中微子与新物理学

( 研究员在瑞士欧洲核子中心和意大利格兰萨索国家实验室（上图）之间进行实验，发现中微子的速度超过光速 )

在20世纪30年代，理论物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）通过质能守恒原理预言了中微子的存在，之后又经过20多年才被真正探测到，而这项发现直到39年后才为发现者赢得了一项诺贝尔奖。科学家们认为它属于轻子，是组成物质的基本粒子之一。它一开始被命名为中子，后来才改名为中微子，意思是极微小的中子，它也是名副其实，性质类似于中子，并不带电。粒子物理学家们之前一直以为中微子没有质量，后来才发现它有极小的质量，可就是因为质量实在太小，直到现在人们也没有测量出中微子的精确质量，只知道它的质量还不到电子的百万分之一。中微子分为mu，tau和电子中微子3种，这三者之间可以奇妙地相互转换，被称为中微子振荡，科学家们认为就是因为中微子和反中微子（中微子的反粒子）振荡的方式不同才使宇宙中呈现出物质多于反物质的状态。中微子只与其他物质在极短距离内发生弱相互作用，因此它可以穿越一切而如若无物。如果说现在科学家们苦苦寻找的只存在于理论中的希格斯波色子可以被称为“上帝粒子”的话，那么这个确实存在却让人难以把握，甚至无法理解的中微子却是行如鬼魅，科学家们常说它如同“幽灵”一般。

2011年9月22日的一条新闻使中微子在一天内就成为整个物理学界甚至是全世界关注的焦点，不仅在每一个大学的物理系，甚至连大众媒体都在谈论这种微小的粒子。原因只有一个，这一天，位于意大利的国际研究小组OPERA经过两年多的实验、1.6万多个实验数据，向全世界公布：从瑞士的欧洲核子中心（CERN）到意大利的约730公里的比赛中，mu中微子以微弱的优势跑赢了光速，超出了每秒2.99792458亿米的宇宙速度极限，这个实验结果如果可以被证实，就意味着物理学的基础将再一次被颠覆。

100多年前的爱因斯坦从很小的时候开始就思考一个问题：一个人如果以光速行进，他会看到什么？对这个问题长期以来的思考最终让他在1905年得出了狭义相对论。这个被人们沿用至今的理论的基础之一就是光速是宇宙中速度的极限，任何有质量的粒子速度都无法达到或是超过真空中的光速。因此，这个由来自11个国家、30个研究机构、160个物理学家组成的OPERA研究组发布了光速被超越的消息后，人们争相阅读这篇还没有正式发表的、有172个作者、长达24页的论文。这篇论文稍显冗长，其中用了大量篇幅来描述实验设备和测量方法。这就好像是一个现实版的“大家来找茬”，每个读者都希望能找出其中的疏漏进而维护狭义相对论的威严。当然这其中的每一个细节在这几年的实验过程中早就被OPERA的科学家们反复研究：这些足以和光赛跑的中微子在欧洲核子中心产生出来，由质子加速器加速的高速质子射在石墨上产生出高能的mu中微子，这些中微子因为几乎不与任何物质发生反应，所以无需为它们设置跑道，“如同子弹穿越浓雾”，它们在地壳中穿行。在运行大约730公里之后，极少数中微子被位于意大利1400米地下的格兰·萨索（Gran Sasso）国家实验室1800吨重的、注满感光乳剂和铅的中微子探测器探测到。科学家们本来是想研究在飞行过程中中微子振荡的情况，由于实验手段非常先进，可以同时精确测量中微子的飞行速度，飞行的路程除以飞行时间就是中微子这次旅行的速度。虽然说来简单，这次测量的精度却是前所不及，中微子从出发至到达的约730公里的距离经过仔细反复的测量后，误差可以小于20厘米，时间测量也用到了全球定位系统（GPS）。在这样的条件下反复测量两年多，科学家们发现，在这个赛跑中，中微子比光快了60纳秒（0.00000006秒）。

大多数物理学家还都是不敢轻易相信这个结果，这个第一次公开发表的超光速实验毕竟还是个孤例，比光速快0.000025倍听上去也并不令人信服。匹兹堡大学的物理学家亚瑟·科索斯基（Arthur Kosowsky）说，听说中微子比光速快100倍恐怕都比这个结果听上去更容易让人相信。任何一点疏漏都可能使测量出现如此微小的误差（尽管重复了两年多），但是毫无疑问，每个物理学家的心都在蠢蠢欲动，期望这个超光速的实验结果被接下来更多的实验证实，由此开启一个新物理学的时代。精确测量中微子的速度绝非易事，可以重复这种实验的地方屈指可数。因为2011年3月份大地震的破坏，日本的T2K中微子实验装置被损坏，还需要一段时间的整修才能使用，因此现在人们都把目光投向了美国费米国家实验室（Fermi Lab）的MINOS研究组，这个研究组之前也曾经测量到中微子的速度稍微高于光速，但是因为可信度比较低，研究人员认为这是测量系统的误差所致，所以并没有公布他们的实验结果。听说了OPERA研究组的实验结果后，MINOS研究组已经打算尽快重复这个实验。由其他方式也有过光速和中微子速度的比较，在1987年探测到的距离地球16万光年的SN 1987a超新星爆发中，地球上的研究人员首先探测到了中微子，几个小时后才探测到以光速行进的γ射线。但是这恐怕并不能说明在宇宙中中微子的速度可以超越光速，而是恰恰相反。因为科学家们已经在理论上证明了超新星中爆炸中产生的γ射线比同时产生的中微子更晚离开超新星，这才是它迟到的原因。否则，如果如同在OPERA的实验中一样，中微子比光速快0.000025倍，那么在16万光年的旅行中，中微子会领先γ射线不是几个小时，而是3年多。

无论是公众还是物理学家们，现在最关心的是：万一中微子的速度真的可以超越光速，会怎么样？如果超光速粒子，真的可以被证实存在，相对沉闷的21世纪物理学才真的有了第一件激动人心的大事。20世纪初期是物理学发展历史上最激动人心的一段时间，量子力学和狭义、广义相对论这几块现代物理学的基石都在这段时间诞生和发展，现代人类科技文明全都是建筑在这几块基石之上。如果真的存在超光速粒子，就说明现代物理学理论需要修正，从实验到理论，必将引发出更多基础物理定律的发现。

( 理论物理学家沃尔夫冈·泡利 )

如果可以超过光速，人们是否可以向过去发送信息？人们的时空观将会如何改变？宇宙中是否存在额外的维度，使得中微子在旅行途中进入了额外的维度从而走了“近道”？时空旅行是否会成为可能?人类该如何重新认识“真实”？如果整个物理学的基础理论都需要修正，那么这些人们最关心的问题显然都需要重新回答。但是我们并不需要早早地为这些问题准备答案，大多数物理学家此时对此仍然持否定态度，这并不是顽固守旧，而是相对论自从诞生以来经受了无数次实验的检验，至今还没有可靠的证据表明任何违反相对论的物理现象，中微子的速度是否可以超过光速还需要反复的实验证实。有些科学家甚至批评OPERA研究组的领导者安东尼奥·伊拉蒂塔托（Antonio Ereditato）过于轻率地公布了这个实验结果（尽管100多个科学家已经反复做了两年多的实验），因为得出速度超过光速的结果本身就可以证明实验存在误差。OPERA研究组即将发表的这篇论文的结尾做了一个异常谨慎的说明，作者们说，尽管展示了大量实验和分析结果证明中微子的速度超过了光速，但是作者们并不希望引发理论上的过分解读，而是更希望读者可以一起来寻找未知的系统误差。但是显然，这份说明没有起到作用，公众和物理学家们早都抑制不住开始幻想新物理学的到来。

人们对于中微子本身的了解还不够，关于超光速中微子的故事这才刚刚开始，尚未渐入佳境，远未到精彩处。无论这个故事将向哪个方向发展，都可以引起人们对于更深层次物质世界的思考，同时这个故事本身也展示了人类在认识自然界本质的过程中每一丁点的进展都经历了如何的曲折和如何高昂的代价。理论和实践时而相互引导，时而自相矛盾。对于科学研究和发现的故事，旁观者固然是津津乐道，投身其间的工作者们更是冷暖自知，无论是感到欣喜或是绝望，觉得山穷水尽或是柳暗花明，都是研究过程中的必然，不如“莫道天涯路几重，轻衫侧帽且从容”。■（文 / 苗千） 基本粒子相对论科学科普中微子光速物理学爱因斯坦opera浏览器