爱因斯坦败给“超光速粒子”？

2007年3月21日，欧洲大型强子对撞机发射中微子束隧道，宛如时间机器。

中微子探测器“萨德伯里”中微子天文台。

研究人员正在观看粒子实验的电脑追踪图像。

2006年11月25日，德国卡尔斯鲁厄，人们在运送中微子实验的分光仪。

　     金秋九月，一颗以诡异著名的微小粒子跑出史上最好成绩，比“粒子界的博尔特”光速还快，所有看客惊掉了下巴。科学界和人文学界少见地一起陷入激动的高潮！如果这是真的，“光速不可超越”的物理学界金科玉律将成谬误，以爱因斯坦相对论奠基的现代物理学大厦需要重新构建。接下来呢？时间旅行可能成为现实的狂想，令哲学家和科幻作家夜不能寐。等一下，科学总在证伪中进步没错，但是爱因斯坦真的错了吗？

　　小粒子的爆炸效应

　　意大利科学家发现一种粒子跑得比光还快——中微子。对，电影《2012》中毁灭地球的中微子，不过这次不是忽悠，而是真实的科学数据。这一消息震惊全球。如果真是如此，光速将不再是宇宙的速度极限，爱因斯坦的狭义相对论及整个现代物理学都将重写。半个月来，全球各地的物理学家都在忙着分析这篇研究报告，物理学界少有这么忙活的时刻。

　　“一下子出现这么多论文，实在很令人惊讶。”数学家彼得·瓦特说，“这是正常的过程。当有什么让人激动的实验结果出来后，每个人都想第一个做出解释。现在看来，这次还不同以往。”

　　他指的就是9月23日那个打破物理学界平静的爆炸弹。

　　意大利格兰萨索国家实验室OPERA项目研究人员接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束。中微子理论上没有质量，几乎可以穿透任何物质，在理论上可以以光速飞行。

　　因此，在OPERA实验位于地下深处长达730公里的管道中，科学家假定中微子以光速飞行。距离和速度是固定的，那么中微子的飞行时间也应该固定。但是，令人惊讶的是，从日内瓦飞到意大利罗马附近，中微子不仅没有迟到，而且还比预计时间早到了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)，即每秒钟多“跑”了6公里。

　　这个诡异的实验结果，就目前看来，只有一种解释：中微子飞得比光速更快。

　　这意味着什么？按照为现代物理学奠基的爱因斯坦狭义相对论，光速恒定，它是宇宙的极限速度，没有任何物质可以超越光速运行。

　　“如果OPERA的结果是正确的，那将给整个物理界带来一场观念上的革新。”欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯对本报记者说，“我们构建当前时空观的基本原理就会崩塌，我们得重新思考时空。”

　　物理学家的狂热分析

　　中微子会比光速还快，这个想法太不同寻常，连OPERA实验的科学家也不敢贸然做出猜测。“我们不做出任何猜测。”他们在一份声明中表示。

          然而，如果实验结果正确，这可能是本世纪乃至现代物理学上最惊人的发现了。科学家的态度一贯相当谨慎。他们在还未正式发表这篇研究论文之前，就把研究报告放在一份公开的论文网站上。“我们希望别的科学家能够做出验证。”他们说。

　　因为这个结果潜在的巨大影响力，OPERA科学家还不同以往地专门开展了一场网络直播，现场向欧洲核子中心的同行们和全球物理学界的科学家们讲解自己的实验方法和过程。华裔科学家丁肇中在现场夸赞这个实验：“我想祝贺你们做出了一个极其美妙的实验”。

　　事实上，欧洲核子研究中心的竞争对手、著名的美国费米实验室早在2007年就观测到了类似的“中微子超光速”现象，但由于该实验对结果估算的误差较大，导致可信度低。如今，费米实验室打算重做实验，验证超光速粒子的实验结果。

　　不过，意大利科学家发布的数据是经过三年的时间和15000次左右的计算融和的结论。目前类似实验很难在其他国家予以重复验证，日本的实验室遭受海啸重创，费米实验室无法达到欧洲核子中心的实验精度。

　　即使如此，在过去的半个月中，这个实验还是成为全球物理学家的热门话题。无数科学家放下了手边的活，涌入在线公开论文网站arxiv.org，逐字逐句地研究OPERA发布的实验数据和过程。很多人在物理博客上发表见解，还有很多人干脆自己也在同一网站上发表了论文，阐释看法。

　　“超光速”过不去的坎

　　在众多的发言中，没有几个物理学家真正相信，中微子会快过光速。

　　“反方”阵营大部分来自理论物理学家，最权威的一个解释来自于诺奖获得者、物理学家谢尔顿·格拉斯豪。他和他的同事在发表的论文中指出，如果中微子运行速度快于光速，其反过来会制造出一种“虚粒子”，并同时夺走中微子的能量。假设中微子真的会以超光速飞行，它们丧失的能量也只会让它们飞一会儿，不足以支撑到整个OPERA实验设计的距离。

　　欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯也发表了一篇论文，支持格拉斯豪。“如果中微子以超光速飞行，它会释放出一些电子和质子，从而丧失能量，这与OPERA探测的高能中微子结果相悖。

　　另一个挡在OPERA实验结果前的坎儿，来自于一个20多年前的天文发现。

　　1987年，天文学家在银河系伴星系大麦哲伦星云观测到一颗超新星爆发，并且探测到中微子数量突然增加。这是人类首次明确探测到来自银河系外确定来源的中微子，也是迄今为止对中微子速度最准确的测定。

　　有科学家称，那次发现的中微子源到地球的距离足有十几万光年。如果这次意大利的数据确为超光速现象，这些中微子就应该比光提前好几年抵达地球，而实际上它们只提前了三个小时。“这是意大利的数据无法解释的矛盾。”果壳网频道主编虞骏说。

         还有一些质疑来自设计实验的应用物理学家，他们寻找这个实验中可能存在错误的地方。一些论文指出，可能是原子钟的同步出了问题，或者中微子束的尾部测量上出现差错。

　　但是，这些鸡蛋里挑骨头的举动，虽然提醒人们实验可能存在错误，但还没有人找到真正的问题所在。

　　相对论的“黑天鹅”

　　中微子这个诡异的粒子，总是能够引起理论界和实验界的争议，但也更能引发物理学家的新的思路。

　　在另外一些提交的解释论文中，一些人给出了新的答案。这些新见解，就更加前沿，更加科幻了。有一批人认为，某些中微子可以在不同时空中跳来跳去，因此在实验中可能在不同维度中走了“捷径”；有人认为，中微子在穿越固体地球的时候，比穿越空间时飞得更快；有人认为，中微子可能穿透了暗物质，同时，光质子则因为与暗物质的反应而变慢了；还有人认为，中微子的速度在不同的方向和一天中不同的时间而发生变化。

　　“现在说哪种理论更好，显得过于冒失。”欧洲核子研究中心的理论物理学家约翰·埃利斯对媒体说，“他们可能都是错的，因为这个结果可能最终会蒸发。”

　　不过，这些解释还是有用的。“科学定论最初来自实验结果，但之后，就得靠理论物理学家们，就像打字机上的猴子一样，一个个的猛击各种可能。”

　　“包括爱因斯坦的相对论在内，所有的科学理论可以说都只是一个到目前为止看起来最合理的假设。”虞骏说，“就好像‘所有的天鹅都是白的’这个说法，在没有发现其他颜色的天鹅之前，就是一个合理的假设，可以拿来指导我们的判断。当然，后来发现了黑天鹅，这个说法自然就被证伪了。”

　　“科学家实际上一直在为难他们的理论，会想方设法去检验理论，看它能否经得起最严苛的考验，只不过到目前为止，相对论经受住了所有实验的检验。”

　　“但这无法排除或许有一天，相对论也会遇到自己的黑天鹅，但这不代表相对论就一无是处了。这在科学上绝对是一件值得欢庆的事情，因为科学又找到了向前突破的方向。”

　　B10-B11版  本报记者  金煜

　　■  释疑

　　中微子毫不费力穿透地球

　　在物理世界中，没有哪种粒子能够像中微子那样神秘。它个头超小，几乎无质量，不带电荷，理论上会以光速运行，可以轻松穿越几乎一切物质。它也是最难捕捉的粒子，被称为“幽灵粒子”。但它或许可以解开宇宙起源最深的奥秘。

　　堪比“变形金刚”

　　如果你把手放在太阳底下，你知道每秒钟有多少个无形的从太阳里跑出来的中微子会穿透你的手吗？答案是：1兆亿个。

　　太阳会发射出可观数量的中微子，这是美国的理论物理学家约翰·巴赫卡尔通过数学计算得出的。

       上世纪60年代，美国科学家雷蒙德·戴维斯在一个可以屏蔽宇宙背景辐射的废弃金矿中设置了中微子捕捉器。到了上世纪80年代，实验不断改进后，也只发现了预计中三分之一的中微子。

　　理论中计算出的海量中微子数量，和实际观测到的数量反差十分巨大，令人们困惑了30年。最后的答案出人意料。

　　欧洲核子研究中心发现，中微子有三种“变体”。在从太阳内核到地球的过程中，它会在不同的变体中任意转化，就像钟摆振动一样，这又称为“中微子振荡”。戴维斯的实验只探测到三种“变体”中的电子中微子。

　　不过，现在科学家还不知道这三种中微子之间的质量差别到底有多少，也不知道它们到底有多重。

　　“加热地球”忽悠人

　　在两年前大红大紫的电影《2012》中，一次剧烈的太阳耀斑放射出了大量的中微子。因为中微子携带能量，其与地球内核发生反应，加热了地球。

　　的确，太阳释放大量的中微子；其穿透力也极强，比医生用的X射线的穿透力还要高10亿倍；中微子也可以达到地球内核，产生一些能量，这些都是真实的科学。不过，这些能量能把整个地球加热，这就是科幻了。

　　古戴斯表示，要产生电影中这些毁灭性的效果，这在科学界看来不现实。

　　“雌雄同体”穿透一切

　　根据标准模型，宇宙大爆炸后，在极短的时间内，纯粹的能量转化为物质和反物质。正反物质不能共存，两者碰撞时会发生湮灭。

　　那为什么我们物质战胜了反物质，构成了世界？

　　中微子不带电荷，它对应的反物质就是它本身，是唯一正反物质为一体的粒子。对中微子的探索，或许可以解开正反物质的谜。

　　科学家发现，中微子比电子要小上亿倍，本身不带电荷，不受电磁力与强力的影响，与其它物质之间的作用相当之弱。不过，当大量中微子穿越某个原子核的时候，可能会有少量中微子发生反应，但这种影响微乎其微。对于宇宙中的中微子来说，固体物质就像真空一样，可以毫不费力地穿透其它物质，包括地球。

　　“中微子的特殊性在于，它和其它物质的互相作用微乎其微。”欧洲核子研究中心的古戴斯对本报记者说，“要挡住一个放射性衰变放射出的中微子，你需要一个厚度有从地球到南门二星系(位处天空南方的半人马座，距离太阳系4.24光年)那么长的铁块。”

　　中微子还有其它一些奇特的性能让人好奇。在量子层面，大部分的粒子的自旋都有“右手性”，唯有中微子是一个“左撇子”。一些科学家认为这可能是其它维度的证据，可以用来解释目前听起来还比较玄的多维度理论。

　　上世纪30年代，科学家发现在原子核衰变过程中，有一些能量莫名其妙地消失了，不符合能量守恒定律。物理学家泡利据此预言，还有一种未被发现的粒子，带走了能量。物理学家费米将其命名为中微子，意思是“非常小的中性粒子”。

　　中微子不会与其它物质“亲密接触”，但当撞入原子时会产生一定的信号。在1956年的一次试验中，年轻的美国物理学家费德里克·瑞恩斯和克劳迪·柯瓦等人清楚地观测到中微子出现后显示出来的脉冲信号。人类第一次验证中微子的存在。

　　如今，全球已经有多个昂贵、巨大的探测器在捕捉中微子。这些探测器大都处于地下深处，以最大可能屏蔽其它的放射性粒子。常见的探测器都需要大量的水或油，让中微子与这些水分子或油分子的电子和原子核发生反应，通过脉冲信号得到探测数据。

责任编辑：汪舟（实习）