新聞背景

最近，歐洲核子研究中心宣布，與(yu) 他們(men) 合作的一個(ge) 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(liang) 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(men) 深信不疑的相對論將受到嚴(yan) 重挑戰，也使科幻小說中的星際旅行和時間穿越成為(wei) 可能。

超光速的八卦新聞以前也時有耳聞，但是這一次，由於(yu) 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(zhong) 中引起了轟動。

光速不變假設是怎麽(me) 來的？

運動員在推鉛球的時候，會(hui) 先向前滑步，再奮力將鉛球推出。身體(ti) 滑步的速度，加上鉛球相對於(yu) 身體(ti) 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，比在地麵上行走更快。這些日常的經驗告訴我們(men) ，速度是可以疊加的。

那麽(me) ，站在輸送帶上向前照射的光，是不是也比地麵上的光快呢？十九世紀的人們(men) 就是這樣認為(wei) 的。1887年，兩(liang) 個(ge) 美國人邁克爾遜和莫雷想利用這個(ge) 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。可是結果卻令人驚訝，不管他們(men) 怎麽(me) 轉動儀(yi) 器，都沒有發現兩(liang) 個(ge) 方向的光速有什麽(me) 不同。

人們(men) 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麵上時一樣。光速不變原理，就是在輸送帶上發出的光，速度跟在地麵上發出的光是一樣的，不會(hui) 因為(wei) 輸送帶在向前走而變得更快，它是一個(ge) 固定的值，也是宇宙中的最高速度。

光速不變會(hui) 帶來什麽(me) 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(yu) 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(ge) 時間。運動得越快，時間走得越慢。另外一個(ge) 效應是空間會(hui) 縮短。坐著高速飛船經過地球的話，會(hui) 發現地球在運動方向上被壓縮了，變成了一個(ge) 扁球。速度越快，扁得越厲害，甚至看上去像一個(ge) 薄餅。

在相對論規律成立的宇宙裏，星際旅行存在一種奇異的理論上的可能性。假如我們(men) 要去一個(ge) 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(nei) 到達。但實際上，宇航員的時間會(hui) 變慢，如果他以0.9999倍光速飛行，地球上的1000年，對他來說隻有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(yu) 現代科學如此一致。換一個(ge) 角度，站在這個(ge) 飛船上看，飛船是不動的，目標星球在向飛船飛來。由於(yu) 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(ge) 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(hui) 願意嗎？

相對論已經被無數實驗證實

相對論的這些奇怪結果，隻有速度接近光速時才顯露出來，對日常生活是沒什麽(me) 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(guan) 係E=mc2。由於(yu) 光速是一個(ge) 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於(yu) 這個(ge) 原理，將一小部分質量轉化為(wei) 能量。

現在GPS走進了千家萬(wan) 戶。GPS的定位信號來自天上的24顆GPS衛星。由於(yu) 衛星在繞地球高速飛行，它的時間會(hui) 比在地球上慢，如果不做相對論修正，一天之後定位就會(hui) 差好幾公裏。不過更大的修正來自廣義(yi) 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(zhuan) 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，但速度隻能接近光速。在北京正負電子對撞機中，電子被加速到光速的99.999997%，每秒鍾在240米的加速環中轉1百萬(wan) 圈。隻要相對論稍有差池，我們(men) 就無法控製這樣精密的加速過程。

正因為(wei) 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，隻有這樣一個(ge) 結果是很難讓人相信的。不過，由於(yu) 中微子的特殊性，還是有很多科學家假定OPERA實驗是正確的，並饒有興(xing) 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實驗結果發表後，除了科學家口頭表達的看法外，幾天內(nei) 就出現了幾十篇論文，探討實驗的結果。

從(cong) 概率上來說，最大的可能性是這個(ge) 實驗本身有漏洞，隻不過現在還沒有被發現。有人指出了實驗的幾個(ge) 測量環節有可能會(hui) 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(hui) 在地下飛行過程中損失，實驗結果會(hui) 自相矛盾。因此，當務之急是重複實驗結果。諾貝爾獎獲得者魯比亞(ya) 在參加北京諾貝爾獎論壇時表示，另外兩(liang) 個(ge) 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(men) 會(hui) 馬上分析數據，給出一個(ge) 初步結果，然後再改進測量設備，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(ge) 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”，然後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(wei) 中微子的質量不是固定的，與(yu) 暗能量有關(guan) 聯，會(hui) 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(ge) 敢想的人還真不多。還是先重複一下實驗，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(men) 質量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產(chan) 生大量中微子。它極難被探測，幾乎不與(yu) 物質發生相互作用，被稱為(wei) “鬼粒子”，可以輕鬆地穿過人體(ti) 、建築，甚至地球，不帶來任何影響。所以，中微子在概念被提出26年後，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(jin) 在微觀世界最基本的規律中起著重要作用，而且與(yu) 宇宙的起源與(yu) 演化有關(guan) ，例如宇宙中物質與(yu) 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(men) 以為(wei) 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(gang) 實驗發現它們(men) 可以從(cong) 一種類型轉變成另一種類型，稱為(wei) 中微子振蕩，間接證明了它們(men) 具有微小的質量。不過這個(ge) 質量非常非常小，到現在還沒有測出來，它們(men) 的飛行速度非常接近光速，到現在也沒有測出與(yu) 光速的差別。由於(yu) 它很難探測，是我們(men) 了解最少的基本粒子，現在還存在大量的未解之謎。正因為(wei) 如此，在其它粒子都有大量證據證明嚴(yan) 格遵守相對論時，也有不少人懷疑中微子會(hui) 不會(hui) 是個(ge) 特例？

瑞士大型強子對撞機。

“薩德伯裏”中微子天文台裏的中微子探測器。