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对这两天新闻爆炒的“中微子超光速实验”的一点评论
精选
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这个事情的介绍就不用我多说了。从CERN（欧洲核子中心）产生中微子300GeV的中微子束，穿过阿尔卑斯山的地下隧道，到达意大利罗马附近的LNGS（国家核物理研究所）。大约730公理长的距离，测量结果发现中微子比光速快了60ns到达探测器，于是这个新闻结果让这两天物理学界小沸腾了一下。不乏大量的批评者在怀疑他们的测量，还有少数的dreamer在憧憬超越相对论的可能性。
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这个是最重要的，CNGS组在arXiv上贴出了他们的paper：http://arxiv.org/abs/1109.4897
当然我也凑热闹地的下载了这篇paper读了一下。我最感兴趣的地方就是CERN和LNGS两地的时钟是如何校对的，这个可是直接决定测量结果的可信度。不出所料，他们用的是GPS系统，这样他们的实验结果饱受非议就不奇怪了。
GPS系统的核心是那些天上的卫星，每个卫星里面都有一个原子钟。卫星来靠与地面接收站（或者接收器）来回通信一次的时间差的一半再乘上光速，来计算自己相对于这个卫星的距离。这样三个卫星就可以给这个地面接收装置来定位了。一般还需要第四个卫星校准一下。这个时间差就是通过原子钟测量的。卫星上目前主要是铯钟和氢钟，铯钟精度在10^-13s左右，氢钟在10^-14s左右。如果简单地把10^-14s乘上光速3*10^8m/s，发现氢钟空间的定位精度可以达到可怕微米量级！但实际上GPS系统空间定位精度只有米的量级，原因是这里面有大量的系统误差！除了卫星相对地球的运动以外，还包括电子设备的delay，以及微波信号在空气中的折射率，一般是1.000x量级。
这样问题就出来了。当CERN和LNGS用同一个GPS卫星上的原子钟定时的时候，会出现一个很大的系统误差。比如用米量级的空间误差来除以大气层中微波的速度，会使两地有一个几十纳秒量级的误差。这两个地方用GPS系统校准会严重影响他们测量结果的准确度。当然目前也没有更好两地时间校正方法，也许远距离光纤时频传输更靠谱。
图片来自文章 arxiv：1109.4897
用一个比喻总结一下。我用一个很古董的手动秒表分别来测刘翔和博尔特的速度，结果意外地发现了刘翔跑得快。结果显然不太可信，因为错在我用动掐表，误差太大。更好的做法是，让他们同场竞技，看看谁快。可惜CERN到LNGS的这个中微子通道无法满足伽马光子从一段到另一端传播的要求。
最后扯一下中微子真的能超光速的可能性。有的人说这些中微子可能是virtual particle。这个解释不太靠谱，因为传播距离很长，而且中微子只参与耦合常数非常小的弱相互作用。还有一个解释是有可能在中微子振荡中存在tachyon phase，这个解释听起来不错，鉴于人类对中微子振荡的原因还了解甚少，拭目以待吧。
补充：今天突然联想到另一个问题，如果光子具有静质量（rest mass），那会有什么后果？这样的话光子的速度不再等同于狭义相对论之中的极限光速c。也就是说我们实际测得的光子的速度2.99 792 458 * 10^8 m/s非常非常接近c，却不是c。这样很有趣，即能保全了狭义相对论，还能允许高能中微子的速度超过光子速度。
当然测光子静质量上限的工作一直在进行中，这是particle data group上的最新数据：http://pdg.lbl.gov/2011/listings/rpp2011-list-photon.pdf 可以看到最佳的结果是的文献里测得<3*10^-27 eV，不过particle data group还是采用了<1*10^-18 eV 为目前的标准上限。有些物理学家甚至认为光子也可以通过Higgs机制获得静质量，不知道他们会不会被这个实验结果振奋到：）
再补充：我还是不太放心OPERA的原子钟校对。加速器方面我是外行，不能妄作评论。我是做冷原子物理的，在原子钟方面应该比一般粒子物理专业的人了解多一点（不然也不会做这个评论）。common view mode 是意大利那边和CERN两地的钟，以及GPS卫星上的钟三方校对。而所谓的原子钟的时间精度并不是时时刻刻都能保证的，它是用晶振先给出一个小范围内的微波频率，输入含有原子蒸汽的微波腔，原子两个基态能级的共振频率（微波频段）会放大其中一个微波模式，再通过反馈回路回来给晶振，形成闭环锁定。这个反馈回路的delay是高于ns量级的。现在所有原子钟“准确度”其实都是说测这个跃迁频率的准确度，实际应用的时候默认为这个delay是完全恒定的。原子钟还有一个“稳定度"的指标，就是说晶振不好的话会导致这个误差在时间上积分，产生漂移。因此每隔一段时间需要重新校对一下，这个是比较严重的问题。如果OPERA的数据大部分发生在漂移的时候，就有理由怀疑他们的测量结果了
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