新聞背景
最近，歐洲核子研究中心宣布，與他們合作的一個意大利實驗OPERA發現中微子的速度超過了光速。
現代物理學建立在相對論和量子論兩大支柱之上，而相對論的基本假設之一，就是光速不可超越。如果發現了超光速現象，一百多年來人們深信不疑的相對論將受到嚴重挑戰，也使科幻小說中的星際旅行和時間穿越成為可能。
超光速的八卦新聞以前也時有耳聞，但是這一次，由于歐洲核子研究中心在科學研究中的權威地位和中微子的特殊性，還是在科學界和公眾中引起了轟動。
光速不變假設是怎么來的？
運動員在推鉛球的時候，會先向前滑步，再奮力將鉛球推出。身體滑步的速度，加上鉛球相對于身體的速度，使鉛球的出手速度更快，推得更遠。在機場的輸送帶上行走，比在地面上行走更快。這些日常的經驗告訴我們，速度是可以疊加的。
那么，站在輸送帶上向前照射的光，是不是也比地面上的光快呢？十九世紀的人們就是這樣認為的。1887年，兩個美國人邁克爾遜和莫雷想利用這個速度疊加原理測出地球運動的速度。沿著地球運動方向的光，應該比垂直方向的光快?？墒墙Y果卻令人驚訝，不管他們怎么轉動儀器，都沒有發現兩個方向的光速有什么不同。
人們花了二十年的時間來解釋邁克爾遜和莫雷的實驗。1905年，愛因斯坦假定相對性原理和光速不變原理，推出了著名的相對論。相對性原理，就是在勻速前進的機場輸送帶上，所有的物理規律都跟站在地面上時一樣。光速不變原理，就是在輸送帶上發出的光，速度跟在地面上發出的光是一樣的，不會因為輸送帶在向前走而變得更快，它是一個固定的值，也是宇宙中的最高速度。
光速不變會帶來什么結果？
相對論的公式看起來非常簡單，可是對時間和空間的理解，卻是一場革命，與日常經驗相差很遠，也導致了很多奇妙的結果。
首先是時間和空間不再獨立。你的手表跟我的手表，看到的不是同一個時間。運動得越快，時間走得越慢。另外一個效應是空間會縮短。坐著高速飛船經過地球的話，會發現地球在運動方向上被壓縮了，變成了一個扁球。速度越快，扁得越厲害，甚至看上去像一個薄餅。
在相對論規律成立的宇宙里，星際旅行存在一種奇異的理論上的可能性。假如我們要去一個1000光年外的星球，站在地球上看，即使飛船的速度非常接近光速，也需要1000年，看上去似乎宇航員不可能在100年的壽命內到達。但實際上，宇航員的時間會變慢，如果他以0.9999倍光速飛行，地球上的1000年，對他來說只有14年。不能不佩服中國古人“天上一日，地下一年”的奇思妙想，竟然與現代科學如此一致。換一個角度，站在這個飛船上看，飛船是不動的，目標星球在向飛船飛來。由于飛船不動，因此時間沒有變慢，不過距離被壓縮變短了。1000光年的距離，變成了14光年，這樣，不管是站在地球上看，還是站在飛船上看，用宇航員的時間來衡量，都是14年飛到。
雖然星際旅行存在這種理論上的可能性，但如果一個宇航員去外星走了一趟，回來發現滄海桑田，2000年已經過去了，人非物也非，有誰會愿意嗎？
相對論已經被無數實驗證實
相對論的這些奇怪結果，只有速度接近光速時才顯露出來，對日常生活是沒什么影響的。但也不是完全沒有。相對論最有名的推論就是質能關系E=mc2。由于光速是一個很大的數，它揭示了質量中蘊藏著巨大能量。原子彈和核電站就是基于這個原理，將一小部分質量轉化為能量。
現在GPS走進了千家萬戶。GPS的定位信號來自天上的24顆GPS衛星。由于衛星在繞地球高速飛行，它的時間會比在地球上慢，如果不做相對論修正，一天之后定位就會差好幾公里。不過更大的修正來自廣義相對論中地球引力的修正。
一百多年來，相對論得到了無窮多次的精確檢驗。除了很多專門的檢驗實驗，實驗室中的“日常”現象也都在驗證著。比如在高能物理的加速器中，電子或質子的能量被加速得很高，但速度只能接近光速。在北京正負電子對撞機中，電子被加速到光速的99.999997%，每秒鐘在240米的加速環中轉1百萬圈。只要相對論稍有差池，我們就無法控制這樣精密的加速過程。
正因為如此，不少知名科學家包括諾貝爾獎獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是OPERA實驗錯了。的確，OPERA實驗的測量難度很大，只有這樣一個結果是很難讓人相信的。不過，由于中微子的特殊性，還是有很多科學家假定OPERA實驗是正確的，并饒有興味地考慮各種可能的解釋。
怎樣解釋中微子超光速實驗？
在OPERA實驗結果發表后，除了科學家口頭表達的看法外，幾天內就出現了幾十篇論文，探討實驗的結果。
從概率上來說，最大的可能性是這個實驗本身有漏洞，只不過現在還沒有被發現。有人指出了實驗的幾個測量環節有可能會出問題。諾貝爾獎獲得者格拉肖發表論文，說明如果真的超了光速，中微子的能量會在地下飛行過程中損失，實驗結果會自相矛盾。因此，當務之急是重復實驗結果。諾貝爾獎獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎論壇時表示，另外兩個意大利中微子實驗BOREXINO和ICARUS可以用來驗證。美國MINOS實驗也表示，他們會馬上分析數據，給出一個初步結果，然后再改進測量設備，驗證OPERA實驗的結果。
第二種可能是中微子具有特殊性質，這樣相對論也是對的，這個實驗結果也是對的。比如說，歐洲核子研究中心發出的中微子有可能振蕩到一種惰性中微子，而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”，然后再振蕩回普通中微子，這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認為中微子的質量不是固定的，與暗能量有關聯，會隨環境變化，這樣在飛行過程中看起來比光速快。諸如此類的理論很多，不過這些理論本身就需要大量實驗來證實。
第三種可能就是相對論錯了，光速是可以超過的。這個敢想的人還真不多。還是先重復一下實驗，證明它對了再說吧。
延伸閱讀
奇怪的中微子
中微子是一種難以捉摸的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、繆中微子和陶中微子。它們質量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產生大量中微子。它極難被探測，幾乎不與物質發生相互作用，被稱為“鬼粒子”，可以輕松地穿過人體、建筑，甚至地球，不帶來任何影響。所以，中微子在概念被提出26年后，科學家才在實驗室中第一次觀測到這種神秘粒子的存在。中微子不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。#p#分頁標題#e#
以前人們以為中微子是沒有質量的，永遠以光速飛行。1998年日本的超級神岡實驗發現它們可以從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振蕩，間接證明了它們具有微小的質量。不過這個質量非常非常小，到現在還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，到現在也沒有測出與光速的差別。由于它很難探測，是我們了解最少的基本粒子，現在還存在大量的未解之謎。正因為如此，在其它粒子都有大量證據證明嚴格遵守相對論時，也有不少人懷疑中微子會不會是個特例？
瑞士大型強子對撞機。
“薩德伯里”中微子天文臺里的中微子探測器。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
