如何解開中微子超光速之謎？

　　穿越730公里，中微子用時比光子還快60納秒。如果OPERA實驗結果被證實，物理學將面臨一次深刻的革命。

　　媒體輪翻轟炸報道之後漸漸趨於平靜，但學界對OPERA實驗的討論還在繼續。截至2011年12月25日，arXiv上已經發表了超過177篇文章。其中既有質疑的聲音，也有探索這一實驗結果可能的解釋。而在美國《科學》雜誌評出的2012年值得關注的六大科研領域，「超光速中微子」位居其中。

　　2011年第四期《前沿科學》雜誌刊發國內權威物理學家撰寫的多篇文章：「從本質入手研究超光速的可能性」「OPERA超光速中微子與人類對時空觀的認識歷程」「中微子超光速、洛倫茲對稱性破壞和質量起源」「Faster than light neutrinos」等，從不同角度來討論「中微子超光速」背後的物理問題。

　　需要獨立的實驗檢驗OPERA的結果

　　2011年9月23日，OPERA合作研究組首次公布中微子速度測量結果，立刻引來質疑聲一片。

　　北京大學物理學院教授馬伯強告訴記者：「從粒子物理的角度，批評最多的是，OPERA首次實驗中所採用的質子束的持續長度為10.5微秒，這是實驗測量中微子早到60納秒的近200倍，極有可能造成實驗上的系統誤差，從而導致分析的不可靠。」

　　在兩個月後的第二次實驗中，OPERA合作研究組將質子束的持續長度調整為3納秒，其中每隔524納秒發一束，以此消除可能由質子束長度帶來的系統誤差，並於11月17日更新了arXiv上的結果。馬伯強認為，此次實驗精確性有所改進，統計分析也更為可靠。

　　「事實上，費米實驗室和MINOS合作組在以前都得出過類似的結果。」馬伯強說，「但是，當時的顯著度比較低。比如說，2007年MINOS合作組也測到μ中微子超光速的現象，但實驗結果置信度僅為1.8西格瑪。這次OPERA實驗結果達到了6個西格瑪。也就是說，99.9999998%的可能是真的。」

　　OPERA重複實驗的數據消除了一些懷疑，但還遠遠不能讓人完全信服。清華大學近代物理研究所和高能物理研究中心教授何紅建告訴記者：「絕大多數行內專家對OPERA實驗結果仍然持謹慎的保留態度，大家需要靜心等待獨立的實驗檢驗。」

　　他指出，「最讓實驗家們懷疑的一個地方是OPERA使用的GPS衛星同步儀定時及其測量，這在OPERA重複實驗之前就被很多專家提了出來，但OPERA合作組目前仍無法對此進行改進。由於實驗測量導致的系統誤差還沒有徹底搞定，單純談論實驗結果的6個西格瑪標準偏差沒有太大意義。此外，使用GPS進行定時還必須計入由於愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論引起的修正效應，後者還比前者大得多。這個修正的大小與目前OPERA的實驗誤差和聲稱的超光速偏離相比無法忽略。」

　　何紅建提醒記者注意，假定狹義和廣義相對論對GPS定時的修正效應正確無誤，進而在實驗數據分析中導出狹義相對論被破壞的大小這個邏輯推理本身就受到嚴重質疑。嚴格的做法是在GPS定時中扣除相對論修正效應時就必須考慮可能的相對論破壞效應，這樣才能前後自洽的定量確定最後可能的相對論破壞效應的真正大小。遺憾的是，這樣的分析OPERA根本沒有做。

　　目前，美國和日本的實驗組也正在計劃重做這個實驗。何紅建認為，如果其他實驗仍然無法在GPS定時上給出令人信服的解決方案，那麼其實驗結果無論正反都將繼續受到質疑。

　　「要在一個大家熟悉的能量尺度推翻像相對論這樣一個已經在同樣尺度甚至更高尺度得到大量實驗檢驗的理論是一件非常不易且希望渺茫的事情。」何紅建對OPERA實驗持悲觀態度。他說，「如果其他實驗否定OPERA結果，那麼此事很快就會在學界銷聲匿跡；如果其他實驗得出的結果既不支持也未完全否定OPERA結果，那麼徹底搞清這個問題至少需要3—5年甚至更長的時間。」

　　「目前國際上絕大多數行內專家仍然認為，在OPERA實驗的能量尺度，OPERA測量出錯的可能性大於99%，中微子具有某種未知奇異特性的可能性小於1%，愛因斯坦狹義相對論出問題的可能性至少小於0.01%。」何紅建說。

　　需要明確「中微子超光速」可能發生的能量尺度

　　「狹義相對論超越了絕對時空觀，揭示了基本的時空對稱性，也就是洛倫茲對稱性。只有當洛倫茲對稱性被破壞，才有可能發生超光速現象。」中國科學院院士，理論物理研究所所長吳岳良指出。

　　那麼，洛倫茲對稱性究竟在什麼樣的能量尺度和物理過程中會被破壞？

　　「在具體討論任何洛倫茲對稱性破壞的理論之前，首先要搞清楚洛倫茲破壞可能發生的合理的能量尺度究竟應該在哪裡。」何紅建指出，描述自然界電、弱、強這三種基本力的理論稱之為基本粒子物理學的「標準模型」。這個理論包含兩大基本對稱性：時空對稱性（洛倫茲對稱性）和內部對稱性（規範對稱性）。弱力的規範對稱性必須自發破缺，其破缺尺度由著名的費米耦合常數決定，它帶有質量量綱為-2，從其實驗測定值可以直接推斷出費米常數揭示了一個獨特的能量尺度，大約300GeV。「但是，與內部的規範對稱性不同，標準模型自身無法提供洛倫茲對稱性破壞的能量尺度。」

　　何紅建提醒記者注意，自然界四大基本相互作用中除了費米耦合常數之外唯一一個有非零量綱的耦合常數就是牛頓引力常數，其質量量綱也為-2，與費米常數類似，它提供了整個物理學的另一個基本能量尺度——普朗克尺度（1.22×1019GeV），在那裡量子引力效應變得非常重要。不僅因為狹義相對論無法描述引力，而且愛因斯坦的廣義相對論也無法完滿描述量子引力，所以這是物理學家們預期產生洛倫茲破壞最自然的能量標度。「由於標準模型本身的對稱結構不包含這樣一個尺度，洛倫茲破壞效應就只能作為『高階效應』出現，受到普朗克尺度倒數的壓低。對於OPERA實驗來說，這個壓低因子小到10－18量級，遠遠小於OPERA合作組聲稱的10－5量級的超光速效應。」

　　「雖然我們還無法確認10－5 量級的洛倫茲破壞效應絕對不會發生，但可以肯定，其發生的可能性非常小。因此，如果OPERA結果沒有得到其他實驗的獨立驗證，物理學家們絕對不會感到任何意外。」何紅建還強調，「相對論破壞(或稱洛倫茲對稱性破壞)效應不一定導致超光速，實際上任何粒子的速度低於相對論預言的速度也是破壞相對論的可能表現形式。據我所知，國際上沒有任何關於洛倫茲破壞的理論能夠確定地預言超光速，低於相對論預言速度的洛倫茲破壞也是完全可能的。因此中微子超光速是否存在這個問題目前根本無法單純從理論上給予解決。歸根結底，這是一個實驗問題。」

　　「利用光速、牛頓引力常數和普朗克常數，可以組合出可能的量子引力的能標，也就是普朗克能標。研究量子引力的物理學家們相信，在普朗克能標下，量子引力現象將會呈現出來，狹義相對論中的能動量色散關係會受到微小的修正。在新的能動量色散關係下，極限速度將可能不再是光速，相應地將可能有一個微小的修正。」由此，在馬伯強看來，從量子引力的時空觀角度，OPERA實驗中微子速度略高於光速並不算十分意外。「但這一實驗的意外之處在於，中微子超光速的幅度比線性修正預言的幅度整整大了十萬億倍。這值得我們思考，普朗克能標真的是量子引力能標嗎？」

　　需要研究「中微子超光速」的約束條件

　　馬伯強及其研究團隊長期研究洛倫茲對稱性破壞問題。在OPERA合作組公布實驗結果的3天後，他們就向arXiv提交了題為「Neutrino speed anomaly as signal of Lorentz violation」的文章。

　　「2011年我們提出了洛倫茲破壞的新理論，對相對論的相對性原理修正為：描述物理學規律的方程在所有允許的數學流形是一樣的。」馬伯強基於這個理論建立了標準模型拓展和標準模型補充。「我們假設中微子超光速成立，然後將OPERA實驗數據代入模型，得出的結論是：洛倫茲破壞的參數是10－5量級。這和OPERA實驗超光速是一個量級。」

　　不止於此，由於1987年超新星爆發是電子中微子，而OPERA實驗中觀測到的是μ中微子。馬伯強認為，如果能夠建立理論使得速度與不同各類的中微子相關，那麼1987年超新星爆發就和OPERA實驗結果能夠自洽。

　　問題是，一個新理論是否能夠站得住腳還要看它能否經受得住其他諸多條件的約束。

　　切倫科夫效應就是一個非常強的約束條件之一。它是指一個帶電粒子在媒質中超光速運行會有很強的輻射效應。美國理論物理學家格拉肖和合作者指出，由顯示洛倫茲破壞的超光速中微子在傳播過程中，會發生切倫科夫效應，損失能量。這意味著它們到達探測器的能量和角度分布以及時間結構都會發生改變，遠不像OPERA合作組聲稱的那樣簡單。

　　吳岳良認為應從本質入手研究中微子超光速的可能性。他提出，目前的粒子物理標準模型無法解釋中微子的超光速現象，那麼有沒有新的相互作用和新的物態，特別是與中微子之間而不是與其他物質的特殊相互作用。同時，研究洛倫茲對稱性的破壞必須與粒子間相互作用的內稟對稱性一起考慮，只有這樣，對中微子是否可能有超光速現象的認識才會更深入。

　　「2011年諾貝爾獎頒給了宇宙加速膨脹的發現，這表明宇宙中存在一種新的物態——暗能量。其存在從本質上也表明了要超越愛因斯坦。因此，要超越愛因斯坦的狹義相對論，就必須研究超越狹義相對論成立的條件，如超越四維時空，重新認識真空以及引入新的特殊相互作用等，必須要有突破性的新想法。」吳岳良說。