单位文秘网 2021-08-21 08:55:45 点击: 次
收稿日期:2011-10-15
作者简介:吴建国(1965—),男,黑龙江克山人,南京邮电大学教授、硕士生导师;研究方向:科学知识社会学。
摘要:“奥佩拉”项目结果所显示中微子超光速现象,激发“反例验证”和“理论审视”两方面工作。本文主要用辩证唯物主义原则对“光速不变原理”相关概念含义进行审视,尝试从主客对应、概念指意、过程实现等角度揭示可能隐潜着的一些问题,并给出了一些可能性的“切削”。
关键词:光速;中微子超光速;光速不变;相对论
中图分类号:G305文献标识码:A文章编号:1008-2646(2012)01-0011-05
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”项目研究人员使用一套装置,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(即每秒钟多“跑”6公里)。[1]这实验发现与现今物理学中用狭义相对论“光速不变原理”所确立的光速理论范式有矛盾。回顾中微子研究其它成果,此种“反例”已不是“孤例”,这使人们对“光速不变原理”疑虑加重,成为社会关注热点。目前,对此要做的工作有两种,其一是验证反例,其二是审视“光速理论”。本文就是从辩证唯物主义视角透望,审视“光速理论”可能隐含的一些问题。
一、光速理论的范式与反例问题
1. 作为范式的“光速不变原理”
爱因斯坦1905年在那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》中提到光速问题:“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关。”[2]97-98“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们定义如下:1.物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。2.任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”[2]100-101“对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了;在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。”[2]109“由此,当υ=V时,W就变成无限大。正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能。”[2]127此后,人们逐渐把爱因斯坦狭义相对论的“光速不变原理”作为“光速理论”范式,并概括为:无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数C,都为299792.458千米/秒;没有超过真空光速的物质运动。[3] 近百年来,人们虽然对此“光速理论”范式多有存疑不解之处,但用之释解实验数据尚可应对。
2. 作为反例的“中微子超光速现象”
作为“光速不变原理”反例的“超光速现象”,是指客体在空间中的运动速度超过“真空光速C”,而不是指观测速度值超过“真空光速”。至今,在中微子研究中至少三次报告“中微子超光速现象”。其一,1987年2月23日在接收到SN1987A的中微子信号之后大约3小时首次观察到这个超新星的变亮现象。[4]其二,2007年美国费米实验室进行的MINOS高能物理实验中,让主注入器产生的中微子束穿过该实验室位于伊利诺伊斯州的近程探测装置,然后击中位于数百英里外位于明尼苏达州的远程探测装置。该实验当时得出的结论是:记录到中微子的运动速度超过光速。但实验结果的误差范围太大,因此并没有引起多大注意。其三,在过去两年,意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目观测到超过1.6万次中微子样本后发现“超光速”现象。他们所用接收装置与欧洲核子研究中心之间的距离精度为20厘米以内,测速精度为10纳秒以内。他们认定,实验结果达到六西格玛或六标准差,即确定正确。[5]
3. “奥佩拉”项目发现引发两项工作
首先,是反例验证问题。虽然“奥佩拉”项目研究人员有1.6万次观测到样本,但正如他们所担心的那样,仍然需要不同研究人员对该实验过程与条件进行重复检查,还需要其他科研人员另行设计检验方式。目前最受期待的是美国费米实验室升级版的“主注入器中微子振荡搜寻”(简称MINOS)实验。当然,即使其他科学实验设计支持了“奥佩拉”项目结果,依然存在有共同的误差变量缺失的问题。比如,“奥佩拉”项目就存在“实验的发射点与接受点距离不一定等同中微子轨迹”问题,因为存在地球运动这个环境变量,就存在“中微子抄近路”的可能。由于地球、太阳、银河系等相关绕转运动,所以测得的距离或许只是地球上表观距离,并非就一定是中微子传播的物理路径长度。
其次,重新审视“光速理论”。不妨假设中微子超光速现象作为“反例”一再被观测到,那“光速不变原理”是否仍具有限合理性?相对论是否依然成立?哪些推论应该更新?而哪些推论仍然有效?是用“老概念”重新界定?还是细分出新概念?等等。假使此次“反例”在验证中被消除,作为“光速不变原理”自身是否有尚不被追究的问题?是隐含在“概念”层面?或隐含在“过程”层面?多年来,这范式不被追究,或因物理学家无力追究,而哲学家不能追究;或因科学家与哲学家均满足于“可用标准”而缺乏追究的勇气。
二、用辩证唯物主义去追究
“光速不变原理”内含问题
现代物理学中“假说”众多,注定其中很多是现代科学中的“神话故事”或者“数学故事”。而且这些故事,基本上都是按“科学规范”来编造的,多有实验事实的支撑。科学进步就是对这些故事进行“去伪存真”和“去繁存简”;最基本的方法就是从辩证唯物主义出发,用物理过程分析去批判。“光速不变原理”也需要如此审视。
1. “真空光速”概念含义与问题
“真空光速”概念的提出,一方面是说“光可作无介质传播”,不同于声波那种介质振动的能量传播,是物质(粒子、束或团)的空间位置运动方式传播;从而可以去掉早先的“以太介质”设定,否定了以太说,为光量子说奠定了基础。另一方面是说,“光也可在介质环境传播”,光在介质环境(如水、空气、玻璃等)中传播速度相应降低(可用麦克斯韦理论解释),从而推论出“光在真空中传播速度最快”。
从辩证唯物论角度讲,“真空环境”是指无其它物质、没有相互作用的空间;客体世界不存在“真空环境”;“真空光速”最可能的理解是“极限光速”。最接近真空环境的“太空环境”中尚存在宇宙微波背景辐射、导致光引力弯曲的引力场、能够相互干涉的其它光(电磁波)束,也存在着中微子等粒子、暗物质等等,所以客体世界中并不存在“真空光速”,光速都要有附加的传播环境条件说明。
与光相较,受传播环境影响不大的中微子(穿透力远强于光子),却可能有更为理想的“真空中微子速度”。就是说,中微子传播速度或许可以不附加存在环境条件说明,其介质速度或许与真空速度等同。仅从不受介质环境影响来说,极有可能“中微子速度”与“真空光速C”更相符,并大于“太空光速”或任何“介质光速”。
3. “真空光速最大”含义与问题
既然说“真空光速C”最可能指意是“极限光速”,这符合麦克斯韦理论解释;那把“极限光速”外推成“客体的极限速度”,却是经验性的,有很大风险的“公设”。中微子超光速现象冲击的就是这个“公设”。
4. “光速与光源无关”含义与问题
一是说光子(束或团)同光源分离后,在相同介质环境中以相同的速度传播(随介质环境而变),而与光源无相互作用,不存在“光源拖曳”。二是说光束与光源分离后,立即作光速传播运动,而这变化并不是因为与光源相互作用而被加速的。
从辩证唯物论角度看,隐含问题是:曾经作为光源部分的光束何以不被加速地实现高速?这肯定应该有个唯物性的过程解释。更为关键的是,还有哪些基本粒子是如光束一样能够实现不被加速就能自动变高速?其实,也是问“光”何以被特殊?中微子是否更有资格被特殊?
5. “光速与参照系无关”含义与问题
一是说,“真空光速为常数C”作为客体世界的存在的物理规律,它与是否被观测以及如何观测无关;其二是说,虽然在不同惯性系可得到不同的光速测量值,狭义相对论认为可以通过洛仑兹因子作系数进行换算,使“真空光速为常数C”这一物理规律仍然成立。问题是,人们常把它解说成:在所有惯性系中的光速具有相同的量值C,因为不同惯性系中有不同“尺缩钟慢”。
三、用辩证唯物主义去追究
“光速”概念层面问题
1. “运动速度”与“平均速度”区分问题
辩证唯物论认为,运动速度是客体在客体世界中存在所具有的属性特征,它不等于“路程除以时间”方法所得的“平均速度”。客体(结构体)在客体世界中“运动速度”虽可变,但作为“存在的属性”总有唯一的值。客体世界的结构与形态是按因果律不断变化的,但从“存在”角度讲,它的结构与形态是唯一的“现在”。
为了描述客体世界的结构形态变化,主体世界引入了“时间”参数(来表征事物存在的延续性)。这样,在客体世界中事物只具有唯一的“时态”,只有无长度的时间――此刻;而在主体世界中事物具有了连续性“时态”,时间有长度。“客体存在(或运动)时间”是主体赋予客体事物因果链条的历史性参数。客体的“平均速度”是主体采用“电影胶片”式方法来历史性研究“客体运动”所得结论。客体世界中本不存在“平均速度”所对应的现象。客体的“运动速度”这一属性特征,被主体用“平均速度”历史故事情节来描述。
主体似一架优质的记录历史的影片制造机,并能依靠分析历史趋势来决定“现实行为”取向。历史方法被主体本能地应用于生存与探索活动,却往往让主体产生主客不分的混乱。
2. “轨迹速度”与“距离速度”区分问题
辩证唯物论认为,在客体世界中,客体与空间共存,客体“运动速度”特征相对于空间而存在。为描述客体运动特征方便,主体把空间作为不变背景(绝对空间),对客体相对空间中位置变化就存在两种描述方法:其一,用前后两空间位置的距离(L)与时间(T)相比值,得“距离速度”;其二,用空间位置连接成的轨迹(S)与时间(T)相比值,得“轨迹速度”;且轨迹大于等于距离。主体用“距离速度”或“轨迹速度”描述客体的“运动速度”特征,建造了主体世界与客体世界的对应关系。因为宏观客体运动的波性不明显,轨迹速度接近距离速度;光子与中微子等粒子运动具有很强“波性”,那它们的“轨迹速度”就会大于“距离速度”。
爱因斯坦的“光速不变论”中通常称“光的真空传播速度为常数C”。隐含问题是:如将“真空(传播)光速C”理解为“光的真空距离速度为常数C”,那么“光的真空轨迹速度就大于C”;如果将“真空(传播)光速C”理解为“光的真空轨迹速度为常数C”,倒是可能选择的方案;但那实验测得光速值(约299 792 458m/s)属于距离速度,它肯定不能等同常数C。
3. “传播速度”与“游行速度”区分问题。
爱因斯坦“光速不变论”中设定“真空中光粒子传播速度均为常数C”。这其中隐含着另一种类问题:为什么能量不同、波长不同、振幅不同的的光粒子在“真空中”都采用统一的传播速度(常数C)?如果说,这是光粒子出生就有的纪律特征,那也需要解释为什么这些光粒子能够在其它传播介质中自动调整为统一的传播速度(小于C的各种值)。
对此最为方便的想象是,光的介质传播速度是光粒子在介质中的“游行速度”(总以极限速度运动的粒子因轨迹形状而表现出的线性运动速度),各种传播介质各自为光规定了“游行速度”(有折射率关系)。所以爱因斯坦的“光速不变论”中,不但存在“传播速度”与“游行速度”关系问题,还存在“真空光速C”是不是“游行速度”问题。如果“真空光速C”不属于“游行速度”,那么因何也有统一速度(常数C)?
4. “测量速度”与“真空速度”区分问题
历史上,关于光速值的测量曾经是一个被认为有价值的研究工作,也确实使光(粒子或光束)的“测量速度”不断趋向精确。 在常数的数据处理中,国际上一直采用最小二乘法平差来得出常数的一组最佳值。由于基本常数领域中研究工作的不断进展,常数数值也会不断更新,因此在大约十年左右将进行一次基本常数的新的平差,由此获得新的国际推荐值。1986年完成的一次平差,是由在国际科学协会科学技术数据委员会(简称CODATA)基本常数工作组的泰勒和科恩负责编纂的;按基本物理常数的1986年国际推荐值:真空中光速(C)的最佳实验值为299792458±1.2m/s,真空中光速(C)的供计算用值为3.00×108m/s。
从辩证唯物论角度讲,将理论上的“真空光速C”等同于“光速测量值”本身就是概念混淆的作法,它只是在解决具体运用层面上最佳近似的问题,但也客观上消解了人们对两者区分的社会动力;将两者物理概念差异问题隐藏起来。
四、用辩证唯物主义去追究“光速”
物理过程层面问题
1. 中微子与光子的运动环境区分问题
“运动环境”能否对中微子、光子产生区分?从中微子甚至能海量穿透地球这种传播介质而很难观测到,对此光子做不到,就说明“中微子”受运动环境影响远比光子小。可以推论,同一实验条件下,中微子的“测量值”接近理论上的中微子“真空速度”效果,会好于光的“测量值”接近理论上的光的“真空速度”效果。假定中微子、光子的“真空速度”是等同的,那么实验(如“奥佩拉”项目)“介质环境”中“中微子速度测量值”大于“光子速度测量值”一些应属于正常现象。
2. 客体(结构体)与光子(非结构体)运动方式区分问题
按辩证唯物论观点,作为客体的宏观物体与微观粒子都有与生俱来的“运动”属性(有速度差异),但两者的运动属性却可能有着本质的区别。宏观客体皆是由基本粒子构成的结构体,采用结构体的运动属性――可以被变速但不能超过极限速度的运动;光子和中微子却可相对认为是采用非结构体(原始粒子),即是以原始粒子运动属性――总是以极限速度运动,在结构体中也是如此。
可以猜想的是:光子与中微子等在空间以其与生俱来的“真空速度”运动,而这种运动有两种基本方式――绕点螺旋或绕线螺旋;当一个或数个原始粒子作绕点螺旋运动之时,变形成初级结构体(如电子等),进而形成更复杂的高级结构体(如中子、原子、宏观客体等);电子湮灭,是初级结构体解体过程,是粒子从绕点螺旋运动变为绕线螺旋运动过程。
那么可把“光速与光源运动状态无关”解说为:光粒子(非结构体)从光源(结构体)分离出来,是从绕点螺旋变成了绕线螺旋运动(高速传播),不存在被加速的过程;而大的结构体分解成小结构体时,就存在不被加速就同速的现象。
假使客体(结构体)被加速到原始粒子同样的极限速度(如真空光速C),那结构体必然解体。所以可以将“真空光速”视为极限速度。
3. “质量”与“真空光速C”关系问题
质量,是描述物体含有“物质”多少的量。物质在客体世界不生不灭,只能从一从聚集形态(物体)转变为另一种聚集形态(其他物体)。物体分为结构体与非结构体(原始粒子)。
能量,是描述物体对其它物体做功的量。原始粒子的能量正比于质量、速度。以质量为m、速度为C的光粒子最大对其它物体能做功为E。如果对于匀速运动、质量为m的光粒子,从速度C降到静止,那对外做功为mC2/2。但光粒子对其它物体做功后,其速度仍为C(真空光速是其存在属性),可认为还放出了从静止到速度为(–C)的功(mC2/2)。所以对光粒子来说,可以认为爱因斯坦E=mC2这种质能关系成立。
物体(结构体)放出一个光粒子,就要少掉质量m,对环境就可做功E(可以用mC2值来描述)。物体加上那光粒子,总质量守恒;物体放出粒子而总能量减少E、环境获得粒子增加能量为E(如让原子核外电子实现跃迁),总能量守恒。
4. “真空光速为C”能否被加速问题
前面猜想过,光粒子等非结构体,无论是否在结构体中,都以极限速度(如真空光速C)运动。这其中隐含着问题:为什么是常数C而不是其它常数?对此或许可以用宇宙大爆炸理论来解释;但光粒子运动速度等为什么能够不被加(减)速?光子在太阳内部传播速度很慢,是否依然仅是因“游行速度”很慢,能否排除光子运动速度被加减速(与中微子有运动速度差异)?等等。
5. 关于“时空穿越”问题
客体世界由物体与空间构成,物体是指物质非结构体(原始粒子)及其各种空间结构体,物体具有相对空间的运动属性,物体间因相互作用关系形成事件;客体世界的结构形态按因果律不断变化,但客体世界及其中事物的存在具有唯一性,即客体世界没有“时间”问题。
时间,是主体为描述客体世界结构形态的因果变化而引入的历史性参数,是用“此时”对应“存在(此在)”、用“时间长度”对应“客体世界事物因果变化历史链条的长度”。而“客体世界事物因果变化的历史链条”在客体世界并不存在。
可以说,有时间长度的事物,都只能存在于主体世界之中。客体世界事物都没有“时间长度”,按因果律变化,但客体世界中不存在“历史”。“时空穿越”只能是主体世界事物(物象)的次序上的因果律混乱。
假使人们真的能在客体世界中实现了让物体(结构体)加速达到极限速度“真空光速C”,那也只是客体世界毁灭为类似中子星的东西,而不能实现“时空穿越”。
结束语
随爱因斯坦狭义相对论及“光速不变原理”而来的“尺缩钟慢”、“双生子等悖论”、“虫洞”、“穿越”、“平行宇宙”、“时间旅行”、“快子说”、“四维或多维时空”等等科学“故事”层出不穷,其中很多都是因物理“概念不清”或“过程不明”而导致的科学“事故”。解决这类科学事故不仅需要逻辑推理和想象力,更需要辩证唯物主义原则。对“光速不变理论”相关问题的辩证唯物主义梳理,通过辨析与细分概念、剖析主客对应关系陷阱、坚持“客体存在唯一性”与“物理过程唯一性”理念,从而对光速理论进行“奥卡姆剃刀”切削,才能真正实现“光速理论”的进步。本文所作的“切削”只是一种尝试,是一种可能;但类似的“提问、切削”工作,是哲学推动科学创新,为科学发展所必须。
参考文献
[1]《自然》科学期刊(Nature?) [2011-9-22]./news/2011/110922/full/news.2011.554.html
[2]约翰•施塔赫尔,范岱年,许良英译. 爱因斯坦奇迹年——改变物理学面貌的五篇论文[M].上海:上海科技教育出版社,2001.
[3]朱荣华等. 物理学教程(上册)[M].重庆:重庆大学出版社,1993:35.
[4]顾以藩. 太阳中微子及超新星中微子探测——2002年诺贝尔物理学奖成果评述[J].物理,2003,(2):84.
[5]杨书卷. “超光速粒子”掀起现代物理学风暴[J].科技导报,2011,(27):7.(责任编辑、校对:徐广联)
An Inspection on Light Speed Theories
from the Dialectical Materialism Perspective
WU Jian-guo
(Executive Office of Academic Committee, Nanjing Postal University, Nanjing, Jiangsu, 210046)
Abstract:OPERA experimental results reveal a new phenomenon that neutrinos move even faster than the speed of light, which triggers further probes in two aspects: counterexample confirmation and theoretical inspection. Through an application of dialectal materialism principles, this paper probes into relevant concepts, including “the speed of light remains constant”. It is meant to disclose potential problems and to point out some feasible adjustments and “theoretical cutting”, in terms of subject-object correspondence, concept denotation, process realization, and so on.
Key words: the speed of light; faster-than-light-speed neutrinos; the speed of light remaining constant; relativity
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-124-86417-1.html
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