Opera試驗結果稱中微子束的運行速度似乎超越了光速，讓物理學再度進入公眾關注的視野

    實驗發(fā)現(xiàn)

    9月23日，整個物理學界的目光投向法國里昂核物理研究所的達里奧·奧蒂耶羅身上。當時，奧蒂耶羅當著一群心存懷疑的物理學家的面，介紹一個全新的“速度怪獸”——亞原子粒子微中子。根據他描述的最近進行的一項實驗，微中子的速度超過光速。1905年，愛因斯坦的相對論將光速定為宇宙速度極限。

    奧蒂耶羅的研究小組表示，日內瓦歐洲核子研究組織（以下簡稱CERN）一臺粒子加速器發(fā)射的微中子以超過光速的速度抵達意大利格蘭薩索的一個地下實驗室，二者之間的距離為454英里（約合730公里）。計算結果顯示微中子的速度比光快60納秒（1納秒等于10億分之一秒）。奧蒂耶羅對CERN的物理學家表示：“我們無法用系統(tǒng)誤差解釋這一發(fā)現(xiàn)。測算結果表明微中子的速度超過光速?！?/P>

    據奧蒂耶羅透露，他的研究小組用了6個月時間試圖解釋微中子超光速的發(fā)現(xiàn)，但最終以無果告終。鑒于這一發(fā)現(xiàn)將撼動物理學的基石，試圖用任何理論解釋這一實驗結果都是一種不適當的做法。他說：“今天，我們只是將這一異常發(fā)現(xiàn)告訴你們?！?/P>

    在愛因斯坦描繪的物理世界，光速是一切物質的速度極限。超光速意味著時間旅行將成為一種可能，但這又是絕大多數物理學家認為的不可能之事。一個世紀以來，愛因斯坦的相對論一次又一次得到驗證。已故康奈爾大學天文學家卡爾·薩根曾說過：“非凡的結論需要非凡的證據?！盋ERN理論家阿爾瓦羅·德·魯尤拉表示：“這是一項令人震驚的結論。我們應該自問什么地方出現(xiàn)紕漏，這才是一種正確的態(tài)度?！?/P>

    實驗介紹

    Opera實驗，全稱是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus（采用乳膠徑跡裝置的（中微子）振蕩項目），位于意大利Gran Sasso國家實驗室。這個實驗室位于地下1400米，以多個深地實驗聞名于世。OPERA實驗探測來自歐洲核子研究中心CERN的中微子，其物理目標是直接尋找從繆中微子到陶中微子的振蕩。位于瑞士與法國邊境的CERN通過高能質子打靶產生繆中微子束流，對準730公里外的Gran Sasso。為了留下陶中微子出現(xiàn)的確鑿無疑的證據，實驗采用了復古的核探測技術：乳膠照相。

    實驗過程

    整個實驗從CERN一座建筑內的一罐氫氣開始。來自這個罐子的氫原子被剝離電子，成為裸質子，而后借助一系列粒子加速器加速，最近進入大型強子對撞機的主環(huán)。形象地說，大型強子對撞機就是所有這些粒子加速器的母親。在Opera實驗中，一些質子的能量狀態(tài)變成居間能量態(tài)，以10微秒脈沖的形式轟擊一個石墨目標，產生脈沖介子。介子隨后衰變成微中子，微中子朝著格蘭薩索的方向消失在地球中，最后抵達格蘭薩索實驗室的微中子穿過鉛磚和照相乳劑。

    從理論上說，在這段用時幾毫秒的旅途中，一些微中子會從μ介子微中子變成τ介子微中子。Opera實驗的目標就是研究這種形態(tài)變化。3年時間里，研究人員在探測器的幫助下記錄下大約1.6萬個微中子，但其中的τ介子微中子只有一個。伯爾尼大學的安東尼奧·埃雷迪塔托表示，測量微中子速度只是一個次要目的。他說：“我們希望發(fā)現(xiàn)一些τ介子微中子，以博得觀眾的掌聲?！?/P>

    業(yè)界反應

    中微子會比光速還快，這個想法太不同尋常，連OPERA實驗的科學家也不敢貿然做出猜測。“我們不做出任何猜測。”他們在一份聲明中表示。

    然而，如果實驗結果正確，這可能是本世紀乃至現(xiàn)代物理學上最驚人的發(fā)現(xiàn)了?？茖W家的態(tài)度一貫相當謹慎。他們在還未正式發(fā)表這篇研究論文之前，就把研究報告放在一份公開的論文網站上?！拔覀兿Ｍ麆e的科學家能夠做出驗證?！彼麄冋f。

    因為這個結果潛在的巨大影響力，OPERA科學家還不同以往地專門開展了一場網絡直播，現(xiàn)場向歐洲核子中心的同行們和全球物理學界的科學家們講解自己的實驗方法和過程。華裔科學家丁肇中在現(xiàn)場夸贊這個實驗：“我想祝賀你們做出了一個極其美妙的實驗”。

    事實上，歐洲核子研究中心的競爭對手、著名的美國費米實驗室早在2007年就觀測到了類似的“中微子超光速”現(xiàn)象，但由于該實驗對結果估算的誤差較大，導致可信度低。如今，費米實驗室打算重做實驗，驗證超光速粒子的實驗結果。

    不過，意大利科學家發(fā)布的數據是經過三年的時間和15000次左右的計算融和的結論。目前類似實驗很難在其他國家予以重復驗證，日本的實驗室遭受海嘯重創(chuàng)，費米實驗室無法達到歐洲核子中心的實驗精度。

    在眾多的發(fā)言中，沒有幾個物理學家真正相信，中微子會快過光速。

    “反方”陣營大部分來自理論物理學家，最權威的一個解釋來自于諾獎獲得者、物理學家謝爾頓·格拉斯豪。他和他的同事在發(fā)表的論文中指出，如果中微子運行速度快于光速，其反過來會制造出一種“虛粒子”，并同時奪走中微子的能量。假設中微子真的會以超光速飛行，它們喪失的能量也只會讓它們飛一會兒，不足以支撐到整個OPERA實驗設計的距離。

    歐洲核子研究中心的理論物理學家吉恩·古戴斯也發(fā)表了一篇論文，支持格拉斯豪?！叭绻形⒆右猿馑亠w行，它會釋放出一些電子和質子，從而喪失能量，這與OPERA探測的高能中微子結果相悖。

    另一個擋在OPERA實驗結果前的坎兒，來自于一個20多年前的天文發(fā)現(xiàn)。1987年，天文學家在銀河系伴星系大麥哲倫星云觀測到一顆超新星爆發(fā)，并且探測到中微子數量突然增加。這是人類首次明確探測到來自銀河系外確定來源的中微子，也是迄今為止對中微子速度最準確的測定。有科學家稱，那次發(fā)現(xiàn)的中微子源到地球的距離足有十幾萬光年。如果這次意大利的數據確為超光速現(xiàn)象，這些中微子就應該比光提前好幾年抵達地球，而實際上它們只提前了三個小時。

    還有一些質疑來自設計實驗的應用物理學家，他們尋找這個實驗中可能存在錯誤的地方。一些論文指出，可能是原子鐘的同步出了問題，或者中微子束的尾部測量上出現(xiàn)差錯。

    在另外一些提交的解釋論文中，一些人給出了新的答案。這些新見解，就更加前沿，更加科幻了。有一批人認為，某些中微子可以在不同時空中跳來跳去，因此在實驗中可能在不同維度中走了“捷徑”；有人認為，中微子在穿越固體地球的時候，比穿越空間時飛得更快；有人認為，中微子可能穿透了暗物質，同時，光質子則因為與暗物質的反應而變慢了；還有人認為，中微子的速度在不同的方向和一天中不同的時間而發(fā)生變化。

    “現(xiàn)在說哪種理論更好，顯得過于冒失?！睔W洲核子研究中心的理論物理學家約翰·埃利斯對媒體說，“他們可能都是錯的，因為這個結果可能最終會蒸發(fā)?！?/P>

    不過，這些解釋還是有用的?！翱茖W定論最初來自實驗結果，但之后，就得靠理論物理學家們，就像打字機上的猴子一樣，一個個的猛擊各種可能?！?/P>

    背景知識

    中微子

中微子（Neutrino）又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號v表示。中微子不帶電，自旋為1/2，像中子一樣不帶電，質量小于電子的百萬分之一。

中微子有3種類型，即電子中微子、μ中微子（繆中微子）和τ中微子（陶中微子）。它們可以通過振蕩從一種類型轉變成另一種類型。

由于中微子既“中”又“微”，幾乎不與物質發(fā)生相互作用，因此盡管中微子廣泛存在于宇宙中，包括太陽內部、宇宙射線以及核反應堆都能產生大量中微子，但難以被實驗儀器捕捉和探測，被稱為宇宙間的“隱身人”。曾有科學家打比方說：“即便用我們整個太陽系那么大的一塊鉛，也不可能把一個宇宙中微子攔下?！?/P>

20世紀30年代，科學家發(fā)現(xiàn)原子核在衰變前后的能量不一致。物理學家泡利對此提出假設，有種粒子“竊走了”能量。這一假說在1956年終被證實，這個竊走能量的“小偷”就是中微子。

中微子可以揭示宇宙質量及浩瀚太空中各種星體的許多奧秘。這種粒子與宇宙發(fā)展和“暗物質”的存在有直接關系，有可能成為人類打開新物理學之門的鑰匙。除理論研究外，中微子的特性還有可能被應用于遠程通訊、地球斷層掃描等領域。特別是中微子穿透力強、損耗少、難捕捉的特點，常在科幻作品中作為直穿地球甚至穿越宇宙實現(xiàn)星際通信的手段。

中微子是近年來物理研究中的一個熱點。2002年，美國和日本物理學家因“宇宙中微子探測”方面的成就摘得當年的諾貝爾物理學獎。

狹義相對論

    相對論是關于時空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦創(chuàng)立，分為狹義相對論（特殊相對論）和廣義相對論（一般相對論）。相對論的基本假設是光速不變原理，相對性原理和等效原理。相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。奠定了經典物理學基礎的經典力學，不適用于高速運動的物體和微觀條件下的物體。

    相對論是本世紀初由愛因斯坦等在總結實驗事實（如邁克爾遜-莫雷實驗）的基礎上所建立和發(fā)展。在這以前，人們根據經典時空觀（集中表現(xiàn)為伽利略變換）解釋光的傳播等問題時，導致一系列尖銳的矛盾。相對論針對這些問題，建立了物理學中新的時空現(xiàn)和高速物體的運動規(guī)律，對以后物理學的發(fā)展有重大作用。

    1905年9月和11月，愛因斯坦發(fā)表了兩部論文《論動體的電動力學》和《物體的慣性是否決定其內能》，狹義相對論（special relativity）從此誕生。狹義相對論的基本原理為：

    （1）在任何慣性參考系中，自然規(guī)律都相同，稱為相對性原理。

（2）在任何慣性系中，真空光速c都相同，即光速不變原理。

    其中第一條就是相對性原理，第二條是光速不變性。整個狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。由此得出時間和空間各量從一個慣性系變換到另一慣性系時，應該滿足洛倫茲變換，而不是滿足伽利略變換。

    在狹義相對論提出以前，人們認為時間和空間是各自獨立的絕對的存在。而愛因斯坦的相對論首次提出了時空的概念，它認為時間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個它們的整體——時空，在時空中運動的觀者可以建立“自己的”參照系，可以定義“自己的”時間和空間（即對四維時空做“3＋1分解”），而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。具體的來說，在閔氏時空中，而如果一個慣性觀者（G）相對于另一個慣性觀者（G'）在做勻速運動，則他們所定義的時間（t與t'）和空間({x,y,z}與{x',y',z'})之間滿足洛倫茲變換。而在這一變換關系下就可以推導出“尺縮”、“鐘慢”等效應。