突破光速意味著什么？
“超光速中微子”引發(fā)的震撼與思考
文/奇 云
驚天發(fā)現(xiàn)：中微子的速度超過光速
2011年9月22日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）公布了一項令人驚掉下巴的實驗結(jié)果：歐洲科學(xué)家在一個名為“奧佩拉”(OPERA)的實驗項目中發(fā)現(xiàn)，中微子的運動速度比真空中的光速還要快。按照愛因斯坦的“狹義相對論”，光速是速度的極限，沒有任何物體的速度可以超越真空中的光速。而“奧佩拉”的實驗結(jié)果，明顯與狹義相對論相違背。
“奧佩拉”實驗就是一項旨在檢測中微子振蕩現(xiàn)象的實驗，由意大利格蘭薩索（Gran Sasso）國家實驗室與瑞士歐洲核子研究中心合作進(jìn)行。該項目集中了來自11個國家的160位物理學(xué)家，其主要成員來自日本和意大利。從2009年到2011年的3年間，“奧佩拉”實驗利用歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生了一萬億億顆速度極大的質(zhì)子，轟擊靶標(biāo)，產(chǎn)生出一束束高能量的μ中微子，在地下穿透重重巖石，射向730公里以外的格蘭薩索國家實驗室位于地下1400米深處的乳膠徑跡探測器。“奧佩拉”實驗方法非常平常，但實驗結(jié)果很讓人吃驚：這些中微子從加速器走到探測器所需的時間，居然比光在真空中走同樣距離的時間短60.7納秒（1納秒即十億分一秒）。也就是說，中微子的速度比真空中的光速快10萬分之2.48，每秒鐘要多要跑6千米左右。
對于這一如此重大而又違反常理的發(fā)現(xiàn)，研究者們非常震驚。他們反復(fù)檢查了6個月，提高實驗精度、排除實驗誤差，包括月球的潮汐影響，地球自轉(zhuǎn)的影響，地震的影響等等。除此之外，實驗組精確測量了加速器和探測器之間730千米的距離，誤差在20厘米之內(nèi)。為了讓地理學(xué)測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，他們甚至封鎖了公路。在計時方面，他們采用了最精密的原子鐘和對時方案，使得對中微子運行時間的測量可以精確到10納秒以內(nèi)。在過去的3年內(nèi)，他們先后觀測到約1.6萬個中微子的超光速現(xiàn)象。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們計算出實驗結(jié)果達(dá)到六標(biāo)準(zhǔn)差（6 Sigma），置信度達(dá)到99.9999998%。一般來說，粒子物理研究中的新現(xiàn)象達(dá)到4標(biāo)準(zhǔn)偏差就可以認(rèn)定是一項新發(fā)現(xiàn)，而“奧佩拉”實驗結(jié)果達(dá)到了6標(biāo)準(zhǔn)差。
OPERA實驗的新聞發(fā)布會現(xiàn)場
為了慎重起見，在正式公布最終結(jié)果前，“奧佩拉”實驗組和全世界同行進(jìn)行了廣泛而詳細(xì)的交流，直到發(fā)現(xiàn)沒有任何漏洞，才于2011年9月22日正式公布了實驗結(jié)果。同日，《自然》（Nature）、《科學(xué)》（Science）等世界頂級科學(xué)雜志的網(wǎng)站報道了這一消息。9月24日，“奧佩拉”實驗組將正式的論文掛到了arXiv.org的預(yù)印本庫（注：arXiv是一個收集物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)與生物學(xué)論文預(yù)印本的網(wǎng)站）。
在記者招待會上，“奧佩拉”實驗的發(fā)言人、瑞士伯爾尼大學(xué)的物理學(xué)家安東尼奧·艾瑞迪塔托，詳細(xì)介紹了超光速中微子的發(fā)現(xiàn)過程，他說：“我們對中微子超光速現(xiàn)象感到非常震驚！我們不能解釋它，又不能宣稱相對論是錯誤的。如果因為測量結(jié)果與常識不一致，就不公布結(jié)果，不是研究人員應(yīng)有的正確態(tài)度。但在別人證實之前，這個現(xiàn)象還不能稱之為新發(fā)現(xiàn)。事實上，我們也花費數(shù)月時間對此現(xiàn)象進(jìn)行檢驗，但我們沒有找出什么差錯。該發(fā)現(xiàn)對人類的一些基本認(rèn)識形成挑戰(zhàn)，因此我們持謹(jǐn)慎態(tài)度。”“奧佩拉”項目組號召全球物理界能幫助他們檢查中微子超光速現(xiàn)象，找出任何能證明實驗有錯的地方，或者用他們自己的實驗來驗證這一結(jié)果。
顛覆經(jīng)典：超光速中微子引發(fā)廣泛爭議
愛因斯坦的狹義相對論被譽(yù)為“現(xiàn)代物理學(xué)所有理論的基石”。該理論認(rèn)為，沒有任何物質(zhì)的速度能超過真空中的光速。毋庸置疑，一旦中微子超光速現(xiàn)象得到證實，將給愛因斯坦的狹義相對論帶來巨大挑戰(zhàn)，整個物理學(xué)理論體系或許會因之重建。因此，這一“顛覆性發(fā)現(xiàn)”一經(jīng)公布，迅速演變成一個公眾事件——有否認(rèn)者，有質(zhì)疑者，有審慎支持者，有用各種假說解釋者，還有聲稱“時光旅行即將實現(xiàn)”等充滿科幻想法的人……。
科學(xué)界的主流聲音是說“不”。包括英國著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金、諾貝爾物理學(xué)獎得主丁肇中等在內(nèi)的多數(shù)科學(xué)家持謹(jǐn)慎懷疑態(tài)度。他們解釋說，愛因斯坦的理論是一個經(jīng)過無數(shù)實踐檢驗的理論，說“愛因斯坦錯了”為時尚早。這一實驗牽涉到眾多復(fù)雜的測量手段，任何方面哪怕是出現(xiàn)最微小的偏差，都可能影響最終結(jié)果的正確性；要么實驗有誤差，要么計算有錯誤，要么實驗設(shè)計有問題，否則不會出現(xiàn)中微子超光速現(xiàn)象。在歐洲核子研究中心工作的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者卡羅·盧比亞表示，這是個很難而且很微妙的實驗，是難以置信的驚奇，因為它將挑戰(zhàn)愛因斯坦的相對論，而百年來挑戰(zhàn)愛因斯坦的人沒有一個成功。他認(rèn)為，這不僅僅是發(fā)現(xiàn)一個異常，而是要推翻愛因斯坦的全部理論，我們目前還沒有和愛因斯坦的相對論等同的東西。此外，卡羅·盧比亞對發(fā)布這個結(jié)果的做法并不贊同。他認(rèn)為，公眾更需要了解的是被認(rèn)可后的結(jié)果。
但與此同時，也有科學(xué)家對超光速現(xiàn)象表示信任，他們要么基于現(xiàn)有理論試圖加以解釋，要么提出新的假說。歐洲核子研究中心理論物理學(xué)家約翰·埃利斯評價：如果這一結(jié)果是事實，那的確非同凡響。英國牛津大學(xué)的宇宙粒子物理學(xué)家蘇比爾·薩卡爾稱，“如果該發(fā)現(xiàn)能夠被證實，將是人類史上的重大事件。法國物理學(xué)家皮埃爾·比內(nèi)特呂告訴法國媒體，這是“革命性”發(fā)現(xiàn)，一旦獲得證實，廣義相對論和狹義相對論都將打上問號。美國印第安納大學(xué)的理論物理學(xué)家阿蘭·科斯特利基表示，從理論上而言，宇宙背景不同時會出現(xiàn)不完美的對稱，背景變化可能導(dǎo)致光速和中微子速度的變化。但這并不意味著能將愛因斯坦的理論扔進(jìn)垃圾箱。它仍然起作用，只是有些時候需要其他解釋而已。
“奧佩拉”實驗所遇到的最大挑戰(zhàn)，是著名的超新星SN 1987A的中微子爆發(fā)事件。1987年2月24日，這顆位于大麥哲倫星云的超新星突然爆發(fā)，拋灑出大量中微子和各頻段的電磁波。超新星爆發(fā)時發(fā)出的光線來到地球的3小時前，分布在日本、美國和俄羅斯的三臺中微子探測器同時探測到中微子爆發(fā)，共有24顆中微子被探測到。這些中微子長途跋涉16.8萬年，幾乎同時到達(dá)地球，前后相差只有13秒，雖然他們比光先到達(dá)地球，看起來中微子速度比光要快，其實不然，中微子與其他物質(zhì)相互作用極弱，在超新星爆發(fā)的瞬間就離開超新星了；而光子則會與周圍的物質(zhì)粒子發(fā)生頻繁碰撞之后，才能拖泥帶水地逃離。SN 1987A距離地球16.8萬光年，如果“奧佩拉”實驗是正確的，中微子速度比光速快十萬分之2.48，那么SA1987中微子到達(dá)地球的時間會比光早4.2年而非3小時。當(dāng)然這個論述值得商榷，“奧佩拉”實驗采用的是高能μ中微子；而SN 1987A釋放的是低能電子中微子，能量和中微子類型都不相同。不過即使考慮這些，也不足以造成如此大的區(qū)別。
專家解釋，若中微子真的能超光速，可能性有二，要么是光速并非速度的極限，要么是粒子能夠“走捷徑”，能比光更快到達(dá)目的地。復(fù)雜點說，這就是宇宙不只是我們常識所能認(rèn)知的四維世界（即時間和三維空間），而是有第5甚至第6維空間的存在。物理學(xué)近幾十年發(fā)展的弦理論（即物質(zhì)最基本的構(gòu)成并非粒子，而是比粒子更細(xì)的弦），卻顯示宇宙可能有9維空間甚至更多，這些空間僅存于極微觀的尺度，常人根本無法理解，但極微細(xì)粒子（或弦）卻有辦法通過。科幻小說家最愛說的蟲洞（wormholes）超光速旅行理論，也與此有關(guān)，只是以人類的能力，到可見將來都不可能實現(xiàn)這種時光之旅。
歐洲核子研究中心中微子超光速實驗（及該中心地下對撞機(jī)線路結(jié)構(gòu)）示意圖
事關(guān)重大：非凡發(fā)現(xiàn)要有非凡的證據(jù)
“非凡的發(fā)現(xiàn)，必須要有非凡的證據(jù)。”對于歐洲科學(xué)家聲稱可能發(fā)現(xiàn)超光速中微子，物理學(xué)界在興奮之余，最先想到的就是已故康奈爾大學(xué)天文學(xué)家卡爾·薩根曾說過的這句科學(xué)研究的金科玉律。
值得一提的是，歐洲核子中心和格蘭薩索國家實驗室都是世界著名的研究機(jī)構(gòu)。其中，歐洲核子中心是高能物理領(lǐng)域最大的研究中心，也幾乎是最權(quán)威的機(jī)構(gòu)。在歐洲核子中心進(jìn)行的實驗獲得過兩次諾貝爾獎。而且，這次實驗中的中微子也正是由歐洲核子中心發(fā)射的。這個實驗本身的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性應(yīng)該都是可以相信的。而格蘭薩索國家實驗室是意大利國家核物理研究院所屬的四大國家實驗室之一，是世界上對物質(zhì)穩(wěn)定性、太陽中微子和原始磁單極研究的重要實驗室。格蘭薩索國家實驗室的這個“奧佩拉”實驗是一個非常著名的實驗，由200多名出色的科學(xué)家完成。這些科學(xué)家都是甚有經(jīng)驗和“正經(jīng)”的科學(xué)家。按高能物理的傳統(tǒng)，正式發(fā)表的結(jié)果肯定經(jīng)過了反復(fù)推敲驗證，在內(nèi)部進(jìn)行了多次獨立分析，評審每個環(huán)節(jié)。從他們的文章中也可以看到，基本上每個重要的數(shù)字都采用不同方法檢驗，或獨立驗證，他們的數(shù)字是經(jīng)得起推敲的。憑空猜測他們哪里做錯了，肯定是更不靠譜的。但也有可能什么地方他們沒有想到，更有可能碰巧儀器的系統(tǒng)誤差就是這樣的。他們出錯的概率要比相對論出錯的概率大。
其實，中微子超光速現(xiàn)象并不是歐洲核子研究中心首次發(fā)現(xiàn)。早在2007年，在美國費米實驗室進(jìn)行的國際合作項目“米諾斯”（MINOS）實驗中，也觀測到了類似的中微子超光速現(xiàn)象。他們進(jìn)行了幾乎完全相同的實驗，連加速器到探測器的距離都非常接近。“米諾斯”實驗為734千米，“奧佩拉”實驗為730千米。唯一區(qū)別是“米諾斯”采用的是能量為3GeV（GeV是吉電子伏特的縮寫，1吉電子伏特=109電子伏特，即10億電子伏特）的μ中微子，而“奧佩拉”實驗采用的主要是17GeV的μ中微子，實驗結(jié)果是中微子速度比光速快十萬分之5.1，非常接近“奧佩拉”實驗的結(jié)果（快十萬分之2.48），但當(dāng)時的“米諾斯”實驗由于中微子事例少，實驗不確定性比較大，未能引起重視。
要論證“奧佩拉”實驗發(fā)現(xiàn)超光速中微子這個結(jié)果，最重要的是要對“奧佩拉”實驗進(jìn)行重復(fù)實驗，必須換實驗、換人來進(jìn)行。不同實驗的系統(tǒng)誤差不一樣，再碰巧一次的可能性就比較低。不過，開展重復(fù)實驗的難度也不小。這個實驗需要大的質(zhì)子加速器，而產(chǎn)生中微子的代價是非常昂貴的。探測器本身的造價就在1億美元量級，而加速器裝置要在幾十億美元以上，然后建好一個實驗室一般需要十年左右的時間。目前只有美國、日本有條件重復(fù)這個實驗。日本的實驗裝置因地震時遭到破壞，但預(yù)計今年十二月可以恢復(fù)使用。當(dāng)然，僅憑一個實驗來挑戰(zhàn)相對論，是不可能的，除非有幾十次實驗都證明同一個結(jié)果，科技界才會接受。據(jù)悉，日本的T2K實驗室和美國芝加哥的費米實驗室的研究團(tuán)隊已經(jīng)開始驗證這一實驗。當(dāng)前，中微子是否真的超光速還沒有被更多實驗室證實，討論它的顛覆作用還為時尚早，我們需要足夠的耐心和理性來等待，對待科學(xué)，嚴(yán)謹(jǐn)和慎重是必要的。
歐洲核子研究中心，標(biāo)明粒子加速器位置。右側(cè)是機(jī)場，可見現(xiàn)代科學(xué)裝置的巨大。
潛在影響：撼動現(xiàn)代物理學(xué)的根基
1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，修正了牛頓時空觀中空間、時間、引力三者互相割裂以及運動規(guī)律永恒不變的看法，從哲學(xué)上根本改變了人們關(guān)于時間、空間、物質(zhì)和運動的概念。而“物體運動速度不能大于真空中的光速”是狹義相對論的基本原則。
超光速中微子的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了人們的無限遐想：是不是意味著離“穿越時空”不遠(yuǎn)？“是不是能夠制造出“時光機(jī)”、物體空間傳送機(jī)？更大的疑惑還有：因果性還能存在嗎？未來會影響過去嗎？愛因斯坦的狹義相對論是因果律概念的基石：原因在前、結(jié)果在后，不論你身在何處。超光速中微子如果存在，這一理論也將被顛覆。簡單地說，也就是我們所熟知的由因到果的次序都將顛倒，可能有了果再有因。比如炮彈，是先打出去，然后落到對方陣地爆炸；因果論被顛覆后，我們看到的將是炮彈已經(jīng)爆炸，卻還沒從大炮上被打出去呢。
專家們的解答是：如果是相對論有問題，超光速中微子的發(fā)現(xiàn)就打開了“穿越”的可能。因為如果相對論正確，那么是不可能時光倒流的。但并不是說相對論錯了，就一定能時光倒流。即使中微子真的超了光速，也只能說，原來限制這些的基本原理被打破了，并不意味著新理論一定會導(dǎo)致這些能實現(xiàn)。
這次實驗所帶來的沖擊主要是理論上的。狹義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是人們理解空間與時間的理論依據(jù)。如果中微子超光速現(xiàn)象被證實，則狹義相對論的基本原則就會受到挑戰(zhàn)，將撼動現(xiàn)代物理學(xué)的根基，那么今天幾乎所有的物理學(xué)都要改寫。人類現(xiàn)有時空觀將會徹底改變，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ健＿@一切都使我們聯(lián)想到了二十世紀(jì)初經(jīng)典物理學(xué)大廈轟然坍塌前的一幕。同樣驚心動魄的事或許也會發(fā)生在相對論上。當(dāng)然，相對論不會被全盤否定，它可能只需要少量改動，它還會是更廣闊的理論下的一種特殊形式。但這樣的改動必將產(chǎn)生一種新的里程碑式的理論，物理學(xué)大廈將再一次被推倒和重建。
這項研究成果與其說顛覆了現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)，不如說打破了人類的思維框框，對科學(xué)的發(fā)展具有特別重大的意義。它無可辯駁地證明，任何“定理”、“定律”，都只是科學(xué)探索之路的里程碑，而不是真理的終點，更不能將“金科玉律”作為繼續(xù)探索的桎梏，甚至作為打擊探索者的“武器”。
相對論取得了巨大的成就，對人類文明作出了巨大的貢獻(xiàn)，這一點，任何人也否定不了，但不能因此就斷定他是絕對正確的。愛因斯坦的論斷是經(jīng)過百年漫長檢驗的，近乎鐵鑄的真理。但是，微妙在于，能檢驗其正確，無法檢驗其更正確。科學(xué)發(fā)展不應(yīng)拒絕對權(quán)威的質(zhì)疑。實際上，物理學(xué)的眾多重大突破都來自于對前人的質(zhì)疑，當(dāng)年愛因斯坦的相對論也正是在與傳統(tǒng)的牛頓物理學(xué)的斗爭中成長起來，并最終得到公認(rèn)的。而且，相對論并沒有摒棄牛頓物理學(xué)，而是認(rèn)為它適用于物體低速運動時的特殊情況。在科學(xué)研究中，我們所得到的往往是某種特定情況下的規(guī)律，是相對真理，誰能說相對論將來不會被發(fā)現(xiàn)也僅僅是“相對”正確的？任何出乎意料的實驗結(jié)果有時需要更多的理論和實驗物理學(xué)家一起來探討和詮釋。但面對可能的重大發(fā)現(xiàn)，格外審慎的態(tài)度是正確的。畢竟光速作為愛因斯坦認(rèn)定的極限速度，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。茲事體大，不可不慎重。在相對論被越來越多的事實不斷證明是正確的情況下，我們寧愿相信是歐洲科學(xué)家們的實驗數(shù)據(jù)有誤。何況科學(xué)史上這樣的例子也屢見不鮮的。但是，從哲學(xué)意義上講，任何理論都不足以成為檢驗事實的根據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。如果中微子超光速現(xiàn)象經(jīng)過反復(fù)實驗是可靠的、真實的，那么任何權(quán)威理論都不能成為否定它的根據(jù)。我們唯一能做的就是從事實出發(fā)來思考和修正理論。不論今后的驗證結(jié)果如何，我們都應(yīng)該相信：在科學(xué)上沒有絕對的真理，任何真理都可能被證偽、被顛覆，在科學(xué)上也沒有絕對的權(quán)威，任何權(quán)威都可能犯低級的錯誤，盲目的迷信和崇拜是科學(xué)創(chuàng)新的大敵。
CERN建有世界上最大的正負(fù)電子對撞機(jī)LEP和超級質(zhì)子同步加速器SPS。
