李淼：核查測量中的系統錯誤至關重要

　　李淼 中科院理論物理研究所研究員，“國家杰出青年基金”獲得者，博士生導師。

　　從今年9月22日開始，就有一則消息開始在物理學界廣泛流傳：中微子在從歐洲核子研究中心(CERN)前往意大利格蘭薩索地下實驗室的“旅行”中，竟然比光早到了60納秒(10-9秒)。如果實驗結果被證實，將對現代物理學的一塊基石——愛因斯坦狹義相對論帶來極大沖擊。因為狹義相對論認為，沒有任何物質能跑過光速。一石激起千層浪，這一說法旋即在科學界以及普通民眾中間引起強烈反響。

　　整個實驗工作的第一步始于歐洲核子研究中心內部一個充滿氫氣的大罐子。科學家們首先剝奪了氫原子的電子，使其成為一顆質子。隨后，這些質子被一系列加速器接力加速，最后進入大型強子對撞機(LHC)設備內部運行。隨后，一些質子被以10微秒的脈沖形式射向一個石墨靶標并產生一束介子脈沖。這些介子很快衰變成中微子，并穿越地層抵達格蘭薩索的探測器。在這里，OPERA，即采用乳膠徑跡裝置的(中微子)振蕩項目，所采用的乳膠尋跡設備可以感知中微子的抵達。

　　根據現有理論，在從歐核中心飛抵OPERA設備的數毫秒間，其中一部分中微子將發生振蕩變形，從μ中微子變為τ中微子，而OPERA實驗的“初衷”正是對這種中微子振蕩進行研究，試圖追尋到τ中微子的蹤跡。但出人意料的是，科學家們發現，中微子比光“跑”得快。

　　測量中微子速度的難點在于如何精確地測量距離和時間。在該研究中，距離通過GPS(全球定位系統)測量得到，誤差為20厘米;時間通過GPS和銫原子鐘測量得到，精度是2.3納秒(一秒的10億分之一)。中微子實際傳播了732公里，“旅行”時間為 0.0024秒，計算結果表明，中微子的速度是299798454米/秒，比真空中的光速299792458米/秒快5996米/秒。

　　這一結果震驚了歐核中心的科學家。在仔細考慮了實驗中其他各種因素的影響之后，他們認定，實驗結果經得起檢驗，于是決定將其公開，懇請全球同行共同對實驗結果進行驗證。

　　其實，在科學史上，這并非科學家們首次觀察到“中微子比光跑得快”這一現象。此前，科學家們在1987年對SN1987A超新星進行的研究、費米實驗室進行的MINOS(主注入式中微子振蕩搜尋實驗)等都表明，中微子似乎比光跑得快。但因為諸多原因，沒有引發如此大的反響。

　　SN1987A是科學家們于1987年發現的第一顆超新星，距離地球16.83萬光年。事實上，它是在公元前16.81萬年左右爆發的，但它的光直到1987年才抵達地球。在SN1987A爆發的光線來到地球的3小時前，世界各地有3臺中微子探測器同時探測到一股中微子爆發，這似乎表明中微子比光快。

　　而在2007年美國費米實驗室進行的MINOS高能物理實驗中，物理學家們讓主注入器產生的中微子束穿過該實驗室位于伊利諾伊斯州的近程探測裝置，然后擊中位于數百英里外位于明尼蘇達州的遠程探測裝置。該實驗當時得出的結論是：記錄到中微子的運動速度超過光速。但實驗結果的誤差范圍太大，因此并沒有引起多大注意。

　　如果OPERA實驗確實探測到中微子的速度超過了光速，那么，對物理學理論可能產生的影響包括以下幾點：1. 中微子不是普通快子(一種假設的亞原子粒子，質量為負，速度總是超過光速，不可能減小到或低于光速，其存在至今還沒有得到實驗證實)，所以相對論肯定要修改。2. 可能地球上存在一個媒介，例如以地球質量為源的標量場，這樣，洛倫茲對稱性和規范對稱性都被完全破壞了。3. 也有可能對稱性被修改了，存在新的對稱性;但引力理論需要做較大的修改，因為愛因斯坦等效原理可能不再成立。4. 因果性不太可能被破壞，從而穿越到過去是不可能的。5. 其他基本粒子理論也要做相應修改，有可能存在一個新理論與所有已知實驗不矛盾，也可能根本不存在這樣一個理論。

　　當然，現在最值得懷疑的是實驗本身可能存在的問題：距離真的測準了嗎?時鐘校準了嗎?是不是其他效應造成的，如中微子束時間結構變形了，或者波導性質改變了(折射率有了微小的改變)?這就在警告我們：在得出一個與基本理論有關的結論之前，進一步核查測量中的系統錯誤非常關鍵。