中微子超光速实验 将改写人类时空观(图)

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中微子超过光速，将改变现有物理学认识。（网络图片）

2011年9月22日下午，意大利格兰‧萨索国家实验室的OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs的缩写）项目组宣布，他们探测到的中微子速度超过了光速；11月19日，欧洲的一个物理学家小组通过实验再次得到了相同的惊人结果——中微子的速度确实超越了光速。这意味着将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论，如果光速真的被超越，那么，时空观将彻底改写。

12月30日，《环球科学杂志》刊登了曾任中国台湾大学和中国科学技术大学客座教授，物理研究员李淼的文章。他说：如果光速真的被超越：时空观或将彻底改写。

英国《自然》杂志网站9月22日报导，意大利格兰萨索（GranSasso）国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置，接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子，两地相距730公里，中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。

并表示，他们反覆检查了所有可能出现的误差，但还是解释不了中微子为何会比预计时间早到了约60纳秒（中微子是从欧洲核子研究所发出，目的地是意大利格兰‧萨索国家实验室，两地相距约730千米。通常来说，中微子应该和光同时到达），因此只得将测量结果公之于众，希望整个物理学界帮助他们找出可能出现的错误。

一纳秒是十亿分之一秒，光速约为每秒30万千米。一纳秒内，光可以前进30厘米，由于中微子速度和光速差不多，因此中微子在60纳秒内比光多跑了18米，说明中微子的速度比光速快了四万分之一倍。这个相对增速并不大，但恰好在OPERA实验可以探测到的范围内。如果将数据统计和实验仪器的不确定性加起来，OPERA实验的误差在10纳秒左右，所以60纳秒这个数字，绝不能简单地用误差来解释。

回顾不可思议的实验

OPERA实验过程：首先，欧洲核子研究所的超级质子同步加速器产生出4,000亿电子伏的质子流。这些质子经过一段管道后，击中一块长为两米的石墨，产生κ介子和π介子，这些介子继续前行一千米，在此过程中衰变成μ子和μ子型中微子。接着，所有这些粒子与一个铁－石墨靶碰撞，除了中微子外，其它粒子都会被阻挡。

由于中微子能穿过任何物体，因此它们直接飞往格兰‧萨索国家实验室。同时，研究人员会测量μ子的数量，所得结果将和格兰．萨索实验室测量到的中微子数相比较。中微子从欧洲核子研究所到格兰‧萨索实验室的旅行都是在地壳中进行，距离是732千米。这个距离是用全球定位系统（GPS）来测量的，两地时钟也是通过这个系统来校准。

OPERA项目组称，距离的测量误差不会超过20厘米，时钟的误差也不超过10纳秒。通过长达半年的数据分析，项目组终于宣布了惊人的初步结果。

把初步结果公布在学术论文网站arXiv后，OPERA项目组又要求欧洲核子研究所提供新的质子流，因为此前的质子流太长，这会引起不必要的误差。新的质子流不到一米长，相当于光速运行3纳秒的距离，远短于60纳秒，这就排除了最可能出现的误差。进行了半个月的重复实验后，研究人员探测到20个中微子，结果中微子的到达时间仍提前了62.1纳秒。

同时，不同的研究人员还重新分析了此前的数据，得到的结果是，中微子的到达时间平均提前了57.8纳秒，这与重复实验的结果是吻合的。经过近两个月的细心检查和重复实验，OPERA项目组把9月23日的那篇文章加长了10页后，终于正式向学术期刊投稿了。

中微子超光速 挑战爱因斯坦相对论

爱因斯坦1905年在狭义相对论中提出的“光速不可超越”的理论，一直被整个物理学界奉为圣经，这一理论构成了现代宇宙学和粒子物理学的基础。

文章中指，测量光速是否变化的一个著名实验是迈克尔逊－莫雷实验。这个实验很简单，让光从一个光源发出，经过两个不同路径后，到达同一个地方，然后发生干涉。

如果光速与方向有关，并与我们的运动速度有关，那么当我们转动迈克尔逊干涉仪，就会看到干涉条纹的移动，或当我们运动起来，也会看到干涉条纹的移动。我们知道，地球相对太阳运动，运动速度大约是每秒30千米，所以冬季和夏季地球有一个每秒60千米的相对运动速度。但在实验中，科学家并没有发现这个相对运动速度，也就是说光速与地球的运动无关。

19世纪末，迈克尔逊和莫雷所做的实验得出了光速变化的范围：不会超出每秒8千米，与30万千米相比，不到三万分之一。到了本世纪，光速的精确度已经达到10～17。现在，光速已成为一个标准，被定义为每秒299,792,458米。又由于铯原子钟非常精准，一天的误差也不会超过一纳秒，因而我们可以用光速和时间来定义距离。在OPERA实验中，欧洲核子研究所到意大利格兰．萨索实验室的距离，就是通过全球定位系统利用光速来测量的。

不是说在相对论中，光速是一个不可超越的极限吗？回答这个问题并不容易。原则上，相对论并没有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被称为快子，相对论告诉我们，快子的行为很古怪，速度越高，能量越低。这种古怪特性加上量子力学，使得人们认为快子不可能存在，因为量子力学允许快子不断地辐射能量，在快子辐射能量之后，它的速度反而加快了。这个现象与不稳定性有关，也就是说，如果存在快子，那么快子会使我们生活的空间很快发生爆炸。

在OPERA实验中，超光速中微子并不简单地意味着它们就是快子。事实上，项目组在4个不同的能量水平上测量了中微子的速度，结果发现中微子的速度是不变的，也就是说，在140亿到400亿电子伏这个能量范围，中微子都超光速，而且超出的部份都大约为光速的四万分之一。快子的能量和速度的关系肯定不是这样的。另外，1987A超新星的中微子能量更低，速度也更低，这也和快子的行为矛盾。

那么我们能得出什么结论？因为快子是相对论允许的，而中微子不是快子，所以，尽管我们肯定光速不变，但相对论还是错了；所以，如果一年后新的实验验证了OPERA实验的结果，我们可以肯定地说，相对论必须修改!

OPERA实验的另一个结果也非常奇特。过去三年中，研究人员在不同的季节统计了中微子速度，速度也与季节无关。也就是说，中微子速度虽然超出光速，但和光速类似，它与季节也就是与地球的运动无关。如果我们假定，一个理论中存在两个不变的速度，这个理论中的时空将是特别怪异的。例如，我们可以利用光速不变定义距离，也可以用中微子速度不变定义距离，但在不同的参照系中，这样定义出来的距离并不一致！这个例子说明，长度的定义不绝对。而比长度定义不绝对更令人惊骇的是，时间这个概念也不绝对了。

总之，中微子超光速的结论很可能经不起其它实验的检验，但是，万一通过了检验，我们的时空观就将彻底改写，物理学的基础理论之一粒子物理也将改写。甚至，爱因斯坦的另一个著名理论——万有引力的时空弯曲理论同样会改写。

假如中微子超光速的实验结果是正确的，一些物理学家猜测，在我们这个空间之外还存在其它未知的空间，这些中微子就是抄了其它空间的“近路”而“跑”得比光还快。有研究人员称，如果中微子超光速，时空旅行将是可能的。中国古人讲的“天上方一日，地上已千年”也就不是奇异的幻想。

中微子

中微子是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，中微子质量非常轻，小于电子的百万分之一。中微子具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此，中微子也被称为宇宙间的“隐身人”。中微子在发射后不断衰变，质量变得非常小，它是唯一在理论上可以以光速运行的粒子。