几天前，一则小道消息开始传播，说意大利的中微子实验OPERA发现了超光速的中微子。昨天Nature、Science等重要的科学新闻网站[1, 2, 3]报道了这一新闻。今天OPERA实验将正式的论文挂到了arXiv.org的预印本库[4]。在中微子飞行730公里后，科学家发现它所用的时间比光速还快了60纳秒（10^-9秒），实验的误差约为10纳秒。一般来说，粒子物理中的新现象达到4倍标准偏差即可确认，而这个结果达到了6倍，即可能性为99.9999998%。测量结果表明，OPERA观测到的中微子，其飞行速度比光速快10万分之2.48。

 

发表这一“戏剧”性结果的OPERA实验，全称是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus（采用乳胶径迹装置的（中微子）振荡项目），位于意大利Gran Sasso国家实验室。这个实验室位于地下1400米，以多个深地实验闻名于世。OPERA实验探测来自欧洲核子研究中心CERN的中微子，其物理目标是直接寻找从缪中微子到陶中微子的振荡。位于瑞士与法国边境的CERN通过高能质子打靶产生缪中微子束流，对准730公里外的Gran Sasso。为了留下陶中微子出现的确凿无疑的证据，实验采用了复古的核探测技术：乳胶照相。

 

不过“超光速”这个副产品的测量原理非常简单：测量距离，测量时间，算出速度！实验的难点在于精确地测准距离和时间。距离是通过GPS测量的，误差是20厘米。这20厘米的误差还不是来自从瑞士到意大利的730公里，而是主要来自从进入地下实验室的高速公路隧道门口的GPS基准到探测器的10公里。时间也是通过GPS和铯原子钟测量，精度是2.3纳秒。

 

略微懂点物理学的都知道，如果这个结果是对的，科学将面临怎样翻天覆地的变化。自从爱因斯坦1905年建立相对论起，一百多年来没有人撼动过光速不变原理。科幻小说里的超光速旅行、时间机器回到过去，难道都要实现了吗？

 

实际上，2007年，美国的MINOS实验也发表了一个“中微子超光速”的结果[5]，大小与OPERA还算吻合，但只有1.7倍标准偏差。但是也有否定的证据。日本T2K实验的人就不相信这个结果。我们观测到的SN1987A超新星中微子，如果超光速的话，就不会只比光早到半小时，而会早到数年。不过它们的中微子能量很不一样。

OPERA分开测量了两种能量的中微子：
13.9 GeV:  (v-c)/c = (2.16 ± 0.76 ± 0.30) x 10^-5
42.9 GeV:  (v-c)/c = (2.74 ± 0.74 ± 0.30) x 10^-5

MINOS实验的中微子是3 GeV：
3 GeV: (v-c)/c = (5.1 ± 2.9) x 10^-5

超新星中微子的能量要低1千倍，只有几到几十个MeV。根据SN1987A的测量结果，可以得到｜v-c｜/c < 2 x 10^-9_。

 

即使OPERA发表了6倍标准偏差的结果，相信粒子能够超光速的人仍然极少。OPERA实验的发言人自己说：宣称相对论错误太早了。我们发现了一个奇怪的结果，我们不能解释它，因此必须公布，请同行来审议。我们必须得说点什么。我们不能把它扫到地毯下面，这才是不诚实的。

 

也许相对论没有错，而是中微子具有什么魔幻性质。当然，也很有可能OPERA实验的误差估计不对。毕竟精确估计中微子束团产生和到达的时间、精确测量距离，达到这么高的精度，都是非常困难的。

 

现在，瑞士时间2011.09.23 16:00，欧洲核子研究中心正在直播关于OPERA新结果的报告视频：
http://webcast.web.cern.ch/webcast/

[1] http://www.nature.com/news/2011/110922/full/news.2011.554.html
[2] http://news.sciencemag.org/sciencenow/2011/09/neutrinos-travel-faster-than-lig.html?ref=hp
[3] http://www.livescience.com/16183-faster-speed-light-physics-breakthrough.html
[4] http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf
[5] http://arxiv.org/abs/0706.0437