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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(shí)驗OPERA發(fā)現(xiàn)中微子的速度超過了光速。

現(xiàn)代物理學(xué)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(shè)之一，就是光速不可超越。如果發(fā)現(xiàn)了超光速現(xiàn)象，一百多年來人們深信不疑的相對論將受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，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(xué)研究中的權(quán)威地位和中微子的特殊性，還是在科學(xué)界和公眾中引起了轟動。

光速不變假設(shè)是怎么來的？

運(yùn)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(yuǎn)。在機(jī)場的輸送帶上行走，比在地面上行走更快。這些日常的經(jīng)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(jì)的人們就是這樣認(rèn)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(yùn)動的速度。沿著地球運(yùn)動方向的光，應(yīng)該比垂直方向的光快?？墒墙Y(jié)果卻令人驚訝，不管他們怎么轉(zhuǎn)動儀器，都沒有發(fā)現(xiàn)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(shí)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(jìn)的機(jī)場輸送帶上，所有的物理規(guī)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(fā)出的光，速度跟在地面上發(fā)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(jié)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(jīng)驗相差很遠(yuǎn)，也導(dǎo)致了很多奇妙的結(jié)果。

首先是時間和空間不再獨(dú)立。你的手表跟我的手表，看到的不是同一個時間。運(yùn)動得越快，時間走得越慢。另外一個效應(yīng)是空間會縮短。坐著高速飛船經(jīng)過地球的話，會發(fā)現(xiàn)地球在運(yùn)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(guī)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(nèi)到達(dá)。但實(shí)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(xiàn)代科學(xué)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(biāo)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(fā)現(xiàn)滄海桑田，2000年已經(jīng)過去了，人非物也非，有誰會愿意嗎？

相對論已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗證實(shí)

相對論的這些奇怪結(jié)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(zhì)能關(guān)系E=mc2。由于光速是一個很大的數(shù)，它揭示了質(zhì)量中蘊(yùn)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(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。

現(xiàn)在GPS走進(jìn)了千家萬戶。GPS的定位信號來自天上的24顆GPS衛(wèi)星。由于衛(wèi)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(shí)驗，實(shí)驗室中的“日常”現(xiàn)象也都在驗證著。比如在高能物理的加速器中，電子或質(zhì)子的能量被加速得很高，但速度只能接近光速。在北京正負(fù)電子對撞機(jī)中，電子被加速到光速的99.999997%，每秒鐘在240米的加速環(huán)中轉(zhuǎn)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(xué)家包括諾貝爾獎獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是OPERA實(shí)驗錯了。的確，OPERA實(shí)驗的測量難度很大，只有這樣一個結(jié)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(xué)家假定OPERA實(shí)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(shí)驗？

在OPERA實(shí)驗結(jié)果發(fā)表后，除了科學(xué)家口頭表達(dá)的看法外，幾天內(nèi)就出現(xiàn)了幾十篇論文，探討實(shí)驗的結(jié)果。

從概率上來說，最大的可能性是這個實(shí)驗本身有漏洞，只不過現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)。有人指出了實(shí)驗的幾個測量環(huán)節(jié)有可能會出問題。諾貝爾獎獲得者格拉肖發(fā)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(shí)驗結(jié)果會自相矛盾。因此，當(dāng)務(wù)之急是重復(fù)實(shí)驗結(jié)果。諾貝爾獎獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎?wù)搲瘯r表示，另外兩個意大利中微子實(shí)驗BOREXINO和ICARUS可以用來驗證。美國MINOS實(shí)驗也表示，他們會馬上分析數(shù)據(jù)，給出一個初步結(jié)果，然后再改進(jìn)測量設(shè)備，驗證OPERA實(shí)驗的結(jié)果。

第二種可能是中微子具有特殊性質(zhì)，這樣相對論也是對的，這個實(shí)驗結(jié)果也是對的。比如說，歐洲核子研究中心發(fā)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(rèn)為中微子的質(zhì)量不是固定的，與暗能量有關(guān)聯(lián)，會隨環(huán)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(shí)驗來證實(shí)。

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(fù)一下實(shí)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(zhì)量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產(chǎn)生大量中微子。它極難被探測，幾乎不與物質(zhì)發(fā)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(xué)家才在實(shí)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(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關(guān)，例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱很有可能是由中微子造成。#p#分頁標(biāo)題#e#

以前人們以為中微子是沒有質(zhì)量的，永遠(yuǎn)以光速飛行。1998年日本的超級神岡實(shí)驗發(fā)現(xiàn)它們可以從一種類型轉(zhuǎn)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(zhì)量。不過這個質(zhì)量非常非常小，到現(xiàn)在還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，到現(xiàn)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(xiàn)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(jù)證明嚴(yán)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(qiáng)子對撞機(jī)。

“薩德伯里”中微子天文臺里的中微子探測器。