“超光速中微子”引发的震撼与思考（原创）

 

  

 突破光速意味着什么？

“超光速中微子”引发的震撼与思考 

 

文/奇 云

 

 

 

惊天发现：中微子的速度超过光速

 

2011年9月22日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）公布了一项令人惊掉下巴的实验结果：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。

“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（Gran Sasso）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一万亿亿颗速度极大的质子，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公里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，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，研究者们非常震惊。他们反复检查了6个月，提高实验精度、排除实验误差，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六标准差（6 Sigma），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。

OPERA实验的新闻发布会现场

 

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，才于2011年9月22日正式公布了实验结果。同日，《自然》（Nature）、《科学》（Science）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（注：arXiv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。

 

 

 

 

颠覆经典：超光速中微子引发广泛争议

 

爱因斯坦的狭义相对论被誉为“现代物理学所有理论的基石”。该理论认为，没有任何物质的速度能超过真空中的光速。毋庸置疑，一旦中微子超光速现象得到证实，将给爱因斯坦的狭义相对论带来巨大挑战，整个物理学理论体系或许会因之重建。因此，这一“颠覆性发现”一经公布，迅速演变成一个公众事件——有否认者，有质疑者，有审慎支持者，有用各种假说解释者，还有声称“时光旅行即将实现”等充满科幻想法的人……。

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。

但与此同时，也有科学家对超光速现象表示信任，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。但这并不意味着能将爱因斯坦的理论扔进垃圾箱。它仍然起作用，只是有些时候需要其他解释而已。

“奥佩拉”实验所遇到的最大挑战，是著名的超新星SN 1987A的中微子爆发事件。1987年2月24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十万分之2.48，那么SA1987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SN 1987A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。

专家解释，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。复杂点说，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5甚至第6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9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（wormholes）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。

 

欧洲核子研究中心中微子超光速实验（及该中心地下对撞机线路结构）示意图

 

事关重大：非凡发现要有非凡的证据

 

“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。

值得一提的是，欧洲核子中心和格兰萨索国家实验室都是世界著名的研究机构。其中，欧洲核子中心是高能物理领域最大的研究中心，也几乎是最权威的机构。在欧洲核子中心进行的实验获得过两次诺贝尔奖。而且，这次实验中的中微子也正是由欧洲核子中心发射的。这个实验本身的科学性和严谨性应该都是可以相信的。而格兰萨索国家实验室是意大利国家核物理研究院所属的四大国家实验室之一，是世界上对物质稳定性、太阳中微子和原始磁单极研究的重要实验室。格兰萨索国家实验室的这个“奥佩拉”实验是一个非常著名的实验，由200多名出色的科学家完成。这些科学家都是甚有经验和“正经”的科学家。按高能物理的传统，正式发表的结果肯定经过了反复推敲验证，在内部进行了多次独立分析，评审每个环节。从他们的文章中也可以看到，基本上每个重要的数字都采用不同方法检验，或独立验证，他们的数字是经得起推敲的。凭空猜测他们哪里做错了，肯定是更不靠谱的。但也有可能什么地方他们没有想到，更有可能碰巧仪器的系统误差就是这样的。他们出错的概率要比相对论出错的概率大。

其实，中微子超光速现象并不是欧洲核子研究中心首次发现。早在2007年，在美国费米实验室进行的国际合作项目“米诺斯”（MINOS）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3GeV（GeV是吉电子伏特的缩写，1吉电子伏特=10⁹电子伏特，即10亿电子伏特）的μ中微子，而“奥佩拉”实验采用的主要是17GeV的μ中微子，实验结果是中微子速度比光速快十万分之5.1，非常接近“奥佩拉”实验的结果（快十万分之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。

要论证“奥佩拉”实验发现超光速中微子这个结果，最重要的是要对“奥佩拉”实验进行重复实验，必须换实验、换人来进行。不同实验的系统误差不一样，再碰巧一次的可能性就比较低。不过，开展重复实验的难度也不小。这个实验需要大的质子加速器，而产生中微子的代价是非常昂贵的。探测器本身的造价就在1亿美元量级，而加速器装置要在几十亿美元以上，然后建好一个实验室一般需要十年左右的时间。目前只有美国、日本有条件重复这个实验。日本的实验装置因地震时遭到破坏，但预计今年十二月可以恢复使用。当然，仅凭一个实验来挑战相对论，是不可能的，除非有几十次实验都证明同一个结果，科技界才会接受。据悉，日本的T2K实验室和美国芝加哥的费米实验室的研究团队已经开始验证这一实验。当前，中微子是否真的超光速还没有被更多实验室证实，讨论它的颠覆作用还为时尚早，我们需要足够的耐心和理性来等待，对待科学，严谨和慎重是必要的。

 

 

欧洲核子研究中心，标明粒子加速器位置。右侧是机场，可见现代科学装置的巨大。

 

 

潜在影响：撼动现代物理学的根基

 

1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，修正了牛顿时空观中空间、时间、引力三者互相割裂以及运动规律永恒不变的看法，从哲学上根本改变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念。而“物体运动速度不能大于真空中的光速”是狭义相对论的基本原则。

超光速中微子的发现，引发了人们的无限遐想：是不是意味着离“穿越时空”不远？“是不是能够制造出“时光机”、物体空间传送机？更大的疑惑还有：因果性还能存在吗？未来会影响过去吗？爱因斯坦的狭义相对论是因果律概念的基石：原因在前、结果在后，不论你身在何处。超光速中微子如果存在，这一理论也将被颠覆。简单地说，也就是我们所熟知的由因到果的次序都将颠倒，可能有了果再有因。比如炮弹，是先打出去，然后落到对方阵地爆炸；因果论被颠覆后，我们看到的将是炮弹已经爆炸，却还没从大炮上被打出去呢。

专家们的解答是：如果是相对论有问题，超光速中微子的发现就打开了“穿越”的可能。因为如果相对论正确，那么是不可能时光倒流的。但并不是说相对论错了，就一定能时光倒流。即使中微子真的超了光速，也只能说，原来限制这些的基本原理被打破了，并不意味着新理论一定会导致这些能实现。

这次实验所带来的冲击主要是理论上的。狭义相对论是现代物理学的基础，也是人们理解空间与时间的理论依据。如果中微子超光速现象被证实，则狭义相对论的基本原则就会受到挑战，将撼动现代物理学的根基，那么今天几乎所有的物理学都要改写。人类现有时空观将会彻底改变，甚至改变人类存在的模式。这一切都使我们联想到了二十世纪初经典物理学大厦轰然坍塌前的一幕。同样惊心动魄的事或许也会发生在相对论上。当然，相对论不会被全盘否定，它可能只需要少量改动，它还会是更广阔的理论下的一种特殊形式。但这样的改动必将产生一种新的里程碑式的理论，物理学大厦将再一次被推倒和重建。

这项研究成果与其说颠覆了现代物理的理论基础，不如说打破了人类的思维框框，对科学的发展具有特别重大的意义。它无可辩驳地证明，任何“定理”、“定律”，都只是科学探索之路的里程碑，而不是真理的终点，更不能将“金科玉律”作为继续探索的桎梏，甚至作为打击探索者的“武器”。

相对论取得了巨大的成就，对人类文明作出了巨大的贡献，这一点，任何人也否定不了，但不能因此就断定他是绝对正确的。爱因斯坦的论断是经过百年漫长检验的，近乎铁铸的真理。但是，微妙在于，能检验其正确，无法检验其更正确。科学发展不应拒绝对权威的质疑。实际上，物理学的众多重大突破都来自于对前人的质疑，当年爱因斯坦的相对论也正是在与传统的牛顿物理学的斗争中成长起来，并最终得到公认的。而且，相对论并没有摒弃牛顿物理学，而是认为它适用于物体低速运动时的特殊情况。在科学研究中，我们所得到的往往是某种特定情况下的规律，是相对真理，谁能说相对论将来不会被发现也仅仅是“相对”正确的？任何出乎意料的实验结果有时需要更多的理论和实验物理学家一起来探讨和诠释。但面对可能的重大发现，格外审慎的态度是正确的。毕竟光速作为爱因斯坦认定的极限速度，是现代物理学的基础。兹事体大，不可不慎重。在相对论被越来越多的事实不断证明是正确的情况下，我们宁愿相信是欧洲科学家们的实验数据有误。何况科学史上这样的例子也屡见不鲜的。但是，从哲学意义上讲，任何理论都不足以成为检验事实的根据和标准。如果中微子超光速现象经过反复实验是可靠的、真实的，那么任何权威理论都不能成为否定它的根据。我们唯一能做的就是从事实出发来思考和修正理论。不论今后的验证结果如何，我们都应该相信：在科学上没有绝对的真理，任何真理都可能被证伪、被颠覆，在科学上也没有绝对的权威，任何权威都可能犯低级的错误，盲目的迷信和崇拜是科学创新的大敌。

 

CERN建有世界上最大的正负电子对撞机LEP和超级质子同步加速器SPS。