一)、现代物理学对快子的错误认识
在第一章的第一节中已经提到,根据狭义相对论的速度变换公式,运动速度低于光速的物质粒子不可能通过加速或速度变换而达到超光速。又根据狭义相对论质量变换公式:
其中:m0、m分别为粒子在静止时及以速度v运动时的质量,c为光速。当粒子速度v→c时,其质量m→∞,因而爱因斯坦曾经断言,大于光速的速度是不存在的,光速成为粒子的速度极限。但后来人们通过进一步的理论分析认为,狭义相对论只说明原来运动速度小于或等于光速的物质粒子不可能通过加速或速度变换而达到超光速,狭义相对论却不能排除自然界中本来就存在超光速粒子。这种速度本来就大于光速的物质粒子同速度本来就低于光速的物质粒子相类似,其速度也不能通过减速或速度变换而低于光速,光速仍然是一种特征速度。人们把这种速度始终都超过光速的粒子称为快子。
在人们确立了自然界应该存在快子的信念以后,便开始了检验快子是否存在的一系列实验,并企图在宇宙射线中找到快子的踪迹,但始终没有成功。为什么理论上存在快子但又探测不到快子呢?笔者认为这是由于人们还没有正确地认识快子所造成的。
人们仍然按照狭义相对论质量变换公式来分析快子,因快子速度v>c,因而m为虚数。为使快子的质量m为实数,便硬性规定快子的静止质量m0为虚数。这种分析显然是不正确的。快子是自然界中速度本来就大于光速的粒子,它不存在静止状态,故无从谈起静止质量,它也不存在从静止状态到超光速v的变换,所以上式对快子没有意义。
(二)、快子的质量特性
要正确地分析研究快子,就必须另想办法。20世纪60年代以来发展起来的孤立子理论为研究快子开辟了新途径。
由第一章第四节所介绍的孤立子理论可知,孤立子和物质粒子具有相似的性质,并且孤立子已经获得了快子解。因而我们可以借助于孤立子的快子解来研究自然界中的物质粒子—快子。
根据相对论性的主手征场方程的孤立子解(参见前苏联B.E扎哈罗夫等著的《孤子理论》,第236、237页),孤立子的运动速度为:
(1)
质量为:
(2)
式中,。
当(a1-a2)(b1-b2)>0时,|v|<1、M2>0,孤立子为普通孤立子(因采用自然单位,光速c=1),孤立子的速度v小于光速c,质量M为实数;当(a1-a2)(b1-b2)<0时,|v|>1、M2<0,孤立子的速度v大于光速c,孤立子为快子,质量M为虚数。
普通孤立子速度小于光速、质量为实数,与普通物质粒子速度小于光速、质量为实数相对应。而孤立子中的快子速度大于光速、质量为虚数表明,如果自然界中存在快子,则快子的质量亦必然为虚数。相应地,快子的动量及能量也应为虚数。
关于为什么普通实物粒子的质量、能量为实数,快子的质量、能量为虚数的问题,以及它们的更进一步的物理意义,将在第五章“物质的本质”中详细探讨。
快子的质量、能量为虚数,决定了快子会具有很多与质量、能量为实数的普通物质粒子所不同的奇异特性。
(三)、快子与普通实物粒子之间的相互作用
现在分析一质量为M1=m1、速度为v1的普通实物粒子(简称为实子)与一质量为M2=im2、速度为v2的快子发生对撞的情形。
假设碰撞后实子及快子的质量及速度分别变为m1/、v1/.及im2/、m2/、.根据动量守恒定律有:
因等式两侧为复数,故要使等式成立,等式两侧的实数部分与虚数部分须分别相等。即:
;
因对于某一特定的物质粒子,该粒子的质量仅由其速度决定,从而有:
,;,
根据能量守恒定律,,也可得出上式。
这表明实子与快子碰撞前后没有发生任何变化,亦即实子与快子不能发生相互作用,包括电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用等。
下面我们应用牛顿万有引力定律来定性分析引力作用的情形。
两实子间的万有引力为:
实
两快子间的万有引力:
f快
f快与f实符号相反,因而它表现为斥力,从而快子周围的“引力场”是斥力场。
实子m与快子im间的万有引力为:
这个力是虚数,说明万有引力定律有一定的局限性。
根据广义相对论,自由粒子在引力场中的运动由引力场的短程线方程确定,该方程与在引力场中运动的粒子无关。故无论粒子是实子还是快子,它们在同一引力场中的短程线都是一样的,而短程线反映了粒子所受引力的情况。所以粒子在引力场中所受的“引力”与该粒子是实子或快子无关。即实子对快子的万有引力仍表现为引力,快子对实子的万有引力也仍表现为斥力。