中微子

物理学天空中新的乌云——中微子超光速！？

前言

上世纪初，两朵乌云徘徊在物理学的天边。当时的所有物理学家都没能想到，这两朵乌云带来了相对论和量子力学的革命，从而奠定了现代物理学。一百年来，这两个现代物理的支柱经受了无数实验的检验，一起支撑起了你我所存在的这个世界的生活。从iphone到GPS定位，都离不开他们的理论基础。但是历史往往是相似的，就不久前，在很多物理学家认为已经找到了我们世界的“大设计”时①，天空好像又飘来了一朵中微子的乌云……

一、中微子的前世今生

20世纪20年代末，物理学家在研究衰变时，对于原子棱发生衰变后所发射的粒子的能量是连续的而感到难以理解，以致有人甚至认为在微观领域里可以不尊守能量守恒定律。但奥地利物理学家泡利坚信能量守恒是一个普遗适用的规律。为了解能量问题和其它如角动量守恒和衰变前后粒子的统计性等问题。他于1930年提出在衰变中发射了一种质量很小或为零的新粒子— — 中微子由于泡利提出可能存在这种中性的粒子，各种问题均得到满意的解释。3年后 费米根据泡利的中微子假设，于1933年提出了四分量衰变理论。该理论不仅成功地解决了光谱和半衰期等问题，而且还发现了除已知的引力和电磁力之外还存在第三种力— — 弱相互作用力。存在中微子的假设一经提出，便解释了当时大量的物理实验现象并且很快为物理学家所接受。可是人们一直不能从实验上证实中微子的存在。1941年王淦昌先生建议用Be原子核的K 轨道电子俘获测量 原子核的反冲能来证明中微子的存在。阿伦根据王淦昌先生的建议用实验间接证实了电子中微子的存在。但由于中微子的反应截面非常小，所以中微子存在的直接实验证实直到1956年才由柯温和幕苗斯获得。他们利用反应堆反应产物的衰变产生的反中微子观测到了反中微子诱发的

反应。从而证实了反中微子的存在。1962年幕蕾曼等人在美国布鲁海文实验室的33 GeV 加速器上证实了子中微子和电子中微子是两种不同的中微子。到20世纪90年代为止，实验总共指出有不下5种中微子，中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

随着Super．Kamiodande实验证明中微子具有质量，关于质量中微子的理论和研究也越来越多，特别是它在弯曲时空中的性质。此时，引力场的存在将使闵可夫斯基时空中的洛伦兹变换将由黎曼时空中的广义坐标变换代替。Ahuwalia和Burgard发现，对于质量中微子，引力场引起的传播相位会导致新的效应，而这个效应对研究Ⅱ型超新星的演化有重要意义。至今有大量研究者在不同引力场中用不同的方法计算了质量中微的传播相位，有平面波近似法、波包法和标准方法 。然而，对于在引力场中计算中微子传播相位所需考虑的能量条件仍存在分歧。也就是说理论上还不能完整说明中微子的全面性质。

二、天边有乌云！？

2011年9月24日，欧洲核子中心公布了一份研究结果，科研人员在让中微子进行近光速运动时，其到达时间比预计的早了60纳秒。对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快的速度运行。 根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速。如果此次研究结果被验证为真，意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战。

根据研究者发表的文章，这个实验采用感应中微子在经过加速器时的信号来确定中微子的位置。文中表明中微子束的发射地到接收地之间的距离，存在着20厘米的误差，而测量中微子束飞行时间的高级GPS系统和原子钟等精密设备，也存在小于10纳秒的误差。

但是目前物理学界也出现了很多对该实验结果的不同意见，一是怀疑粒子束飞行距离的准确性，二是粒子束本身长度的准确性，三是怀疑理论上的计算是否还有其他解释。

许多大物理学家对此持谨慎态度，其中最有代表性的就是霍金，他表示：“这个实验很有趣，但是它的结果很可能是不对的”。

为什么物理学家对超光速如此谨慎？毕竟，存在许多事情，其传播的速度大于光速。比如一个昆虫飞过电影放音机的光束时，它在银幕上的影子正比于放映机到银幕的距离。理论上，这个距离可以任意长，因而影子的速度可以任意大。但是请注意，这并不违反相对论，因为影子不携带能量，它也不能传递信息，换言之，在X点的一个人不能通过操作影子而引起任何事情在Y点发生②。再比如，可以由麦克斯韦方程组证明在理想波导中传播的电磁波其相速度是大于光速的，但是相位不能传播实际的作用，也就是说没有能量的传播，所以也不违反相对论③。

但是，一旦这个实验证实了存在实物（能量）超光速想现象就会在逻辑和哲学上带来巨大的混乱。按照狭义相对论，如果实物传播的速度比光快就可以找到一个惯性系使时间倒转——结果在原因之前发生！比如你可以试图谋杀你年幼的爷爷，这当然不是什么好主意！所以，为了避免这种困境，相对论将被修正。

三、挑战与机遇并存

虽然要修正相对论，但是可以预计的是，这个修正对人类的现实生活在很长的一段时间内不会造成太大的影响。但是对理论物理学家来说，这就是一个新的“大时代”。虽然实验结果挑战了物理现有的体系，随之而来的就是理论家们建功立业的大好时代，并且有可能继续发展已处于瓶颈的超弦理论。进一步说，这个问题会产生不止一个诺贝尔物理学奖。

如果，实验存在问题。（我目前更倾向与这个看法）也是一件很好的事情———这说明物理学是个高度自洽的理论体系，因为这将极大地增加我们人类可以完全认识世界的信心。

就目前来言，实验的直接性和精度都尚存可改进之处。我们必须等待更进一步的实验来证明或证伪这个“命题”，现在下结论还为时过早。

目前，著名的美国费米实验室已经开始了新的实验以期证实（证伪）这个“命题”。由于我国目前还不具备这个实验能力，所以我们耐心等待吧。

宿非凡

中国物理学会会员

理学院 光科0902班

参考文献：

1、霍金，《大设计》，湖南科学技术出版社；

2、格里菲斯，《量子力学概论》，机械工业出版社；

3、蔡圣善等，《电动力学》，高等教育出版社。