10、實驗證明中微子超光速？愛因斯坦時代將會結(jié)束（圖）

　　李淼是中國科學院理論物理研究所的研究員， 曾任中國臺灣大學和中國科學技術(shù)大學客座教授。他主要研究量子場論、超弦理論以及宇宙學， 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙學以及暗能量。

　　如果OPERA 實驗的結(jié)果得到其他實驗的驗證，相對論，這個已經(jīng)被檢驗了無數(shù)次的物理學基礎(chǔ)之一將被動搖，后果和影響將是巨大的。

　　撰文李淼

　　2011 年9月22 日下午，意大利格蘭· 薩索國家實驗室的 OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs 的縮寫）項目組宣布，他們探測到的中微子速度超過了光速，同時將一篇學術(shù)論文發(fā)布在著名學術(shù)論文網(wǎng)站arXiv 上。

　　意大利格蘭薩索國家實驗室底下的中微子探測器。

　　在文章中，項目組謹慎地表示，他們反復檢查了所有可能出現(xiàn)的誤差，但還是解釋不了中微子為何會比預計時間早到了約60 納秒（中微子是從歐洲核子研究所發(fā)出，目的地是意大利格蘭· 薩索國家實驗室，兩地相距約730 千米。通常來說，中微子應(yīng)該和光同時到達），因此只得將測量結(jié)果公之于眾，希望整個物理學界幫助他們找出可能出現(xiàn)的錯誤。

　　一納秒是十億分之一秒，光速約為每秒30 萬千米。一納秒內(nèi)，光可以前進30 厘米，由于中微子速度和光速差不多，因此中微子在60 納秒內(nèi)比光多跑了18 米，說明中微子的速度比光速快了四萬分之一倍。這個相對增速并不大，但恰好在OPERA 實驗可以探測到的范圍內(nèi)。如果將數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實驗儀器的不確定性加起來，OPERA 實驗的誤差在10 納秒左右，所以60 納秒這個數(shù)字，絕不能簡單地用誤差來解釋。

　　如果該結(jié)果得到驗證，相對論，這個已被檢驗了無數(shù)次的物理學基礎(chǔ)理論將被動搖，后果和影響將是巨大的。所以，物理學家在采取謹慎態(tài)度對待這個實驗結(jié)果的同時，還懷著強烈的期待——不論這期待是什么。

　　不可思議的實驗

　　我們來回顧一下OPERA 實驗的過程。首先，歐洲核子研究所的超級質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生出4 000 億電子伏的質(zhì)子流。這些質(zhì)子經(jīng)過一段管道后，擊中一塊長為兩米的石墨，產(chǎn)生κ介子和π介子，這些介子繼續(xù)前行一千米，在此過程中衰變成μ子和μ子型中微子。接著，所有這些粒子與一個鐵－石墨靶碰撞，除了中微子外，其他粒子都會被阻擋。

　　由于中微子能穿過任何物體，因此它們直接飛往格蘭· 薩索國家實驗室。同時，研究人員會測量μ子的數(shù)量，所得結(jié)果將和格蘭· 薩索實驗室測量到的中微子數(shù)相比較。中微子從歐洲核子研究所到格蘭· 薩索實驗室的旅行都是在地殼中進行，距離是732 千米。這個距離是用全球定位系統(tǒng)（GPS ）來測量的，兩地時鐘也是通過這個系統(tǒng)來校準。OPERA 項目組稱，距離的測量誤差不會超過20 厘米，時鐘的誤差也不超過10 納秒。通過長達半年的數(shù)據(jù)分析，項目組終于宣布了驚人的初步結(jié)果。

　　把初步結(jié)果公布在arXiv 上之后，OPERA 項目組又要求歐 洲核子研究所提供新的質(zhì)子流，因為此前的質(zhì)子流太長，這會引起不必要的誤差。新的質(zhì)子流不到一米長，相當于光速運行 3納秒的距離，遠短于60 納秒，這就排除了最可能出現(xiàn)的誤差。進行了半個月的重復實驗后，研究人員探測到20 個中微子，結(jié)果中微子的到達時間仍提前了62.1 納秒。同時，不同的研究人員還重新分析了此前的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果是，中微子的到達時間平均提前了57.8 納秒，這與重復實驗的結(jié)果是吻合的。經(jīng)過近兩個月的細心檢查和重復實驗，OPERA 項目組把9月23 日的那篇文章加長了10 頁后，終于正式向?qū)W術(shù)期刊投稿了。

　　質(zhì)疑

　　盡管經(jīng)過長時間的數(shù)據(jù)分析和重復實驗，OPERA 項目組自認已經(jīng)排除了所有可能出現(xiàn)的誤差，但在學術(shù)界，大多數(shù)科學家仍對OPERA 實驗持懷疑態(tài)度。要判斷這個結(jié)果到底有多大可信度，我們首先要考慮它是否與以前的高能物理實驗相矛盾。

　　在此之前，科學家就做過與中微子速度相關(guān)的實驗。比如，美國費米實驗室就曾做過這類實驗，給能量在300 億到2 000 億電子伏之間的中微子定一個速度范圍——不論低于還是超過光速，它們與光速的速度偏差都不應(yīng)該超過兩萬五千分之一（也就是說，這是誤差允許的范圍）。這個范圍與OPERA 實驗并不矛盾，因為在該實驗中，中微子的速度只超過光速四萬分之一。不過在2007 年，費米實驗室的一個研究組在實驗中發(fā)現(xiàn)，30 億電子伏的中微子的速度似乎比光速快了兩萬分之一倍，明顯超出上述速度范圍，但在當時，這個結(jié)果沒有引起物理學界的重視，主要原因是誤差太大，實際結(jié)果可能低于光速。

　　看上去直接與OPERA 實驗相矛盾的，是在1987 年針對一顆超新星的觀測實驗。這顆超新星被命名為1987A ，當時，科學家觀測到這顆距離我們近17 萬光年的超新星的同時，也觀測到了大約20 個中微子。比較光子和中微子到達地球的時間，研究人員得出的中微子的速度范圍是，與光速的偏差不會超過五億分之一，這遠小于四萬分之一，因此與意大利實驗相矛盾。但是，該觀測實驗卻與OPERA 實驗有幾個不同之處：第一，超新星輻射出的中微子中，絕大多數(shù)是反電子型中微子；第二，地球上探測到的中微子的能量只有1 000 萬電子伏，遠遠小于 OPERA 實驗探測到的中微子能量——后者的能量范圍是140 億到400 億電子伏；最后，超新星發(fā)出的中微子絕大多數(shù)是在太空中旅行，而OPERA 的中微子則是在地殼中前行。因此，超新星觀測實驗與OPERA 實驗的結(jié)果是否真的矛盾，還值得商榷。

　　在網(wǎng)上，9月23 日的那篇論文已經(jīng)被引用160 多次，而引用該論文的文章，半數(shù)以上都是研究超光速中微子相關(guān)問題的。這些文章中，多數(shù)是用不同的理論來解釋中微子的超光速現(xiàn)象，少數(shù)是質(zhì)疑這個實驗結(jié)果的。而在眾多質(zhì)疑的文章中，美國科學家安德魯· 科恩（Andrew Cohen ）和1979 年諾貝爾物理學獎得主謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow ）的文章最引人注意（參見本期前沿掃描《超光速中微子》）。他們指出，根據(jù)弱相互作用理論，如果中微子的速度超過真空光速，中微子會輻射電子和正電子，損失能量。不論歐洲核子研究所發(fā)出的中微子起始能量有多大，到達格蘭· 薩索的中微子的能量都不能超過125 億電子伏，這顯然與OPERA 的測量結(jié)果相矛盾。當然，在科恩和格拉肖的計算中，他們假設(shè)了中微子的能量與速度存在依賴關(guān)系，很多人認為，如果改變能量與速度的依賴關(guān)系，中微子也許就不會損失能量。但我們的計算發(fā)現(xiàn)，不論如何改變這種的依賴關(guān)系，中微子都不可避免地會損失很多能量。

　　為了規(guī)避“科恩－格拉肖問題”，有些極端的理論物理學家提出，超光速中微子如果發(fā)生弱相互作用，能量不再嚴格守恒，取而代之的是一種新的能量守恒定律。在這種新的守恒定律中，中微子的能量要乘以一個“破壞因子”，這樣就徹底規(guī)避了“科恩－格拉肖問題”。這種觀點看上去很有吸引力。

　　當然，更多的物理學家選擇無視OPERA 實驗的結(jié)果，例如 1979 年諾貝爾物理學獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）說： “這個實驗令人印象深刻，但更多的粒子并沒有超光速，而涉及中微子的實驗通常又極端困難。就像有人說，在花園深處有一些小仙女，但我們只能在漆黑和有濃霧的夜晚才能看到。”

　　我也在很多場合談?wù)撨^中微子超光速現(xiàn)象，但我也一直表示，這個結(jié)果正確的可能性并不高，即使OPERA 項目組做了重復實驗后，我也沒有徹底改變我的態(tài)度。因為如果這個不可思議的結(jié)果被證實，將會給物理學界帶來一場“大地震”。

　　修改相對論？

　　很多人都知道，愛因斯坦相對論，特別是狹義相對論，是建立在光速不變基礎(chǔ)上的。不論我們以什么速度勻速運動，我們測得的光速總是一樣。另外，無論光源相對我們做什么運動，我們測得的光速也是一樣。測量光速是否變化的一個著名實驗是邁克爾遜－莫雷實驗。這個實驗很簡單，讓光從一個光源發(fā)出，經(jīng)過兩個不同路徑后，到達同一個地方，然后發(fā)生干涉。

　　如果光速與方向有關(guān)，并與我們的運動速度有關(guān)，那么當我們轉(zhuǎn)動邁克爾遜干涉儀，就會看到干涉條紋的移動，或當我們運動起來，也會看到干涉條紋的移動。我們知道，地球相對太陽運動，運動速度大約是每秒30 千米，所以冬季和夏季地球有一個每秒60 千米的相對運動速度。但在實驗中，科學家并沒有發(fā)現(xiàn)這個相對運動速度，也就是說光速與地球的運動無關(guān)。

　　19 世紀末，邁克爾遜和莫雷所做的實驗得出了光速變化的范圍：不會超出每秒8千米，與30 萬千米相比，不到三萬分之一。到了本世紀，光速的精確度已經(jīng)達到10 -17 。現(xiàn)在，光速已成為一個標準，被定義為每秒299 792 458 米。又由于*原子鐘非常精準，一天的誤差也不會超過一納秒，因而我們可以用光速和時間來定義距離。在OPERA 實驗中，歐洲核子研究所到意大利格蘭·薩索實驗室的距離，就是通過全球定位系統(tǒng)利用光速來測量的。

　　因此，愛因斯坦并沒有錯，至少，光速是不變的。那么我們就會問，不是說在相對論中，光速是一個不可超越的極限嗎？回答這個問題并不容易。原則上，相對論并沒有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被稱為快子，相對論告訴我們，快子的行為很古怪，速度越高，能量越低。這種古怪特性加上量子力學，使得人們認為快子不可能存在，因為量子力學允許快子不斷地輻射能量，在快子輻射能量之后，它的速度反而加快了。這個現(xiàn)象與不穩(wěn)定性有關(guān)，也就是說，如果存在快子，那么快子會使我們生活的空間很快發(fā)生爆炸。

　　在OPERA 實驗中，超光速中微子并不簡單地意味著它們就是快子。事實上，項目組在4個不同的能量水平上測量了中微子的速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中微子的速度是不變的，也就是說，在140 億到400 億電子伏這個能量范圍，中微子都超光速，而且超出的部分都大約為光速的四萬分之一?？熳拥哪芰亢退俣鹊年P(guān)系肯定不是這樣的。另外，1987A 超新星的中微子能量更低，速度也更低，這也和快子的行為矛盾。

　　那么我們能得出什么結(jié)論？因為快子是相對論允許的，而中微子不是快子，所以，盡管我們肯定光速不變，但相對論還是錯了；所以，如果一年后新的實驗驗證了OPERA 實驗的結(jié)果，我們可以肯定地說，相對論必須修改！

　　OPERA 實驗的另一個結(jié)果也非常奇特。過去三年中，研究人員在不同的季節(jié)統(tǒng)計了中微子速度，速度也與季節(jié)無關(guān)。也就是說，中微子速度雖然超出光速，但和光速類似，它與季節(jié)也就是與地球的運動無關(guān)。如果我們假定，一個理論中存在兩個不變的速度，這個理論中的時空將是特別怪異的。例如，我們可以利用光速不變定義距離，也可以用中微子速度不變定義距離，但在不同的參照系中，這樣定義出來的距離并不一致！這個例子說明，長度的定義不絕對。而比長度定義不絕對更令人驚駭?shù)氖牵录@個概念也不絕對了。

　　總之，中微子超光速的結(jié)論很可能經(jīng)不起其他實驗的檢驗，但是，萬一通過了檢驗，我們的時空觀就將徹底改寫，物理學的基礎(chǔ)理論之一粒子物理也將改寫。甚至，愛因斯坦的另一個著名理論——萬有引力的時空彎曲理論同樣會改寫。