中微子超光速實驗 將改寫人類時空觀(圖)

中微子超過光速，將改變現有物理學認識。（網路圖片）

2011年9月22日下午，義大利格蘭‧薩索國家實驗室的OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs的縮寫）項目組宣布，他們探測到的中微子速度超過了光速；11月19日，歐洲的一個物理學家小組通過實驗再次得到了相同的驚人結果——中微子的速度確實超越了光速。這意味著將顛覆支撐現代物理學的愛因斯坦相對論，如果光速真的被超越，那麼，時空觀將徹底改寫。

12月30日，《環球科學雜誌》刊登了曾任中國臺灣大學和中國科學技術大學客座教授，物理研究員李淼的文章。他說：如果光速真的被超越：時空觀或將徹底改寫。

英國《自然》雜誌網站9月22日報導，義大利格蘭薩索（GranSasso）國家實驗室下屬的一個名為OPERA的實驗裝置，接收了來自著名的歐洲核子研究中心的中微子，兩地相距730公里，中微子「跑」過這段距離的時間比光速還快了60納秒（1納秒等於十億分之一秒）。

並表示，他們反覆檢查了所有可能出現的誤差，但還是解釋不了中微子為何會比預計時間早到了約60納秒（中微子是從歐洲核子研究所發出，目的地是義大利格蘭‧薩索國家實驗室，兩地相距約730千米。通常來說，中微子應該和光同時到達），因此只得將測量結果公之於眾，希望整個物理學界幫助他們找出可能出現的錯誤。

一納秒是十億分之一秒，光速約為每秒30萬千米。一納秒內，光可以前進30厘米，由於中微子速度和光速差不多，因此中微子在60納秒內比光多跑了18米，說明中微子的速度比光速快了四萬分之一倍。這個相對增速並不大，但恰好在OPERA實驗可以探測到的範圍內。如果將數據統計和實驗儀器的不確定性加起來，OPERA實驗的誤差在10納秒左右，所以60納秒這個數字，絕不能簡單地用誤差來解釋。

回顧不可思議的實驗

OPERA實驗過程：首先，歐洲核子研究所的超級質子同步加速器產生出4,000億電子伏的質子流。這些質子經過一段管道後，擊中一塊長為兩米的石墨，產生κ介子和π介子，這些介子繼續前行一千米，在此過程中衰變成μ子和μ子型中微子。接著，所有這些粒子與一個鐵－石墨靶碰撞，除了中微子外，其它粒子都會被阻擋。

由於中微子能穿過任何物體，因此它們直接飛往格蘭‧薩索國家實驗室。同時，研究人員會測量μ子的數量，所得結果將和格蘭．薩索實驗室測量到的中微子數相比較。中微子從歐洲核子研究所到格蘭‧薩索實驗室的旅行都是在地殼中進行，距離是732千米。這個距離是用全球定位系統（GPS）來測量的，兩地時鐘也是通過這個系統來校準。

OPERA項目組稱，距離的測量誤差不會超過20厘米，時鐘的誤差也不超過10納秒。通過長達半年的數據分析，項目組終於宣布了驚人的初步結果。

把初步結果公布在學術論文網站arXiv後，OPERA項目組又要求歐洲核子研究所提供新的質子流，因為此前的質子流太長，這會引起不必要的誤差。新的質子流不到一米長，相當於光速運行3納秒的距離，遠短於60納秒，這就排除了最可能出現的誤差。進行了半個月的重複實驗後，研究人員探測到20個中微子，結果中微子的到達時間仍提前了62.1納秒。

同時，不同的研究人員還重新分析了此前的數據，得到的結果是，中微子的到達時間平均提前了57.8納秒，這與重複實驗的結果是吻合的。經過近兩個月的細心檢查和重複實驗，OPERA項目組把9月23日的那篇文章加長了10頁後，終於正式向學術期刊投稿了。

中微子超光速 挑戰愛因斯坦相對論

愛因斯坦1905年在狹義相對論中提出的「光速不可超越」的理論，一直被整個物理學界奉為聖經，這一理論構成了現代宇宙學和粒子物理學的基礎。

文章中指，測量光速是否變化的一個著名實驗是邁克爾遜－莫雷實驗。這個實驗很簡單，讓光從一個光源發出，經過兩個不同路徑後，到達同一個地方，然後發生干涉。

如果光速與方向有關，並與我們的運動速度有關，那麼當我們轉動邁克爾遜干涉儀，就會看到干涉條紋的移動，或當我們運動起來，也會看到干涉條紋的移動。我們知道，地球相對太陽運動，運動速度大約是每秒30千米，所以冬季和夏季地球有一個每秒60千米的相對運動速度。但在實驗中，科學家並沒有發現這個相對運動速度，也就是說光速與地球的運動無關。

19世紀末，邁克爾遜和莫雷所做的實驗得出了光速變化的範圍：不會超出每秒8千米，與30萬千米相比，不到三萬分之一。到了本世紀，光速的精確度已經達到10∼17。現在，光速已成為一個標準，被定義為每秒299,792,458米。又由於銫原子鐘非常精準，一天的誤差也不會超過一納秒，因而我們可以用光速和時間來定義距離。在OPERA實驗中，歐洲核子研究所到義大利格蘭．薩索實驗室的距離，就是通過全球定位系統利用光速來測量的。

不是說在相對論中，光速是一個不可超越的極限嗎？回答這個問題並不容易。原則上，相對論並沒有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被稱為快子，相對論告訴我們，快子的行為很古怪，速度越高，能量越低。這種古怪特性加上量子力學，使得人們認為快子不可能存在，因為量子力學允許快子不斷地輻射能量，在快子輻射能量之後，它的速度反而加快了。這個現象與不穩定性有關，也就是說，如果存在快子，那麼快子會使我們生活的空間很快發生爆炸。

在OPERA實驗中，超光速中微子並不簡單地意味著它們就是快子。事實上，項目組在4個不同的能量水平上測量了中微子的速度，結果發現中微子的速度是不變的，也就是說，在140億到400億電子伏這個能量範圍，中微子都超光速，而且超出的部分都大約為光速的四萬分之一。快子的能量和速度的關係肯定不是這樣的。另外，1987A超新星的中微子能量更低，速度也更低，這也和快子的行為矛盾。

那麼我們能得出什麼結論？因為快子是相對論允許的，而中微子不是快子，所以，儘管我們肯定光速不變，但相對論還是錯了；所以，如果一年後新的實驗驗證了OPERA實驗的結果，我們可以肯定地說，相對論必須修改!

OPERA實驗的另一個結果也非常奇特。過去三年中，研究人員在不同的季節統計了中微子速度，速度也與季節無關。也就是說，中微子速度雖然超出光速，但和光速類似，它與季節也就是與地球的運動無關。如果我們假定，一個理論中存在兩個不變的速度，這個理論中的時空將是特別怪異的。例如，我們可以利用光速不變定義距離，也可以用中微子速度不變定義距離，但在不同的參照系中，這樣定義出來的距離並不一致！這個例子說明，長度的定義不絕對。而比長度定義不絕對更令人驚駭的是，時間這個概念也不絕對了。

總之，中微子超光速的結論很可能經不起其它實驗的檢驗，但是，萬一通過了檢驗，我們的時空觀就將徹底改寫，物理學的基礎理論之一粒子物理也將改寫。甚至，愛因斯坦的另一個著名理論——萬有引力的時空彎曲理論同樣會改寫。

假如中微子超光速的實驗結果是正確的，一些物理學家猜測，在我們這個空間之外還存在其它未知的空間，這些中微子就是抄了其它空間的「近路」而「跑」得比光還快。有研究人員稱，如果中微子超光速，時空旅行將是可能的。中國古人講的「天上方一日，地上已千年」也就不是奇異的幻想。

中微子

中微子是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，中微子質量非常輕，小於電子的百萬分之一。中微子具有最強的穿透力。穿越地球直徑那麼厚的物質，在100億個中微子中只有一個會與物質發生反應，因此，中微子也被稱為宇宙間的「隱身人」。中微子在發射後不斷衰變，質量變得非常小，它是唯一在理論上可以以光速運行的粒子。