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意大利格兰萨索国家实验室底下的中微子探测器。

  李淼(微博)是中国科学院理论物理研究所的研究员, 曾任中国台湾大学和中国科学技术大学客座教授。他主要研究量子场论、超弦理论以及宇宙学, 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。

  如果OPERA 实验的结果得到其他实验的验证,相对论,这个已经被检验了无数次的物理学基础之一将被动摇,后果和影响将是巨大的。

  撰文李淼

  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,同时将一篇学术论文发布在著名学术论文网站arXiv 上。

  在文章中,项目组谨慎地表示,他们反复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。

  如果该结果得到验证,相对论,这个已被检验了无数次的物理学基础理论将被动摇,后果和影响将是巨大的。所以,物理学家在采取谨慎态度对待这个实验结果的同时,还怀着强烈的期待——不论这期待是什么。

  不可思议的实验

  我们来回顾一下OPERA 实验的过程。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,其他粒子都会被阻挡。

  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arXiv 上之后,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。

  质疑

  尽管经过长时间的数据分析和重复实验,OPERA 项目组自认已经排除了所有可能出现的误差,但在学术界,大多数科学家仍对OPERA 实验持怀疑态度。要判断这个结果到底有多大可信度,我们首先要考虑它是否与以前的高能物理实验相矛盾。

  在此之前,科学家就做过与中微子速度相关的实验。比如,美国费米实验室就曾做过这类实验,给能量在300 亿到2 000 亿电子伏之间的中微子定一个速度范围——不论低于还是超过光速,它们与光速的速度偏差都不应该超过两万五千分之一(也就是说,这是误差允许的范围)。这个范围与OPERA 实验并不矛盾,因为在该实验中,中微子的速度只超过光速四万分之一。不过在2007 年,费米实验室的一个研究组在实验中发现,30 亿电子伏的中微子的速度似乎比光速快了两万分之一倍,明显超出上述速度范围,但在当时,这个结果没有引起物理学界的重视,主要原因是误差太大,实际结果可能低于光速。

  看上去直接与OPERA 实验相矛盾的,是在1987 年针对一颗超新星的观测实验。这颗超新星被命名为1987A ,当时,科学家观测到这颗距离我们近17 万光年的超新星的同时,也观测到了大约20 个中微子。比较光子和中微子到达地球的时间,研究人员得出的中微子的速度范围是,与光速的偏差不会超过五亿分之一,这远小于四万分之一,因此与意大利实验相矛盾。但是,该观测实验却与OPERA 实验有几个不同之处:第一,超新星辐射出的中微子中,绝大多数是反电子型中微子;第二,地球上探测到的中微子的能量只有1 000 万电子伏,远远小于 OPERA 实验探测到的中微子能量——后者的能量范围是140 亿到400 亿电子伏;最后,超新星发出的中微子绝大多数是在太空中旅行,而OPERA 的中微子则是在地壳中前行。因此,超新星观测实验与OPERA 实验的结果是否真的矛盾,还值得商榷。

  在网上,9月23 日的那篇论文已经被引用160 多次,而引用该论文的文章,半数以上都是研究超光速中微子相关问题的。这些文章中,多数是用不同的理论来解释中微子的超光速现象,少数是质疑这个实验结果的。而在众多质疑的文章中,美国科学家安德鲁· 科恩(Andrew Cohen )和1979 年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow )的文章最引人注意(参见本期前沿扫描《超光速中微子》)。他们指出,根据弱相互作用理论,如果中微子的速度超过真空光速,中微子会辐射电子和正电子,损失能量。不论欧洲核子研究所发出的中微子起始能量有多大,到达格兰· 萨索的中微子的能量都不能超过125 亿电子伏,这显然与OPERA 的测量结果相矛盾。当然,在科恩和格拉肖的计算中,他们假设了中微子的能量与速度存在依赖关系,很多人认为,如果改变能量与速度的依赖关系,中微子也许就不会损失能量。但我们的计算发现,不论如何改变这种的依赖关系,中微子都不可避免地会损失很多能量。

  为了规避“科恩-格拉肖问题”,有些极端的理论物理学家提出,超光速中微子如果发生弱相互作用,能量不再严格守恒,取而代之的是一种新的能量守恒定律。在这种新的守恒定律中,中微子的能量要乘以一个“破坏因子”,这样就彻底规避了“科恩-格拉肖问题”。这种观点看上去很有吸引力。

  当然,更多的物理学家选择无视OPERA 实验的结果,例如 1979 年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)说: “这个实验令人印象深刻,但更多的粒子并没有超光速,而涉及中微子的实验通常又极端困难。就像有人说,在花园深处有一些小仙女,但我们只能在漆黑和有浓雾的夜晚才能看到。”

  我也在很多场合谈论过中微子超光速现象,但我也一直表示,这个结果正确的可能性并不高,即使OPERA 项目组做了重复实验后,我也没有彻底改变我的态度。因为如果这个不可思议的结果被证实,将会给物理学界带来一场“大地震”。

  修改相对论?

  很多人都知道,爱因斯坦相对论,特别是狭义相对论,是建立在光速不变基础上的。不论我们以什么速度匀速运动,我们测得的光速总是一样。另外,无论光源相对我们做什么运动,我们测得的光速也是一样。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。

  因此,爱因斯坦并没有错,至少,光速是不变的。那么我们就会问,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,而且超出的部分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,事件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他实验的检验,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。

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channelId 1 1 如果光速真的被超越:时空观或将彻底改写(图) 1 曾任中国台湾大学和中国科学技术大学客座教授。他主要研究量子场论、超弦理论以及宇宙学, 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量