9月22号下午，位于意大利Gran Sasso山底下意大利国立实验室中的中微子实验OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs的缩写）宣布，他们探测到了中微子的速度超了光速，同时，将一篇学术论文贴在著名学术论文网站arXiv。

这个实验组谨慎地说，他们已经反复检查了测量过程中涉及到的所有可能引起的误差，但是还是解释不了中微子比预计提前了大约60纳秒这个数字，所以不得已将测量结果公之于众，希望整个物理学界帮助他们找出可能出现的错误（一纳秒是十亿分之一秒，光速大约是每秒三十万公里，在一纳秒内光可以跑30厘米，由于中微子速度和光速差不多，所以，中微子在60纳秒内比光多跑了18米）。在大约730公里的旅途中中微子比光超出了18米，说明中微子的速度比光速快了四万分之一倍，这个相对增速并不大，但恰好在OPERA实验的精度可以探测到的级别。如果将数据造成的统计涨落和实验仪器引起的不确定性加起来，OPERA的测量精度是10纳秒左右，所以60纳秒绝对超出了这个误差。行家们将这个结果称为6个标准误差，这就是说，实验的不可信度只有亿分之0.2。

如果这个实验结果将来被其他实验验证，相对论，这个已经被检验了无数次的物理学基础之一将被动摇，其后果和影响将是巨大的。所以，物理学家在采取谨慎的态度对待这个实验结果的同时，还怀着强烈的期待——不论这期待是什么。

我们先简单介绍一下这个实验的过程。首先，位于瑞士和法国交界处的欧洲核子中心的超级质子同步加速器（不是大型强子对撞机）产生出四千亿电子伏的质子流。这些质子经过一段管道后打在一个长为两米的石墨上，产生K介子和pi介子，这些介子继续旅行了一公里，在这个过程中衰变成缪子和缪子型中微子。接着，所有这些粒子与一个铁-石墨靶碰撞，除了中微子外，其他粒子都被阻挡了。由于中微子很容易穿过任何物体包括整个地球，所以中微子直接飞往Gan Sasso山下的意大利国立实验室。在阻挡过程中，缪子数被测量了，这个测量被用来和Gran Sasso实验室测量到的中微子数相比较。中微子从欧洲核子中心到Gran Sasso的旅行都是在地壳中进行的，距离大约是732公里。这个距离是用全球定位系统（GPS）来测量的，而两地的时钟也是通过这个系统来校准的。OPERA实验组声称，这段距离的测量精确到误差不超过20厘米，而时钟校准到不超过10纳秒误差。这个实验进行了两年多，通过半年的认真分析数据，实验组终于宣布了惊人的初步结果。

9月23号之后，OPERA实验组要求欧洲核子中心提供新的质子流，因为过去的质子流太长，这会引起不必要的误差。新的质子流只有3纳秒，也就是不到一米长，这个时间远远短于60纳秒，这样就排除了一个最有可能引起错误的误差。在进行了大约半个月新实验之后，探测到20个中微子，得到的新结果是，中微子仍然提前了62.1纳秒。同时，实验组内不同的人对过去的数据重新分析，得到了平均57.8纳秒的超前，这与半个月的新实验在误差范围内是吻合的。经过近两个月的细心检查和进行新实验，9月23号的那篇文章在加长了10页后终于投稿了。

下面为OPERA实验流程示意图。

如前所说，打破爱因斯坦狭义相对论的光速极限意味着物理学革命，同时意味着我们要仔细考虑这个实验是否与以前所有高能物理实验不矛盾，因为在高能物理实验中，粒子运动的速度都接近光速。例如，目前在大型箱子对撞机上能量高达3万5千亿电子伏的质子的运动速度与光速只差了亿分之一。我们后面会谈到几个修改相对论的难题。

比OPERA更早的与中微子速度相关的实验还有好几个。例如，美国国立费米实验室过去的实验给能量在3百亿到2千亿电子伏之间的中微子速度一个限制，不论是低于光速还是超过光速，与光速的偏差不能超过2.5万分之一，这个限制与意大利的实验并不矛盾，因为后者只超了四万分之一。早在2007年，同样是费米实验室的一个实验组发表了对能量为30亿电子伏的中微子速度测量的结果，发现中微子速度似乎超出光速两万分之一倍，他们的结果在当时没有引起物理学界的重视，主要原因是他们的误差太大，在99%的置信度上，他们的结果可以低于光速。

看上去直接与意大利实验矛盾的是1987年观测到的一个超新星。这颗超新星被命名为1987A，当时，人们在光学上看到这颗距离我们高达近17万光年的超新星的同时也观测到了大约20个中微子。比较光子和中微子到达地球的时间，给出中微子速度偏离光速不能超过5亿分之一的限制，这远远小于四万分之一，所以与意大利实验矛盾。但是这里有几个与意大利实验不同的地方：第一，超新星辐射出来的中微子绝大多数是反电子型中微子，第二，地球上探测到的中微子的能量只有一千万电子伏，远远小于OPERA实验中探测到的中微子能量，后者的能量范围是140亿电子伏到400亿电子伏。最后，超新星发出的中微子绝大多数在太空中旅行，而OPERA中微子在地壳中旅行。

现在，OPERA九月份的论文在网上已经被同行引用了160次以上，其中半数以上是直接研究与超光速中微子相关问题的，这些文章中，多数是用不同种类的理论解释中微子超光速，少数是质疑这个实验结果的。在众多质疑的文章中，Cohen和诺贝尔物理学奖得主Glashow的文章最为特出。他们指出，根据弱相互作用理论，如果中微子的速度超出了真空中的光速，中微子会辐射电子和正电子，从而损失能量。不论欧洲核子中心发出的中微子起始能量有多大，到达Gran Sasso的中微子能量不能超过125亿电子伏，这直接与OPERA对中微子能量的测量矛盾。当然，在Cohen和Glashow的计算中，他们假设了中微子能量与速度的依赖关系，很多人觉得，如果改变能量与速度的依赖关系，中微子也许可以免于损失能量。我们后来做了与一个更加普遍的计算，发现不论如何改变中微子能量与速度依赖关系，中微子都不可避免地损失很多能量。

有一些极端的理论家为了规避Cohen-Glashow问题建议，认为超光速中微子如果发生弱相互作用，能量不再严格守恒，取而代之的是一种新的能量守恒定律。在这种新的守恒定律中，中微子的能量要乘以一个破坏因子，这样就彻底规避了辐射电子和正电子。这个建议看上去很有吸引力。

当然，更多的物理学家选择无视OPERA的实验结果，例如诺奖获得者Weinberg说：“这个实验令人印象深刻，但是，更多的粒子并没有超光速，而涉及到的中微子实验通常又极端困难。就像有人说，在他的花园深处有一些小仙女，但我们只能在漆黑和有浓雾的夜晚才能看到。”

9月23号之后，我在很多场合谈论过中微子超光速，有的是新浪微博上的微访谈，有的是科学松鼠会的讲座，还有更加专业的学术报告。我一直表示，虽然我也做中微子速度的理论研究，但我持99%以上的怀疑态度。在OPERA做了3纳秒流束的新实验后，我说我的怀疑降到了90%，这是一个很大的进步，但并没有彻底改变我的态度。真要彻底改变我的态度，需要其他实验的佐证，例如美国费米实验室到明尼苏达的实验，以及日本的实验。下面谈谈为什么我觉得中微子超光速会带来大地震，为什么这是不可思议的。

很多人都知道，爱因斯坦相对论，特别是狭义相对论，是建立在光速不变基础上。不论我们以什么速度匀速运动，我们测得的光速总是一样的。另外，无论光源相对我们做什么运动，我们测得的光速也是一样的。测量光速是否变化的一个著名实验就是迈克尔逊-莫雷实验。这个实验很简单，让光从一个光源发出，经过两个不同的路径之后，到达同一个地方，然后发生干涉。

如果光速与方向有关，以及与我们的运动速度有关，那么当我们转动迈克尔逊干涉仪，就会看到干涉条纹的移动，或者，当我们运动起来，我们也会看到干涉条纹的移动。我们知道，地球相对太阳运动，运动速度大约是每秒30公里，所以冬季和夏季地球有一个大约为每秒60公里的相对运动速度。实验上，没有发现这个相对运动速度，也就是说光速与地球的运动无关。下面是迈克尔逊干涉仪的工作原理以及实体图。

19世纪末，迈克尔逊和莫雷做的实验给出光速变化的限制，不能超出每秒8公里，与30万公里相比，不到三万分之一。到了上世纪80年代，精确度到了10的负15次方；到了本世纪，精确度更到了10的负17次方。所以，1983年，光速被建议作为一个标准，定义为每秒299,792,458米。由于铯原子钟的时间非常准，准确到一天的误差不会超过一纳秒，这样，我们可以用光速和时间来定义距离单位。例如，一米就是光在1/299,792,458走的距离。在实际应用中，OPERA实验中欧洲核子中心到Gran Sasso实验室的距离就是通过全球定位系统利用光速来测量的。

所以，爱因斯坦并没有错，至少，光速是不变的。那么我们就会问，不是说在相对论中，光速是一个不可超越的极限吗？这个问题的回答并不简单。原则上，相对论并没有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被称为快子，相对论告诉我们，快子的行为很古怪，速度越高，能量越低。这种古怪特性加上量子力学，使得人们认为快子不可能存在，因为量子力学允许快子不断地辐射能量，在快子辐射能量之后，它的速度反而加快了。这个现象与不稳定性有关，也就是说，如果存在快子，那么快子会使得我们生活的空间很快发生爆炸。

OPERA的实验并不简单地意味着中微子是快子，事实上，实验组在四个不同的能量上测量了中微子速度，发现中微子速度是不变的，也就是说，在能量140亿电子伏到400亿电子伏这个范围，中微子都超光速，而且超出的部分都大约为光速的四万分之一。快子的能量和速度的关系肯定不是这样的。另外，1987A超新星的中微子能量更低，速度也更低，这也和快子的行为矛盾。

那么我们能得出什么结论？因为快子是相对论允许的，而中微子不是快子，所以，尽管我们肯定光速不变，但相对论还是错了。所以，万一一年后新的实验验证了OPERA中微子超光速，我们可以肯定地说，相对论必须修改！

OPERA实验的另一个结果也非常奇特。他们在过去的三年中在不同的季节统计了中微子速度，速度也与季节无关。也就是说，中微子速度虽然超出光速，但和光速类似与季节也就是与地球的运动无关。如果我们假定一个理论中存在两个不变的速度，这个理论中的时空将是特别怪异的。例如，我们可以利用光速不变定义距离，也可以用中微子速度不变定义距离，但不同的参照系中这样定义出来的距离并不一致！我们知道，相对论中一个著名效应是运动的刚体变短。如果我们用光速定义距离，那么刚体变短与光速以及刚体运动的速度有关；如果我们用中微子速度定义距离，那么刚体变短与中微子速度以及刚体运动速度有关，这两个变短的方式不同。这个例子说明长度的定义不绝对。比长度定义不绝对更加令人惊骇的是事件这个概念也不绝对了，这里我没有时间解释这个问题了。

总结一下，OPERA实验得到中微子超光速的结论很可能经不起别的实验检验。但万一通过了别的实验检验，我们将要彻底改写我们的时空观，彻底修改物理的基础理论之一：粒子物理，甚至，彻底修改爱因斯坦另一个著名理论，万有引力的时空弯曲理论。

（《环球科学》文章）