「超光速中微子」引發的震撼與思考（原創）

突破光速意味著什麼？

「超光速中微子」引發的震撼與思考

驚天發現：中微子的速度超過光速

2011年9月22日，位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）公布了一項令人驚掉下巴的實驗結果：歐洲科學家在一個名為「奧佩拉」(OPERA)的實驗項目中發現，中微子的運動速度比真空中的光速還要快。按照愛因斯坦的「狹義相對論」，光速是速度的極限，沒有任何物體的速度可以超越真空中的光速。而「奧佩拉」的實驗結果，明顯與狹義相對論相違背。

「奧佩拉」實驗就是一項旨在檢測中微子振蕩現象的實驗，由義大利格蘭薩索（Gran Sasso）國家實驗室與瑞士歐洲核子研究中心合作進行。該項目集中了來自11個國家的160位物理學家，其主要成員來自日本和義大利。從2009年到2011年的3年間，「奧佩拉」實驗利用歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器產生了一萬億億顆速度極大的質子，轟擊靶標，產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公里以外的格蘭薩索國家實驗室位於地下1400米深處的乳膠徑跡探測器。「奧佩拉」實驗方法非常平常，但實驗結果很讓人吃驚：這些中微子從加速器走到探測器所需的時間，居然比光在真空中走同樣距離的時間短60.7納秒（1納秒即十億分一秒）。也就是說，中微子的速度比真空中的光速快10萬分之2.48，每秒鐘要多要跑6千米左右。

對於這一如此重大而又違反常理的發現，研究者們非常震驚。他們反覆檢查了6個月，提高實驗精度、排除實驗誤差，包括月球的潮汐影響，地球自轉的影響，地震的影響等等。除此之外，實驗組精確測量了加速器和探測器之間730千米的距離，誤差在20厘米之內。為了讓地理學測量數據更準確，他們甚至封鎖了公路。在計時方面，他們採用了最精密的原子鐘和對時方案，使得對中微子運行時間的測量可以精確到10納秒以內。在過去的3年內，他們先後觀測到約1.6萬個中微子的超光速現象。依據這些數據，他們計算出實驗結果達到六標準差（6 Sigma），置信度達到99.9999998%。一般來說，粒子物理研究中的新現象達到4標準偏差就可以認定是一項新發現，而「奧佩拉」實驗結果達到了6標準差。

OPERA實驗的新聞發布會現場

為了慎重起見，在正式公布最終結果前，「奧佩拉」實驗組和全世界同行進行了廣泛而詳細的交流，直到發現沒有任何漏洞，才於2011年9月22日正式公布了實驗結果。同日，《自然》（Nature）、《科學》（Science）等世界頂級科學雜誌的網站報道了這一消息。9月24日，「奧佩拉」實驗組將正式的論文掛到了arXiv.org的預印本庫（註：arXiv是一個收集物理學、數學、計算機科學與生物學論文預印本的網站）。

在記者招待會上，「奧佩拉」實驗的發言人、瑞士伯爾尼大學的物理學家安東尼奧·艾瑞迪塔托，詳細介紹了超光速中微子的發現過程，他說：「我們對中微子超光速現象感到非常震驚！我們不能解釋它，又不能宣稱相對論是錯誤的。如果因為測量結果與常識不一致，就不公布結果，不是研究人員應有的正確態度。但在別人證實之前，這個現象還不能稱之為新發現。事實上，我們也花費數月時間對此現象進行檢驗，但我們沒有找出什麼差錯。該發現對人類的一些基本認識形成挑戰，因此我們持謹慎態度。」「奧佩拉」項目組號召全球物理界能幫助他們檢查中微子超光速現象，找出任何能證明實驗有錯的地方，或者用他們自己的實驗來驗證這一結果。

顛覆經典：超光速中微子引發廣泛爭議

愛因斯坦的狹義相對論被譽為「現代物理學所有理論的基石」。該理論認為，沒有任何物質的速度能超過真空中的光速。毋庸置疑，一旦中微子超光速現象得到證實，將給愛因斯坦的狹義相對論帶來巨大挑戰，整個物理學理論體系或許會因之重建。因此，這一「顛覆性發現」一經公布，迅速演變成一個公眾事件——有否認者，有質疑者，有審慎支持者，有用各種假說解釋者，還有聲稱「時光旅行即將實現」等充滿科幻想法的人……。

科學界的主流聲音是說「不」。包括英國著名物理學家史蒂芬·霍金、諾貝爾物理學獎得主丁肇中等在內的多數科學家持謹慎懷疑態度。他們解釋說，愛因斯坦的理論是一個經過無數實踐檢驗的理論，說「愛因斯坦錯了」為時尚早。這一實驗牽涉到眾多複雜的測量手段，任何方面哪怕是出現最微小的偏差，都可能影響最終結果的正確性；要麼實驗有誤差，要麼計算有錯誤，要麼實驗設計有問題，否則不會出現中微子超光速現象。在歐洲核子研究中心工作的諾貝爾物理學獎獲得者卡羅·盧比亞表示，這是個很難而且很微妙的實驗，是難以置信的驚奇，因為它將挑戰愛因斯坦的相對論，而百年來挑戰愛因斯坦的人沒有一個成功。他認為，這不僅僅是發現一個異常，而是要推翻愛因斯坦的全部理論，我們目前還沒有和愛因斯坦的相對論等同的東西。此外，卡羅·盧比亞對發布這個結果的做法並不贊同。他認為，公眾更需要了解的是被認可後的結果。

但與此同時，也有科學家對超光速現象表示信任，他們要麼基於現有理論試圖加以解釋，要麼提出新的假說。歐洲核子研究中心理論物理學家約翰·埃利斯評價：如果這一結果是事實，那的確非同凡響。英國牛津大學的宇宙粒子物理學家蘇比爾·薩卡爾稱，「如果該發現能夠被證實，將是人類史上的重大事件。法國物理學家皮埃爾·比內特呂告訴法國媒體，這是「革命性」發現，一旦獲得證實，廣義相對論和狹義相對論都將打上問號。美國印第安納大學的理論物理學家阿蘭·科斯特利基表示，從理論上而言，宇宙背景不同時會出現不完美的對稱，背景變化可能導致光速和中微子速度的變化。但這並不意味著能將愛因斯坦的理論扔進垃圾箱。它仍然起作用，只是有些時候需要其他解釋而已。

「奧佩拉」實驗所遇到的最大挑戰，是著名的超新星SN 1987A的中微子爆發事件。1987年2月24日，這顆位於大麥哲倫星雲的超新星突然爆發，拋灑出大量中微子和各頻段的電磁波。超新星爆發時發出的光線來到地球的3小時前，分布在日本、美國和俄羅斯的三台中微子探測器同時探測到中微子爆發，共有24顆中微子被探測到。這些中微子長途跋涉16.8萬年，幾乎同時到達地球，前後相差只有13秒，雖然他們比光先到達地球，看起來中微子速度比光要快，其實不然，中微子與其他物質相互作用極弱，在超新星爆發的瞬間就離開超新星了；而光子則會與周圍的物質粒子發生頻繁碰撞之後，才能拖泥帶水地逃離。SN 1987A距離地球16.8萬光年，如果「奧佩拉」實驗是正確的，中微子速度比光速快十萬分之2.48，那麼SA1987中微子到達地球的時間會比光早4.2年而非3小時。當然這個論述值得商榷，「奧佩拉」實驗採用的是高能μ中微子；而SN 1987A釋放的是低能電子中微子，能量和中微子類型都不相同。不過即使考慮這些，也不足以造成如此大的區別。

專家解釋，若中微子真的能超光速，可能性有二，要麼是光速並非速度的極限，要麼是粒子能夠「走捷徑」，能比光更快到達目的地。複雜點說，這就是宇宙不只是我們常識所能認知的四維世界（即時間和三維空間），而是有第5甚至第6維空間的存在。物理學近幾十年發展的弦理論（即物質最基本的構成並非粒子，而是比粒子更細的弦），卻顯示宇宙可能有9維空間甚至更多，這些空間僅存於極微觀的尺度，常人根本無法理解，但極微細粒子（或弦）卻有辦法通過。科幻小說家最愛說的蟲洞（wormholes）超光速旅行理論，也與此有關，只是以人類的能力，到可見將來都不可能實現這種時光之旅。

歐洲核子研究中心中微子超光速實驗（及該中心地下對撞機線路結構）示意圖

事關重大：非凡發現要有非凡的證據

「非凡的發現，必須要有非凡的證據。」對於歐洲科學家聲稱可能發現超光速中微子，物理學界在興奮之餘，最先想到的就是已故康奈爾大學天文學家卡爾·薩根曾說過的這句科學研究的金科玉律。

值得一提的是，歐洲核子中心和格蘭薩索國家實驗室都是世界著名的研究機構。其中，歐洲核子中心是高能物理領域最大的研究中心，也幾乎是最權威的機構。在歐洲核子中心進行的實驗獲得過兩次諾貝爾獎。而且，這次實驗中的中微子也正是由歐洲核子中心發射的。這個實驗本身的科學性和嚴謹性應該都是可以相信的。而格蘭薩索國家實驗室是義大利國家核物理研究院所屬的四大國家實驗室之一，是世界上對物質穩定性、太陽中微子和原始磁單極研究的重要實驗室。格蘭薩索國家實驗室的這個「奧佩拉」實驗是一個非常著名的實驗，由200多名出色的科學家完成。這些科學家都是甚有經驗和「正經」的科學家。按高能物理的傳統，正式發表的結果肯定經過了反覆推敲驗證，在內部進行了多次獨立分析，評審每個環節。從他們的文章中也可以看到，基本上每個重要的數字都採用不同方法檢驗，或獨立驗證，他們的數字是經得起推敲的。憑空猜測他們哪裡做錯了，肯定是更不靠譜的。但也有可能什麼地方他們沒有想到，更有可能碰巧儀器的系統誤差就是這樣的。他們出錯的概率要比相對論出錯的概率大。

其實，中微子超光速現象並不是歐洲核子研究中心首次發現。早在2007年，在美國費米實驗室進行的國際合作項目「米諾斯」（MINOS）實驗中，也觀測到了類似的中微子超光速現象。他們進行了幾乎完全相同的實驗，連加速器到探測器的距離都非常接近。「米諾斯」實驗為734千米，「奧佩拉」實驗為730千米。唯一區別是「米諾斯」採用的是能量為3GeV（GeV是吉電子伏特的縮寫，1吉電子伏特=10⁹電子伏特，即10億電子伏特）的μ中微子，而「奧佩拉」實驗採用的主要是17GeV的μ中微子，實驗結果是中微子速度比光速快十萬分之5.1，非常接近「奧佩拉」實驗的結果（快十萬分之2.48），但當時的「米諾斯」實驗由於中微子事例少，實驗不確定性比較大，未能引起重視。

要論證「奧佩拉」實驗發現超光速中微子這個結果，最重要的是要對「奧佩拉」實驗進行重複實驗，必須換實驗、換人來進行。不同實驗的系統誤差不一樣，再碰巧一次的可能性就比較低。不過，開展重複實驗的難度也不小。這個實驗需要大的質子加速器，而產生中微子的代價是非常昂貴的。探測器本身的造價就在1億美元量級，而加速器裝置要在幾十億美元以上，然後建好一個實驗室一般需要十年左右的時間。目前只有美國、日本有條件重複這個實驗。日本的實驗裝置因地震時遭到破壞，但預計今年十二月可以恢復使用。當然，僅憑一個實驗來挑戰相對論，是不可能的，除非有幾十次實驗都證明同一個結果，科技界才會接受。據悉，日本的T2K實驗室和美國芝加哥的費米實驗室的研究團隊已經開始驗證這一實驗。當前，中微子是否真的超光速還沒有被更多實驗室證實，討論它的顛覆作用還為時尚早，我們需要足夠的耐心和理性來等待，對待科學，嚴謹和慎重是必要的。

歐洲核子研究中心，標明粒子加速器位置。右側是機場，可見現代科學裝置的巨大。

潛在影響：撼動現代物理學的根基

1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，修正了牛頓時空觀中空間、時間、引力三者互相割裂以及運動規律永恆不變的看法，從哲學上根本改變了人們關於時間、空間、物質和運動的概念。而「物體運動速度不能大於真空中的光速」是狹義相對論的基本原則。

超光速中微子的發現，引發了人們的無限遐想：是不是意味著離「穿越時空」不遠？「是不是能夠製造出「時光機」、物體空間傳送機？更大的疑惑還有：因果性還能存在嗎？未來會影響過去嗎？愛因斯坦的狹義相對論是因果律概念的基石：原因在前、結果在後，不論你身在何處。超光速中微子如果存在，這一理論也將被顛覆。簡單地說，也就是我們所熟知的由因到果的次序都將顛倒，可能有了果再有因。比如炮彈，是先打出去，然後落到對方陣地爆炸；因果論被顛覆後，我們看到的將是炮彈已經爆炸，卻還沒從大炮上被打出去呢。

專家們的解答是：如果是相對論有問題，超光速中微子的發現就打開了「穿越」的可能。因為如果相對論正確，那麼是不可能時光倒流的。但並不是說相對論錯了，就一定能時光倒流。即使中微子真的超了光速，也只能說，原來限制這些的基本原理被打破了，並不意味著新理論一定會導致這些能實現。

這次實驗所帶來的衝擊主要是理論上的。狹義相對論是現代物理學的基礎，也是人們理解空間與時間的理論依據。如果中微子超光速現象被證實，則狹義相對論的基本原則就會受到挑戰，將撼動現代物理學的根基，那麼今天幾乎所有的物理學都要改寫。人類現有時空觀將會徹底改變，甚至改變人類存在的模式。這一切都使我們聯想到了二十世紀初經典物理學大廈轟然坍塌前的一幕。同樣驚心動魄的事或許也會發生在相對論上。當然，相對論不會被全盤否定，它可能只需要少量改動，它還會是更廣闊的理論下的一種特殊形式。但這樣的改動必將產生一種新的里程碑式的理論，物理學大廈將再一次被推倒和重建。

這項研究成果與其說顛覆了現代物理的理論基礎，不如說打破了人類的思維框框，對科學的發展具有特別重大的意義。它無可辯駁地證明，任何「定理」、「定律」，都只是科學探索之路的里程碑，而不是真理的終點，更不能將「金科玉律」作為繼續探索的桎梏，甚至作為打擊探索者的「武器」。

相對論取得了巨大的成就，對人類文明作出了巨大的貢獻，這一點，任何人也否定不了，但不能因此就斷定他是絕對正確的。愛因斯坦的論斷是經過百年漫長檢驗的，近乎鐵鑄的真理。但是，微妙在於，能檢驗其正確，無法檢驗其更正確。科學發展不應拒絕對權威的質疑。實際上，物理學的眾多重大突破都來自於對前人的質疑，當年愛因斯坦的相對論也正是在與傳統的牛頓物理學的鬥爭中成長起來，並最終得到公認的。而且，相對論並沒有摒棄牛頓物理學，而是認為它適用於物體低速運動時的特殊情況。在科學研究中，我們所得到的往往是某種特定情況下的規律，是相對真理，誰能說相對論將來不會被發現也僅僅是「相對」正確的？任何出乎意料的實驗結果有時需要更多的理論和實驗物理學家一起來探討和詮釋。但面對可能的重大發現，格外審慎的態度是正確的。畢竟光速作為愛因斯坦認定的極限速度，是現代物理學的基礎。茲事體大，不可不慎重。在相對論被越來越多的事實不斷證明是正確的情況下，我們寧願相信是歐洲科學家們的實驗數據有誤。何況科學史上這樣的例子也屢見不鮮的。但是，從哲學意義上講，任何理論都不足以成為檢驗事實的根據和標準。如果中微子超光速現象經過反覆實驗是可靠的、真實的，那麼任何權威理論都不能成為否定它的根據。我們唯一能做的就是從事實出發來思考和修正理論。不論今後的驗證結果如何，我們都應該相信：在科學上沒有絕對的真理，任何真理都可能被證偽、被顛覆，在科學上也沒有絕對的權威，任何權威都可能犯低級的錯誤，盲目的迷信和崇拜是科學創新的大敵。

CERN建有世界上最大的正負電子對撞機LEP和超級質子同步加速器SPS。

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