10、實(shí)驗(yàn)證明中微子超光速？愛因斯坦時(shí)代將會(huì)結(jié)束（圖）

　　李淼是中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所的研究員， 曾任中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)客座教授。他主要研究量子場(chǎng)論、超弦理論以及宇宙學(xué)， 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙學(xué)以及暗能量。

　　如果OPERA 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得到其他實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，相對(duì)論，這個(gè)已經(jīng)被檢驗(yàn)了無數(shù)次的物理學(xué)基礎(chǔ)之一將被動(dòng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs 的縮寫）項(xiàng)目組宣布，他們探測(cè)到的中微子速度超過了光速，同時(shí)將一篇學(xué)術(shù)論文發(fā)布在著名學(xué)術(shù)論文網(wǎng)站arXiv 上。

　　意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室底下的中微子探測(cè)器。

　　在文章中，項(xiàng)目組謹(jǐn)慎地表示，他們反復(fù)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(huì)比預(yù)計(jì)時(shí)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室，兩地相距約730 千米。通常來說，中微子應(yīng)該和光同時(shí)到達(dá)），因此只得將測(cè)量結(jié)果公之于眾，希望整個(gè)物理學(xué)界幫助他們找出可能出現(xiàn)的錯(cuò)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(jìn)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(gè)相對(duì)增速并不大，但恰好在OPERA 實(shí)驗(yàn)可以探測(cè)到的范圍內(nèi)。如果將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)儀器的不確定性加起來，OPERA 實(shí)驗(yàn)的誤差在10 納秒左右，所以60 納秒這個(gè)數(shù)字，絕不能簡(jiǎn)單地用誤差來解釋。

　　如果該結(jié)果得到驗(yàn)證，相對(duì)論，這個(gè)已被檢驗(yàn)了無數(shù)次的物理學(xué)基礎(chǔ)理論將被動(dòng)搖，后果和影響將是巨大的。所以，物理學(xué)家在采取謹(jǐn)慎態(tài)度對(duì)待這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，還懷著強(qiáng)烈的期待——不論這期待是什么。

　　不可思議的實(shí)驗(yàn)

　　我們來回顧一下OPERA 實(shí)驗(yàn)的過程。首先，歐洲核子研究所的超級(jí)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(zhǎng)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(gè)鐵－石墨靶碰撞，除了中微子外，其他粒子都會(huì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，研究人員會(huì)測(cè)量μ子的數(shù)量，所得結(jié)果將和格蘭· 薩索實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(shí)驗(yàn)室的旅行都是在地殼中進(jìn)行，距離是732 千米。這個(gè)距離是用全球定位系統(tǒng)（GPS ）來測(cè)量的，兩地時(shí)鐘也是通過這個(gè)系統(tǒng)來校準(zhǔn)。OPERA 項(xiàng)目組稱，距離的測(cè)量誤差不會(huì)超過20 厘米，時(shí)鐘的誤差也不超過10 納秒。通過長(zhǎng)達(dá)半年的數(shù)據(jù)分析，項(xiàng)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(xiàng)目組又要求歐 洲核子研究所提供新的質(zhì)子流，因?yàn)榇饲暗馁|(zhì)子流太長(zhǎng)，這會(huì)引起不必要的誤差。新的質(zhì)子流不到一米長(zhǎng)，相當(dāng)于光速運(yùn)行 3納秒的距離，遠(yuǎn)短于60 納秒，這就排除了最可能出現(xiàn)的誤差。進(jìn)行了半個(gè)月的重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，研究人員探測(cè)到20 個(gè)中微子，結(jié)果中微子的到達(dá)時(shí)間仍提前了62.1 納秒。同時(shí)，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(dá)時(shí)間平均提前了57.8 納秒，這與重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是吻合的。經(jīng)過近兩個(gè)月的細(xì)心檢查和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，OPERA 項(xiàng)目組把9月23 日的那篇文章加長(zhǎng)了10 頁(yè)后，終于正式向?qū)W術(shù)期刊投稿了。

　　質(zhì)疑

　　盡管經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)分析和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，OPERA 項(xiàng)目組自認(rèn)已經(jīng)排除了所有可能出現(xiàn)的誤差，但在學(xué)術(shù)界，大多數(shù)科學(xué)家仍對(duì)OPERA 實(shí)驗(yàn)持懷疑態(tài)度。要判斷這個(gè)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(shí)驗(yàn)相矛盾。

　　在此之前，科學(xué)家就做過與中微子速度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。比如，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室就曾做過這類實(shí)驗(yàn)，給能量在300 億到2 000 億電子伏之間的中微子定一個(gè)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(gè)范圍與OPERA 實(shí)驗(yàn)并不矛盾，因?yàn)樵谠搶?shí)驗(yàn)中，中微子的速度只超過光速四萬分之一。不過在2007 年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究組在實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)，這個(gè)結(jié)果沒有引起物理學(xué)界的重視，主要原因是誤差太大，實(shí)際結(jié)果可能低于光速。

　　看上去直接與OPERA 實(shí)驗(yàn)相矛盾的，是在1987 年針對(duì)一顆超新星的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。這顆超新星被命名為1987A ，當(dāng)時(shí)，科學(xué)家觀測(cè)到這顆距離我們近17 萬光年的超新星的同時(shí)，也觀測(cè)到了大約20 個(gè)中微子。比較光子和中微子到達(dá)地球的時(shí)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(huì)超過五億分之一，這遠(yuǎn)小于四萬分之一，因此與意大利實(shí)驗(yàn)相矛盾。但是，該觀測(cè)實(shí)驗(yàn)卻與OPERA 實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)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(cè)到的中微子的能量只有1 000 萬電子伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 OPERA 實(shí)驗(yàn)探測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)與OPERA 實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。而在眾多質(zhì)疑的文章中，美國(guó)科學(xué)家安德魯· 科恩（Andrew Cohen ）和1979 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(huì)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(dá)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(cè)量結(jié)果相矛盾。當(dāng)然，在科恩和格拉肖的計(jì)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(rèn)為，如果改變能量與速度的依賴關(guān)系，中微子也許就不會(huì)損失能量。但我們的計(jì)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(huì)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(xué)家提出，超光速中微子如果發(fā)生弱相互作用，能量不再嚴(yán)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(gè)“破壞因子”，這樣就徹底規(guī)避了“科恩－格拉肖問題”。這種觀點(diǎn)看上去很有吸引力。

　　當(dāng)然，更多的物理學(xué)家選擇無視OPERA 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，例如 1979 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）說： “這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)合談?wù)撨^中微子超光速現(xiàn)象，但我也一直表示，這個(gè)結(jié)果正確的可能性并不高，即使OPERA 項(xiàng)目組做了重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，我也沒有徹底改變我的態(tài)度。因?yàn)槿绻@個(gè)不可思議的結(jié)果被證實(shí)，將會(huì)給物理學(xué)界帶來一場(chǎng)“大地震”。

　　修改相對(duì)論？

　　很多人都知道，愛因斯坦相對(duì)論，特別是狹義相對(duì)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(yùn)動(dòng)，我們測(cè)得的光速總是一樣。另外，無論光源相對(duì)我們做什么運(yùn)動(dòng)，我們測(cè)得的光速也是一樣。測(cè)量光速是否變化的一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)是邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單，讓光從一個(gè)光源發(fā)出，經(jīng)過兩個(gè)不同路徑后，到達(dá)同一個(gè)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(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，那么當(dāng)我們轉(zhuǎn)動(dòng)邁克爾遜干涉儀，就會(huì)看到干涉條紋的移動(dòng)，或當(dāng)我們運(yùn)動(dòng)起來，也會(huì)看到干涉條紋的移動(dòng)。我們知道，地球相對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度大約是每秒30 千米，所以冬季和夏季地球有一個(gè)每秒60 千米的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。但在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，也就是說光速與地球的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

　　19 世紀(jì)末，邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn)得出了光速變化的范圍：不會(huì)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(jì)，光速的精確度已經(jīng)達(dá)到10 -17 。現(xiàn)在，光速已成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，被定義為每秒299 792 458 米。又由于*原子鐘非常精準(zhǔn)，一天的誤差也不會(huì)超過一納秒，因而我們可以用光速和時(shí)間來定義距離。在OPERA 實(shí)驗(yàn)中，歐洲核子研究所到意大利格蘭·薩索實(shí)驗(yàn)室的距離，就是通過全球定位系統(tǒng)利用光速來測(cè)量的。

　　因此，愛因斯坦并沒有錯(cuò)，至少，光速是不變的。那么我們就會(huì)問，不是說在相對(duì)論中，光速是一個(gè)不可超越的極限嗎？回答這個(gè)問題并不容易。原則上，相對(duì)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(duì)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(xué)，使得人們認(rèn)為快子不可能存在，因?yàn)榱孔恿W(xué)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(gè)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(huì)使我們生活的空間很快發(fā)生爆炸。

　　在OPERA 實(shí)驗(yàn)中，超光速中微子并不簡(jiǎn)單地意味著它們就是快子。事實(shí)上，項(xiàng)目組在4個(gè)不同的能量水平上測(cè)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(gè)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?yàn)榭熳邮窍鄬?duì)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(duì)論還是錯(cuò)了；所以，如果一年后新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OPERA 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們可以肯定地說，相對(duì)論必須修改！

　　OPERA 實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)無關(guān)。如果我們假定，一個(gè)理論中存在兩個(gè)不變的速度，這個(gè)理論中的時(shí)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(gè)例子說明，長(zhǎng)度的定義不絕對(duì)。而比長(zhǎng)度定義不絕對(duì)更令人驚駭?shù)氖?，事件這個(gè)概念也不絕對(duì)了。

　　總之，中微子超光速的結(jié)論很可能經(jīng)不起其他實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，但是，萬一通過了檢驗(yàn)，我們的時(shí)空觀就將徹底改寫，物理學(xué)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(gè)著名理論——萬有引力的時(shí)空彎曲理論同樣會(huì)改寫。