中微子超光速現象一旦證實,將推翻愛因斯坦的相對論

中微子是什麼？研究中微子到底有什麼意義呢？我們還是一步一步來講解。

中微子是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號希臘字母v表示。中微子個頭小、不帶電，可自由穿過地球，自旋為1/2，質量非常輕（有的小於電子的百萬分之一），以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的「隱身人」。科學界從預言它的存在到發現它，用了20多年的時間。

中微子這種強悍的穿透力讓科學家吃盡了苦頭，為了看到它，科學家只能守株待兔，讓大量中微子與大量探測物質接觸，雖然單個中微子的反應機率小，但是總量上來以後，還是能看到一些中微子發生反應事例的。為屏蔽其他粒子的幹擾，中微子探測器一般都建在地下數百甚至上千米的礦井或者山洞中。此次發現OPERA實驗組屬於義大利格朗薩索國家實驗室，它位於橫穿義大利的格朗薩索山脈中，一條高速公路隧道連接山的兩邊，中間有3個大山洞，洞中建起了這個世界上最大的粒子物理實驗室，實驗室在地下1400米深處。

2013年11月23日，科學家首次捕捉高能中微子。而新一代的國際中微子實驗，包括測量三種中微子的質量順序以及中微子CP破壞的實驗計劃都是根據大亞灣實驗的結果進行設計的。

研究中微子的意義，從微觀世界來講，可以研究物質的結構組成，宏觀上也涉及到宇宙的起源，中微子具有優異的穿透性能，所以能夠通過研究中微子，得到遙遠地方的天體的信息。 還有，中微子通信是一個研究方向，它具有很強的方向性和優異的保密性能.它可以直接穿越地球傳播。

極地中微子探測站

中微子可以用來解釋宇宙的起源問題。科學家相信，宇宙在大爆炸之初，同時產生了物質世界和反物質世界，在宇宙的起源和演化過程中，曾經存在過反物質世界，只是它後來消失了。它消失到哪裡去了？要揭示反物質世界的消失之謎，就要從現存的物質世界中找尋蛛絲馬跡，而科學家普遍認為，廣泛存在於物質世界中的中微子，就包含了反物質世界是如何消失的重大信息。在100多億年前，由於中微子的作用，反物質消失了，最終形成了我們的世界。

費米實驗室欲揭秘宇宙形成機制

中微子振蕩

中微子總共有三種，電子中微子，μ中微子和τ中微子。由於中微子有質量，它們會發生相互轉化，叫中微子振蕩。為了研究這種現象，從2009年到2011年OPERA利用位於日內瓦的歐洲核子中心（CERN）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，產生出一束束高強度高能量的μ中微子，在地下穿透重重巖石，射向OPERA的乳膠徑跡探測器，總共檢測到16000個中微子。

大亞灣實驗基地

CERN離OPERA有730公理，在這個距離上很多μ中微子會轉變為τ中微子，檢驗探測器上探測出的中微子，可以檢驗粒子物理理論是否正確。這類中微子振蕩實驗在很多國家的多個實驗室開展，分別測量太陽中微子，大氣中微子，核電站中微子，以及加速器產生的中微子的振蕩，中微子跑動的距離從數十米到一千五百億公裡。

其中比較著名的有美國Homestake中微子探測器（Raymond Davis於1967年到1985年在這裡發現了太陽中微子的振蕩，獲2002年諾貝爾物理獎），日本的神岡/超級神岡探測器（小柴昌俊從1982年開始建造該實驗室，在這裡發現很多中微子振蕩效應效應，獲2002年諾貝爾物理獎）。

義大利實驗室發現變形中微子

超光速的中微子

歐洲科學家在實驗中發現，中微子速度超過光速。如果實驗結果經檢驗得以確認，阿爾伯特·愛因斯坦提出的經典理論相對論將受到挑戰。光速約每秒30萬公裡，愛因斯坦的相對論認為沒有任何物體的速度能夠超過光速，這成為現代物理學的重要基礎。如果真的證實這種超光速現象，其意義十分重大，整個物理學理論體系或許會因之重建。

實驗裡的中微子要比光子快60納秒（1納秒等於十億分之一秒），對於這樣一個結果，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」。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」。他沒有參與這一項目，然而查閱過實驗數據。比內特呂說，這項實驗中，中微子穿過各類物質，包括地殼，「這也許會減慢它們的速度，但絕不會增加它們的速度，讓它們超過光速」。

第二次重複性實驗的結果表明，中微子依舊比光提前到達了62納秒。這在與第一次實驗結論完全吻合的同時，也否定了關於中微子脈衝的持續性與實驗結果有關的猜測。10月份，歐洲核子研究中心優化了實驗方案並開始覆核中微子超光速實驗，最終「新的測量方法沒有改變最初的結論」。

有關超光速的現象，來自一項天體物理學研究提出了一個反對理由。1987年，一顆強大的超新星產生的大量光和中微子湧向地球。雖然中微子探測器觀察到這種微粒比光早到大約3小時，但是很有可能是這種超輕粒子先開始向地球方向飛來。中微子很難與物質產生互動，它相對比較容易從爆炸的恆星核裡逃逸出來，而光子會被多種元素吸收並重新發射出來，它從恆星核裡逃逸出來需要更長時間。如果OPERA試驗得出的結果與觀測結果一樣，科學家認為中微子應該比光早到超過4年時間。

諾貝爾獎得主格拉肖和他的同事們在一篇論文裡的解釋，能量足夠高的中微子應該能夠通過被稱作科恩-格拉肖噴射的過程產生虛擬電子對，這些噴射物將會逐漸耗盡超光速中微子產生的能量，導致它們的運行速度放慢下來。

標準物理模型的特性表明，要讓中微子的運行速度比光快，電子也要這樣。但是如果電子中微子以OPERA試驗提出的速度運行，那麼電子至少也應該比光速快十億分之一。很多試驗已經確定電子的理論極限，這很好地排除了上述假設。但事實如何，還有待觀察。

其他的超光速研究

1905年愛因斯坦提出狹義相對論，其中有兩條基本原理：光速不變原理和相對性原理，根據這兩條原理可以得到一個推論，為了維持因果律，信號的傳遞速度應該低於光速。這裡的速度既包括物質運動的速度，比如宏觀物體和微觀物質微粒運動的速度，波的速度；又包括能量和力的傳輸速度，以及廣義的信息速度。

自從相對論為自然界萬物設定了光速這一速度上限以來，一直有人試圖突破它。其中比較著名一種超光速粒子是快子，最重要的特點是質量為虛數，其速度範圍為光速到無窮大。按照這一理論，存在兩個不同的速度區域，快子的速度總是高於光速，普通物質的速度總是低於光速，光速是分界線，不能相互逾越。有趣的是，把物體從低速加速到光速是不可能的，要讓物體達到光速，需要無限大的能量；而讓快子的速度降低到光速，同樣不可能。快子的高速度並不是從低速加速而來，而是本來就有的。

快子，速度比光速快

在2000年，復旦大學倪光炯教授就用快子理論解釋過中微子質量問題：有些觀測數據表明中微子質量似乎是虛數，中微子可能是快子，速度比光速快。快子理論從提出到現在已經快50年了，一直只被認為是物理遊戲，不是真實的物理，因為就在於人們很難接受虛質量，我們周圍的物質質量都是正數或者零。如果能夠容忍虛質量，那麼OPERA實驗倒是可以輕鬆解釋了。

天文學中就有這樣的假「超光速」現象，一種是超新星視速度，一種是宇宙膨脹的速度。前者是類星體發出的與觀測者視線方向夾角很小的亞光速噴流，實際上並沒有超過光速。 後者是是時空本身的膨脹速度，它可以比真空中的光速大很多，但是狹義相對論中的速度是指時空背景固定以後，相對於該背景的速度。這兩種現象均未違反狹義相對論。

黑洞輻射是超光速現象

值得關注的」超光速「現象有兩類，都有眾多實驗支持 第一類「超光速」現象發生在量子隱形傳態過程中。在量子傳輸的過程中，通過量子糾纏態使AB兩個粒子發生關聯，當一個粒子的量子態被探測後兩個兩粒子瞬時塌縮到本徵態，這時B粒子的態就包含了A粒子的信息。這種信息的傳遞是「超光速」的。但是觀測者不可能馬上知道傳送的信息是什麼，因為此時B粒子仍處於量子疊加態，對它的測量不能得到完全的信息，必須知道對A粒子採取了什麼測量，所以不得不通過現實的信息傳送方式（如電話，網絡等）告訴乙地的測量者甲粒子此時的狀態。最終，我們獲得信息的速度還是不能超過光速，狹義相對論仍然頑強地成立。

第二類」超光速「實驗是光脈衝在特殊介質中的傳播，最具轟動效應的實驗是2000年普林斯頓NEC研究院的華人物理學家王立軍等主持的光脈衝穿過銫原子氣體實驗，他發現，光脈衝峰值進入介質之前，在另一邊已經有脈衝峰出射了。光脈衝是含有很多不同頻率的光的一種疊加。由於涉及到因果律等重大基礎問題，這類實驗引起了極大的反思和廣泛的思考，經討論發現，出射脈衝可以看成是由入射脈衝前沿與介質相互作用產生的；光脈衝的速度應定義為波前速度，狹義相對論並未被真正違反。這個實驗給我們以啟發，OPERA實驗採用的是中微子束，所測量的速度可能不是物理速度。

今天的物理學包容性很強，還是有很大的餘地來容納和解釋這一實驗。我們已經有一些新的理論，比如快子理論，比如額外維理論，甚至有光速可變理論，洛倫茲對稱性破缺理論等新奇理論都想跑出來證明一下理論的正確性。物理學家都是最保守的革命派，一旦實驗證實已有的理論有問題，他們會毫不猶豫地擁抱實驗事實，並建起新的理論大廈。在此之前，實驗物理學家應該儘快證實或者否定OPERA組的結果。

科學家對於中微子的基礎研究的重要性要遠遠大於它的實用性。100多年前居裡夫人發現原子核的衰變時，也無人知曉這將意味著什麼，今天核能的利用已經深刻地改變了世界。今天無比神秘的中微子還只是在象牙塔裡，隨著人類對自然界認識的不斷深入，中微子的更多謎團被揭曉的那天，也許將深刻地影響未來。