个自洽性原则：在现实世界中，凡是局域存在的物理规律的解只能是那些整体自洽的。根据这个原理，小孩
10、可以回到过去但不能影响过去（Novikov ID，1992）。明眼人一看就明白，如果“小孩可以回到过去但不能影响过去”就不算真正“回到过去”，因为他不能改变一丁点历史，在小孩“回到过去”的那段时间里，他吃的一颗饭、喝的一滴水都不是当时的，他说的任何一句话当时也没有任何人能够听到 一切事物都是运动发展着的，事物发展有一定的因果关系，通过物质运动的联系，作为原因的第一事件导致作为结果的第二事件，这种时间顺序的因果关系凌驾于一切科学之上，是绝对的，不依赖参考系而转移。时间概念就是从事物发展中抽象出来的，正确的时空观必须反映事物发展的绝对因果性。因果关系是科学工作的前提，没有它，科学研究就不可能进行下
11、去。如果对“时间倒流不可能”这一基本逻辑不具有坚定的信念，就无法建立任何科学定律。因此，我们必须清醒地认识到，一维的时间具有绝对的不可逆性。这种时间顺序的绝对因果律，在本质上不同于量子力学中的因果律，更不同于录象倒放逆过程的“时间倒流”。用于描述微观粒子行为的“几率”概念，违反了宏观物体行为的绝对因果律，那是允许的，它虽然违反“常识”但不违反逻辑。而录象倒放使我们能够逆时观看复制的历史资料，我们可以人为修改录象带或光盘上的影象信息，却一点也不能干预、改变已经发生了的客观历史事实。因而，录象倒放这种“时间倒流”不具有真实的意义。我们拍摄的所有科幻影片，如果违背了现在的常识，那是很正常的，因为科学
12、技术在不断地发展进步，现在不能做到的事情并不意味着将来也不可能做到。但违背因果逻辑关系的事情永远也不会发生，科幻影片不应该在这方面对未成年的少年儿童进行误导。其实，提出“时序保护”物理规律的人，根本不需要用到象爱因斯坦和霍金这样大牌的物理学家、思想家、哲学家，只要是一个心智健康的人，决不会相信“时间倒流”。在热力学中，人们经过大量的实践和逻辑推理，总结得出了热力学的三大定律：第一、第二类永动机不可制造，绝对零度不可达到。这已经作为公理被人们接受。笔者认为，“时间倒流不可能”（或者“时间机器不可制造”）应该作为一条宇宙的首要公理或“法则”提出来，以对人们的科研活动进行正确的导向，避免科研人员误入
13、歧途、浪费钱财、害人害己。根据量子力学的理论，在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间，存在某种不可思议的超光速关联，如果对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的变化，而无论它们相距多远。这种信息的传递当然是“超光速”的。目前，不少国家正在进行关于量子传输理论和实验方面的研究，如获得成功，意义非常重大，主要在于：量子信息只有发送双方可知，不可破译，具有绝对的保密性；另外，量子信息的使用为人类进入深度太空创造了便利的通讯条件。对于人的意识传播，已经有科学家进行理论研究和科学实验，一些科学家认为：人的意识传播是超光速的。马赫和爱因斯坦都认为，惯性力是遥远天体对
14、物体的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力，是物体之间的相互作用，这种相距遥远的物体之间的相互作用是通过引力场（子）来传递的。我们知道，当物体作惯性运动时不会受到惯性力的作用，在物体获得加速度的瞬时，它就受到遥远天体的作用，表明惯性力的作用是立即完成的，几乎不需要时间，这样一来，引力子传播速度必定是超光速的。2011年9月23日，欧洲核子研究中心宣布，他们发现中微子以略快于光速的速度飞行，一旦这一发现被验证为真，将意味着宇宙中的确存在超光速粒子。即使已经验证中微子的速度并非超光速，也并不意味着宇宙中一定不存在超光速粒子。如果实验证明中微子是超光速粒子，其速度为，狭义相对论可能要作以下修改：1、
15、如果中微子的静止质量等于0，狭义相对论中所有出现c的地方都要改为。例如，物体的能量为： （1-1）从上式可看出，一切物体的运动速度都不可能大于。光子则具有很小的静止质量，在真空中它的运动速度恒为c。如果物体的静止质量0，为了把物体加速到，就需要无穷大的能量，因此，才是宇宙的极限速度。由于与c的值相差极小，并不影响原来狭义相对论的理论值，与实验也相符。2、如果中微子的静止质量大于0，说明光子的静止质量也大于0，还不是宇宙的极限速度，只有静止质量等于0的物体的速度（设为）才是宇宙的极限速度。这样狭义相对论中所有出现的地方都要改为。例如，物体的能量为： （1-2）但是，与c的值必须相差极小，不能影响
16、原来狭义相对论的理论值，与实验必须相符。3、如果发现欧洲核子研究中微子的静止质量小于0（具有负质量），或者将来发现有速度严重偏离（大于）光速c的物体，则说明存在超子，该中微子为速度较小、能量较高的超子。目前人类知道的红移机制只有两种，一种是多普勒红移，另一种是引力红移。如果将我们观测到的河外星体的红移值全部或主要归因于多普勒红移是武断的，这样就会得到星系的退行速度达、甚至超过，而这是不可思议的！广义相对论却认为这一“超光速”现象并不违反狭义相对论。狭义相对论禁止任何物体或信号在空间中的运动速度超过光速。但认为这里提到的超光速并不是物体或信号在空间中的运动速度，而是空间本身膨胀造成的现象。认为空间膨胀造成的“超光速”不能传递信号，不能改变因果关系，所以并不与狭义相对论相抵触【2】。这是不能令人满意的，空间膨
