中微子到中微子到底能不能超光速?
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一条爆炸性新闻
2011年9月22日，意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为“OPERA”的实验装置，接收到来自欧洲核子研究中心的中微子。经测算，中微子在跑过这段732公里距离所用的时间，比光还快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。这一结果给科学界带来了巨大困惑，因为这与爱因斯坦狭义相对论中光速是宇宙速度的极限，没有任何物质的速度可以超越光速的理论相悖。正在学术界将信将疑之际，同年10月，欧洲核子研究中心优化了实验方案并开始复核中微子超光速实验，最终认为“新的测量方法没有改变最初的结论”。难道这条重要的物理定律真的要被改写？光速并不是宇宙速度的极限！这一爆炸性新闻如石破天惊，不仅引起了学术界的震动，也引起了广大科学粉丝的情绪亢奋。什么是中微子？什么是暗物质？这些深奥的科学内容一时间成了人们讨论的热门话题。为此笔者撰文对中微子及其相关的问题作一个回顾和简述。
发现中微子：众里寻她千百度
说起中微子的发现，则要追溯到上世纪20年代末。科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现在这个过程中有一部分能量不知去向，这使科学家们不胜困惑：在亚原子过程中能量守恒定律是否还成立？当时年仅30岁的奥地利物理学家泡利对能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直觉预言：在此过程中，必定还有一种不带电的，质量极小的，与别的物质相互作用极弱，以至无法探测到的新粒子释放出来，就是它带走了那一部分能量。他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”（意大利语：Neutrino，字面上的意义为“微小的电中性粒子”，又译作微中子）。1942年，美国物理学家艾伦按照我国物理学家王淦昌提出的方法，首次通过实验间接证实了中微子的存在。由于中微子与物质的相互作用很弱，要直接探索到中微子是非常困难的，连泡利本人也认为中微子也许永远测不到。然而，困难并不能阻碍科学的进展，在泡利提出中微子假说26年之后，1955年美国洛斯阿拉莫斯实验室的莱因斯和考恩在核反应堆的β衰变过程中，观测到了中微子诱发的反应，这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。他们把400升醋酸镉水溶液作为靶液，放入新投入使用的核反应堆中（作中微子源），每小时测得2.8个中微子，与理论预测完全一致。莱因斯因此荣获了1995年诺贝尔物理学奖。
莱因斯捕捉到的中微子与泡利预言的中微子一样，都是原子核在β衰变发射电子时放出的，称为电子中微子。1936年μ子发现后新的问题又出现了。μ子主要是由π介子衰变而来的，届时也会产生中微子，那么此中微子与彼中微子是否相同呢？为此美国物理学家莱德曼、施瓦茨和斯泰因贝格尔在布鲁克海文国立实验室，利用300亿电子伏特同步加速装置所提供的高能μ子中微子进行实验，从1960年至1962年间做了300小时的观察，结果证实了这是两种不同的中微子。他们三位也因此荣获了1988年诺贝尔物理学奖。
话分两头，1975到1977年间，美国斯坦福大学教授佩尔在该校的加速器上做电子对撞实验时，又发现了一种寿命很短的新粒子，定名为τ子。τ子也有相对应的中微子，称为τ子中微子。
2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据。
现代宇宙学通过理论计算告诉我们：中微子的种类上限为3，即有3种中微子，它们是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。而每一种中微子都有相对应的反中微子。从泡利对中微子存在的预言，到本世纪初对3种不同类型中微子的理论预测，全部都被实验证实。整整历时80年，可谓任重而道远。
探索中微子：路漫漫兮其修远兮
电子中微子被证实之后，围绕着中微子的研究课题就及时展开了。读者也许要问，中微子与物质的相互作用十分微弱，又难以捉摸，研究它有何意义呢？当然一个中微子是无足轻重的，但是，在我们这个宇宙中，中微子的数量极多，充满了宇宙的每个角落，平均每立方厘米就有300个左右的中微子，数量与光子差不多，比其他所有的粒子要多几十亿倍呢！所以中微子对整个宇宙来说有举足轻重的作用。另外，中微子还有一种本领，它能够在星球的内部畅行无阻，因此它可以把太阳和其他星球的内部信息带给我们。科学家们还想利用中微子的这种特点来做地球的断层扫描，让埋在地球深处的奥秘一览无余；还设想让中微子穿透地球内部传送信息，这样长距离通讯就用不着经过卫星和地面中继站兜圈子了……基于中微子的上述特点，几十年来高能物理学界对中微子的探索和研究一直积极地进行着。然而令人沮丧的是，虽然研究也取得了一些成果，但在几个关键的问题上仍没有确凿的定论。笔者将它们戏称为像风像雨又像雾。大抵说来有3大问题存疑：中微子有没有质量？中微子是暗物质吗？太阳中微子失踪之谜（见下页链接“中微子的三大谜团”）。
中微子超光速：想要信你不容易
从1980年起天文学家就对中微子的速度进行侦测，结果显示中微子的速度就是光速。但是到了1987年，当超新星SN 1987A爆发时，世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是，在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时，中微子就已经被侦测到了。对于这个现象，当时科学家把它解释为：当超新星爆发时，中微子比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快。当然，这个速度亦与光速十分接近。
2011年9月，位于意大利格兰萨索国家实验室的 OPERA实验小组宣布观测结果：研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。他们的实验装置接收到来自欧洲核子研究中心的中微子，经测算，中微子在跑过这段732公里距离所用的时间，比光还快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。这可是非常显著的差异。如果此结果被证实的话，将会引起理论物理学界的大震撼。然而，爱因斯坦的狭义相对论已经经过无数次科学实验和天文观测的证实，也是近代物理学和天体物理学的重要支柱，要想否定它恐怕没有那么容易。为此各国科学机构和专家都对此采取慎之又慎的态度，并认为：从概率上来说，最大的可能性是这个实验本身有漏洞，只不过现在还没有被发现。为此，欧洲核子研究中心特地举办了一场网络会，详细说明实验的方法以及各种误差的估算，同时邀请其他的实验机构重复相同的实验，来作为此结果的验证。今年2月，欧洲核子研究中心发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象，但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。为此他们将在今年5月重新做试验进行检测。
诺贝尔奖获得者格拉肖说，如果中微子真的超了光速，那么它的能量会在地下飞行过程中损失，实验结果会自相矛盾。因此，当务之急是重复实验结果。
当然还有另一种观点，认为中微子可能具有特殊性质，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，而惰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了。也有人认为中微子的质量不是固定的，与暗能量有关联，会随环境变化，这样在飞行过程中看起来比光速快。诸如此类的理论很多，不过这些理论本身就需要大量实验来证实。
正当笔者行文至此，准备等待新的实验结果时，好消息传来了：据国外媒体报道，爱因斯坦可以安心了，因为最新的实验结果显示，之前有关中微子超光速的消息并不成立，也就是说光速仍旧是不可超越的。这条结果也平息了之前对于这一消息的诸多争论。
欧洲核子中心研究主管赛吉尔・波特鲁西在一份声明中表示：“现有证据开始表明OPERA的实验结果是不正确的。然而不管结果如何，OPERA小组完成了一次完美的科学实验，并将他们的实验结果公之于众，接受最严苛的审查，并欢迎其他科学家对此进行独立测量。”
让我们期待今年5月的实验结果吧！ （作者单位：上海大学）