如何解开中微子超光速之谜？穿越730公里，中微子用时比光子还快60纳秒。如果OPERA实验结果被证实，物理学将面临一次深刻的革命。 媒体轮翻轰炸报道之后渐渐趋于平静，但学界对OPERA实验的讨论还在继续。截至2011年12月25日，arXiv上已经发表了超过177篇文章。其中既有质疑的声音，也有探索这一实验结果可能的解释。而在美国《科学》杂志评出的2012年值得关注的六大科研领域，“超光速中微子”位居其中。 2011年第四期《前沿科学》杂志刊发国内权威物理学家撰写的多篇文章：“从本质入手研究超光速的可能性”“OPERA超光速中微子与人类对时空观的认识历程”“中微子超光速、洛伦兹对称性破坏和质量起源”“Faster than light neutrinos”等，从不同角度来讨论“中微子超光速”背后的物理问题。 需要独立的实验检验OPERA的结果 2011年9月23日，OPERA合作研究组首次公布中微子速度测量结果，立刻引来质疑声一片。 北京大学物理学院教授马伯强告诉记者：“从粒子物理的角度，批评最多的是，OPERA首次实验中所采用的质子束的持续长度为10.5微秒，这是实验测量中微子早到60纳秒的近200倍，极有可能造成实验上的系统误差，从而导致分析的不可靠。” 在两个月后的第二次实验中，OPERA合作研究组将质子束的持续长度调整为3纳秒，其中每隔524纳秒发一束，以此消除可能由质子束长度带来的系统误差，并于11月17日更新了arXiv上的结果。马伯强认为，此次实验精确性有所改进，统计分析也更为可靠。 “事实上，费米实验室和MINOS合作组在以前都得出过类似的结果。”马伯强说，“但是，当时的显著度比较低。比如说，2007年MINOS合作组也测到μ中微子超光速的现象，但实验结果置信度仅为1.8西格玛。这次OPERA实验结果达到了6个西格玛。也就是说，99.9999998%的可能是真的。” OPERA重复实验的数据消除了一些怀疑，但还远远不能让人完全信服。清华大学近代物理研究所和高能物理研究中心教授何红建告诉记者：“绝大多数行内专家对OPERA实验结果仍然持谨慎的保留态度，大家需要静心等待独立的实验检验。” 他指出，“最让实验家们怀疑的一个地方是OPERA使用的GPS卫星同步仪定时及其测量，这在OPERA重复实验之前就被很多专家提了出来，但OPERA合作组目前仍无法对此进行改进。由于实验测量导致的系统误差还没有彻底搞定，单纯谈论实验结果的6个西格玛标准偏差没有太大意义。此外，使用GPS进行定时还必须计入由于爱因斯坦狭义相对论和广义相对论引起的修正效应，后者还比前者大得多。这个修正的大小与目前OPERA的实验误差和声称的超光速偏离相比无法忽略。” 何红建提醒记者注意，假定狭义和广义相对论对GPS定时的修正效应正确无误，进而在实验数据分析中导出狭义相对论被破坏的大小这个逻辑推理本身就受到严重质疑。严格的做法是在GPS定时中扣除相对论修正效应时就必须考虑可能的相对论破坏效应，这样才能前后自洽的定量确定最后可能的相对论破坏效应的真正大小。遗憾的是，这样的分析OPERA根本没有做。 目前，美国和日本的实验组也正在计划重做这个实验。何红建认为，如果其他实验仍然无法在GPS定时上给出令人信服的解决方案，那么其实验结果无论正反都将继续受到质疑。 “要在一个大家熟悉的能量尺度推翻像相对论这样一个已经在同样尺度甚至更高尺度得到大量实验检验的理论是一件非常不易且希望渺茫的事情。”何红建对OPERA实验持悲观态度。他说，“如果其他实验否定OPERA结果，那么此事很快就会在学界销声匿迹；如果其他实验得出的结果既不支持也未完全否定OPERA结果，那么彻底搞清这个问题至少需要3—5年甚至更长的时间。” “目前国际上绝大多数行内专家仍然认为，在OPERA实验的能量尺度，OPERA测量出错的可能性大于99%，中微子具有某种未知奇异特性的可能性小于1%，爱因斯坦狭义相对论出问题的可能性至少小于0.01%。”何红建说。 需要明确“中微子超光速”可能发生的能量尺度 “狭义相对论超越了绝对时空观，揭示了基本的时空对称性，也就是洛伦兹对称性。只有当洛伦兹对称性被破坏，才有可能发生超光速现象。”中国科学院院士，理论物理研究所所长吴岳良指出。 那么，洛伦兹对称性究竟在什么样的能量尺度和物理过程中会被破坏？ “在具体讨论任何洛伦兹对称性破坏的理论之前，首先要搞清楚洛伦兹破坏可能发生的合理的能量尺度究竟应该在哪里。”何红建指出，描述自然界电、弱、强这三种基本力的理论称之为基本粒子物理学的“标准模型”。这个理论包含两大基本对称性：时空对称性（洛伦兹对称性）和内部对称性（规范对称性）。弱力的规范对称性必须自发破缺，其破缺尺度由著名的费米耦合常数决定，它带有质量量纲为-2，从其实验测定值可以直接推断出费米常数揭示了一个独特的能量尺度，大约300GeV。“但是，与内部的规范对称性不同，标准模型自身无法提供洛伦兹对称性破坏的能量尺度。” 何红建提醒记者注意，自然界四大基本相互作用中除了费米耦合常数之外唯一一个有非零量纲的耦合常数就是牛顿引力常数，其质量量纲也为-2，与费米常数类似，它提供了整个物理学的另一个基本能量尺度——普朗克尺度（1.22×1019GeV），在那里量子引力效应变得非常重要。不仅因为狭义相对论无法描述引力，而且爱因斯坦的广义相对论也无法完满描述量子引力，所以这是物理学家们预期产生洛伦兹破坏最自然的能量标度。“由于标准模型本身的对称结构不包含这样一个尺度，洛伦兹破坏效应就只能作为‘高阶效应’出现，受到普朗克尺度倒数的压低。对于OPERA实验来说，这个压低因子小到10－18量级，远远小于OPERA合作组声称的10－5量级的超光速效应。” “虽然我们还无法确认10－5 量级的洛伦兹破坏效应绝对不会发生，但可以肯定，其发生的可能性非常小。因此，如果OPERA结果没有得到其他实验的独立验证，物理学家们绝对不会感到任何意外。”何红建还强调，“相对论破坏(或称洛伦兹对称性破坏)效应不一定导致超光速，实际上任何粒子的速度低于相对论预言的速度也是破坏相对论的可能表现形式。据我所知，国际上没有任何关于洛伦兹破坏的理论能够确定地预言超光速，低于相对论预言速度的洛伦兹破坏也是完全可能的。因此中微子超光速是否存在这个问题目前根本无法单纯从理论上给予解决。归根结底，这是一个实验问题。” “利用光速、牛顿引力常数和普朗克常数，可以组合出可能的量子引力的能标，也就是普朗克能标。研究量子引力的物理学家们相信，在普朗克能标下，量子引力现象将会呈现出来，狭义相对论中的能动量色散关系会受到微小的修正。在新的能动量色散关系下，极限速度将可能不再是光速，相应地将可能有一个微小的修正。”由此，在马伯强看来，从量子引力的时空观角度，OPERA实验中微子速度略高于光速并不算十分意外。“但这一实验的意外之处在于，中微子超光速的幅度比线性修正预言的幅度整整大了十万亿倍。这值得我们思考，普朗克能标真的是量子引力能标吗？” 需要研究“中微子超光速”的约束条件 马伯强及其研究团队长期研究洛伦兹对称性破坏问题。在OPERA合作组公布实验结果的3天后，他们就向arXiv提交了题为“Neutrino speed anomaly as signal of Lorentz violation”的文章。 “2011年我们提出了洛伦兹破坏的新理论，对相对论的相对性原理修正为：描述物理学规律的方程在所有允许的数学流形是一样的。”马伯强基于这个理论建立了标准模型拓展和标准模型补充。“我们假设中微子超光速成立，然后将OPERA实验数据代入模型，得出的结论是：洛伦兹破坏的参数是10－5量级。这和OPERA实验超光速是一个量级。” 不止于此，由于1987年超新星爆发是电子中微子，而OPERA实验中观测到的是μ中微子。马伯强认为，如果能够建立理论使得速度与不同各类的中微子相关，那么1987年超新星爆发就和OPERA实验结果能够自洽。 问题是，一个新理论是否能够站得住脚还要看它能否经受得住其他诸多条件的约束。 切伦科夫效应就是一个非常强的约束条件之一。它是指一个带电粒子在媒质中超光速运行会有很强的辐射效应。美国理论物理学家格拉肖和合作者指出，由显示洛伦兹破坏的超光速中微子在传播过程中，会发生切伦科夫效应，损失能量。这意味着它们到达探测器的能量和角度分布以及时间结构都会发生改变，远不像OPERA合作组声称的那样简单。 吴岳良认为应从本质入手研究中微子超光速的可能性。他提出，目前的粒子物理标准模型无法解释中微子的超光速现象，那么有没有新的相互作用和新的物态，特别是与中微子之间而不是与其他物质的特殊相互作用。同时，研究洛伦兹对称性的破坏必须与粒子间相互作用的内禀对称性一起考虑，只有这样，对中微子是否可能有超光速现象的认识才会更深入。 “2011年诺贝尔奖颁给了宇宙加速膨胀的发现，这表明宇宙中存在一种新的物态——暗能量。其存在从本质上也表明了要超越爱因斯坦。因此，要超越爱因斯坦的狭义相对论，就必须研究超越狭义相对论成立的条件，如超越四维时空，重新认识真空以及引入新的特殊相互作用等，必须要有突破性的新想法。”吴岳良说。 |
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