欧洲科学家宣布发现中微子超光速运行

爱因斯坦的狭义相对论是现代科学的最重要基石，但是2011年到2012年有欧洲科学家宣布，中微子的运动是超光速的。这就是说现在科学最重要的基石发生动摇了。你说科学界的同仁怎么会不目瞪口呆呢？很多老百姓也津津乐道这一新闻，似乎科学界在发生地震。

2011年9月22日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）公布了一项令人震惊不已的实验结果：欧洲科学家在一个名为“奥佩拉”（OPERA）的实验项目中发现，中微子的运动速度比真空中的光速还要快。按照爱因斯坦的“狭义相对论”，光速是物体运动速度的极限，没有任何物体的速度可以超越真空中的光速。而“奥佩拉”的实验结果，明显与狭义相对论相违背。我们知道狭义相对论是现代物理大厦最重要的基石，其正确性经过100余年无数次实验检测。我们知道原子弹的原理就是狭义相对论的质能公式。

爱因斯坦的质能公式

据说，为了慎重起见，在正式公布最终结果前，“奥佩拉”实验组和全世界同行进行了广泛而详细的交流，直到发现没有任何漏洞，才正式公布了实验结果。同日，《自然》、《科学》等世界顶级科学杂志的网站报道了这一消息。9月24日，“奥佩拉”实验组将正式的论文挂到了arXiv.org的预印本库。arXiv.org是一个收集物理学、数学、计算机科学与生物学论文预印本的网站。

在记者招待会上，“奥佩拉”实验的发言人、瑞士伯尔尼大学的物理学家安东尼奥·艾瑞迪塔托，详细介绍了超光速中微子的发现过程。他说：“我们对中微子超光速现象感到非常震惊！我们不能解释它，又不能宣称相对论是错误的。如果因为测量结果与常识不一致，就不公布结果，不是研究人员应有的正确态度。但在别人证实之前，这个现象还不能称之为新发现。事实上，我们也花费数月时间对此现象进行检验，但我们没有找出什么差错。该发现对人类的一些基本认识形成挑战，因此我们持谨慎态度。”“奥佩拉”项目组号召全球物理界能帮助他们检查中微子超光速现象，找出任何能证明实验有错的地方，或者用他们自己的实验来验证这一 结果。

“奥佩拉”实验就是一项旨在检测中微子振荡现象的实验，由意大利格兰萨索国家实验室与瑞士欧洲核子研究中心合作进行。该项目集中了来自11个国家的160位物理学家，其主要成员来自日本和意大利。从2009年到2011年的3年间，“奥佩拉”实验利用欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器产生了1万亿亿颗速度极大的质子，轰击靶标，产生出一束束高能量的μ中微子，在地下穿透重重岩石，射向730千米以外的格兰萨索国家实验室位于地下1400米深处的乳胶径迹探测器。“奥佩拉”实验方法非常平常，但实验结果很让人吃惊：这些中微子从加速器走到探测器所需的时间，居然比光在真空中走同样距离的时间短60.7纳秒（1纳秒即十亿分一秒）。也就是说光在真空中的传播速度为299792458米秒，而根据计算，这些抵达探测器的中微子的运行速度达到299798454米秒。中微子的速度比真空中的光速快10万分之2.48，每秒钟要多要跑6千米左右。

对于这一如此重大而又违反常理的发现，据报道，研究者也非常谨慎，反复检查了6个月，提高实验精度，排除可能的实验误差，包括月球的潮汐影响，地球自转的影响，地震的影响等。除此之外，实验组精确测量了加速器和探测器之间730千米的距离，误差在20厘米之内。为了让地理学测量数据更准确，他们甚至封锁了公路。在计时方面，他们采用了最精密的原子钟和对时方案，使得对中微子运行时间的测量可以精确到10纳秒以内。

在过去的3年内，他们先后观测到约1.6万个中微子的超光速现象。依据这些数据，他们计算出实验结果达到6标准差，置信度达到99.9999998%。一般来说，粒子物理研究中的新现象达到4标准偏差就可以认定是一项新发现，而“奥佩拉”实验结果达到了6标准差。

意大利格兰萨索国家实验室地下1400米处OPERA实验室入口

一石激起千层浪，这个发现在科学界立即引发了万丈狂澜。有的科学家持正面肯定的立场，他们相信实验结果。他们要么基于现有理论试图加以解释，要么提出新的假说。欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·埃利斯评价：如果这一结果是事实，那的确非同凡响。英国牛津大学的宇宙粒子物理学家苏比尔·萨卡尔称，“如果该发现能够被证实，将是人类史上的重大事件”。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体，这是“革命性”发现，一旦获得证实，广义相对论和狭义相对论都将打上问号。美国印第安纳大学的理论物理学家阿兰·科斯特利基表示，从理论上而言，宇宙背景不同时会出现不完美的对称，背景变化可能导致光速和中微子速度的变化。

当然，其中的大多数人对于相对论还保持谨慎的立场，不认为爱因斯坦的理论会扔进垃圾箱。他们相信爱因斯坦的理论还是有效的，它仍然起作用，只是有些时候需要其他解释而已。

但是，科学界的主流声音是说“不”。包括英国著名物理学家史蒂芬·霍金、诺贝尔物理学奖得主丁肇中等在内的多数科学家持谨慎怀疑态度。他们解释说，爱因斯坦的理论是一个经过无数实践检验的理论，说“爱因斯坦错了”为时尚早。这一实验牵涉到众多复杂的测量手段，任何方面哪怕是出现最微小的偏差，都可能影响最终结果的正确性；要么实验有误差，要么计算有错误，要么实验设计有问题，否则不会出现中微子超光速现象。在欧洲核子研究中心工作的诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚表示，这是个很难而且很微妙的实验，是难以置信的惊奇，因为它将挑战爱因斯坦的相对论，而百年来挑战爱因斯坦的人没有一个成功。他认为，这不仅仅是发现一个异常，而是要推翻爱因斯坦的全部理论，我们目前还没有和爱因斯坦的相对论等同的东西。此外，卡罗·卢比亚对发布这个结果的做法并不赞同。他认为，公众更需要了解的是被认可后的结果。

有人指出，“奥佩拉”实验所遇到的最大挑战，是著名的超新星SN1987A的中微子爆发事件。1987年2月23日，这颗位于大麦哲伦星云的超新星突然爆发，抛洒出大量中微子和各频段的电磁波。超新星爆发时发出的光线来到地球的3小时前，分布在日本、美国和俄罗斯的三台中微子探测器同时探测到中微子爆发，共有24颗中微子被探测到。这些中微子长途跋涉16.8万光年，几乎同时到达地球，前后相差只有13秒，虽然他们比光先到达地球，看起来中微子速度比光要快，其实不然，中微子与其他物质相互作用极弱，在超新星爆发的瞬间就离开超新星了；而光子则会与周围的物质粒子发生频繁碰撞之后，才能拖泥带水地逃离。SN 1987A距离地球16.8万光年，如果“奥佩拉”实验是正确的，中微子速度比光速快10万分之2.48，那么SN1987A中微子到达地球的时间会比光早4.2年而非3小时。当然这个论述值得商榷，“奥佩拉”实验采用的是高能μ中微子；而SN1987A释放的是低能电子中微子，能量和中微子类型都不相同。不过即使考虑这些，也不足以造成如此大的区别。

有的理论物理学家提出解释，若中微子真的能超光速，可能性有二，要么是光速并非速度的极限，要么是粒子能够“走捷径”，能比光更快到达目的地。精确地说，这就是宇宙不只是我们常识所能认知的四维世界（即时间和三维空间），而是有第五甚至第六维空间的存在。物理学近几十年发展的弦理论（即物质最基本的构成并非粒子，而是比粒子更细的弦），却显示宇宙可能有九维空间甚至更多，这些空间仅存于极微观的尺度，常人根本无法理解，但极微细粒子（或弦）却有办法通过。科幻小说家最爱说的虫洞超光速旅行理论，也与此有关，只是以人类的能力，到可见将来都不可能实现这种时光之旅。

从本质上来说，“走捷径”的说法意味着中微子具有特殊性质，这样相对论也是对的，这个实验结果也是对的。比如说，欧洲核子研究中心发出的中微子有可能振荡到一种惰性中微子，而隋性中微子可以在多维空间中“抄近路”，然后再振荡回普通中微子，这样看起来中微子就跑得比光快这种理论认为超光速之所以出现，是因为我们的物理世界具有额外的维度，因而导致从四维空间看似乎中微子速度超过光速，但实际上中微子由于“抄近路”，其实际速度并未超过光速。

其实，中微子超光速现象并不是OPERA项目组首次宣称发现。早在2007年，在美国费米实验室进行的国际合作项目“米诺斯”实验中，也观测到了类似的中微子超光速现象。他们进行了几乎完全相同的实验，连加速器到探测器的距离都非常接近。“米诺斯”实验为734千米，“奥佩拉”实验为730千米。唯一区别是“米诺斯”采用的是能量为3吉电子伏的μ中微子，而“奥佩拉”实验采用的主要是17吉电子伏的μ中微子，实验结果是中微子速度比光速快10万分之5.1，非常接近“奥佩拉”实验的结果（快10万分之2.48），但当时的“米诺斯”实验由于中微子事例少，实验不确定性比较大，未能引起重视。

富于戏剧性的是，在发布这项“发现”专业研讨会的欧洲核子中心的网络视频（CERN）吸引了超过12万人观看，而通常CERN的视频只能引来几百人。这说明这项“发现”不仅震动了科学界，而且影响到广大的老百姓。2011年11月，“奥佩拉”团队再次确认了他们的测量结果。据说在两个月的时间里他们先前的数据进行了重新分析，并排除了一些可能出现的误差。在实验方法上，有所改进，以极短的脉冲发射出中微子，持续间隔仅有3纳秒，而非之前采用的更长的脉冲，以便更精确地确定中微子的确切飞行时间。测量的目标是从位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心发出，飞行730千米抵达位于意大利格兰萨索附近的地下实验室的粒子束，测量结果显示中微子从出发地抵达目的地所用的时间比它们以光速运行所需时间少了60纳秒。尽管这一速度仅比光速值高出大约百万分之20，结果依然如故：中微子还是超光速。

如果“奥佩拉”实验的结果是可靠的，那当然是非凡的发现。“而非凡的发现，必须要有非凡的证据。”对于欧洲科学家声称可能发现超光速中微子，物理学界在兴奋之余，最先想到的就是已故康奈尔大学天文学家卡尔·萨根曾说过的这句科学研究的金科玉律。现在的问题是“奥佩拉”的结果是非凡的证据吗？