再评欧洲OPERA中微子超光速实验

黄志洵

1930年W.Pauli设想在beta衰变中除电子外还放射一种能量极小的中性粒子，1933年E.Fermi提出弱相互作用理论，又命名W.Pauli设想的粒子为中微子（neutrino）。1956年在实验中捕捉到电子中微子，1962年发现了mu中微子，2000年发现了tao中微子。所以中微子至少有3种；这次欧洲OPERA中微子超光速实验所用者是μ中微子。......长久以来，人们认为中微子的性质为：不带电荷；非常微小可能没有质量；以光速运动；与物质几乎不发生作用因而难发现。总之它有点神秘，研究它也困难。

2011年9月22日国际上报导的欧洲中微子超光速实验是科学界的重大事件，引起广大公众的兴趣和密切关注。在记忆中多年没有这样的情况了--看来是少数科学家的事情却在社会上引起议论纷纷。2011年11月9日《科技日报》发表了笔者的文章，题为"欧洲科学家的超光速实验和中国科学家的责任"。现根据情况的发展写出本文，作较为深入的讨论。

关于中微子的质量

从质量开始讨论比较麻烦，因为这涉及复杂的概念，而且一些问题尚在争论中。但当我们议论某种粒子以光速或超光速运动时，这种粒子是否具有静止质量（rest mass），却是一个必须考虑的问题。静止质量用m0表示，它来自H.A.Lorentz针对电子而导出的质速公式，Einstein的狭义相对论（SR）继承了这个公式，因此，以Lorentz-Einstein质速公式为基础，认为以速度v运动的粒子具有如下的质量、能量和动量：

(m,E,p)=(m0/sqrt(1-b^2), m0*c^2/sqrt(1-b^2), m0*v/sqrt(1-b^2))

式中b=v/c；当b<1，m、E、p均为实数，并随v增加而加大。当b>1，m、E、p成为虚数，没有物理意义；因而v>c不可能--这是主流的物理学观点。b=1这点通常称为奇点。

Newton力学认为质量是物质的含量，它不随运动速度变。在相对论力学中，质量不是恒定的，它与速度呈上述的关系--速度v越快则质量m越大，在光速c时达到无限大。对质量的定义引起很大的争议；对此，1948年6月19日，Einstein在致L.Barnett的信中说："对于动体，引入质量m=m0/sqrt((1-b^2)的概念是不好的，因为对它不能给出清楚的定义"。所以，晚年的Einstein自己也说这个著名的公式"no good"。后来在国际上也有著名物理学家否定质量与速度有关，例如1989年L.Okun的文章说："只有一个质量--Newton质量，它不随速度变"。不过，大多数物理学家显然没有抛弃Lorentz质速公式和静止质量概念。实验物理学家仍以此为据做研究工作，典型例子是对光子静止质量的研究。通常人们假定光子精确地满足m0=0，假如存在与零的偏离也是非常小的。因为光子静质量非零将产生一系列影响--真空中光速将与频率（或说波长）有关；电磁波可能产生纵波；规范变换失去意义；光速不变原理不再正确；等等。几十年来国内外的对光子静质量的研究，其实只是"确定上限"；例如有一个结果说最大可能m0=10^-66g，这个值与零没有多少区别。

对中微子的研究与对光子的研究有相似之处但又颇为不同。在1980年之前，普遍认为中微子静止质量m0=0。（为方便起见，以下简称"质量"，并略去下标0；而且习惯上用能量单位ev表示中微子质量）。1980年首次出现了非零质量的报道，但很不确定。1998年一批日本、美国科学家宣布，利用Super-Kamiokande设施对mu中微子的研究表明它有静止质量，发生错误的可能性小于万分之一。......在这过程中又出现过中微子质量平方为负（m0^2<0）的说法，但可略去不谈，因为现在似已放弃了这类表达方式。

那么，什么是2011年欧洲OPERA实验团队的中微子质量观？他们在论文中说："对于CNGS（CERN Neutrino beam to Gran Sasso）的中微子能量<mv>=17Gev，即使假定最重的中微子本征态的质量大到2ev之多，由于其有限静止质量（finite rest mass）形成的中微子速度对光速的偏差可预期小于10^-19 [4]"。这个文献 [4]所引全是1999年发表在《Phys.Lett.》上的文章，所以这段话是在讲前人研究的情况。因此后头又接着说："（我们的）中微子速度与光速间较大的相对偏差将是一个惊人的结果（would be a striking result）。"......由此可以看出几点：①OPERA团队认同Lorentz质速公式并使用静止质量的概念；②中微子是有质量的，而且是实数质量；③过去的传统观点是中微子以光速运行，其速度 与 的偏离非常小。

中微子以超光速运动的说法其来有自

假如实验物理学家发现中微子以超光速飞行，那么我们必须说，对此在理论上早有预期。笔者认为对这个问题张操教授不但论述较早而且逻辑性好，在这里我们尝试作如下的归纳--首先，大家都知道宇宙中有4种物理相互作用，即：电磁相互作用、引力相互作用、弱相互作用、强相互作用。即使电磁相互作用的特征速度（光速）不能超过，不见得其他三种作用也以光速为最高的极限。其次，光子是电磁相互作用的体现，中微子却不是；实际上中微子是弱相互作用的体现，这点我们必须考虑到。第三，上世纪50年代由李政道、杨振宁提出理论，由吴健雄实验证明，在弱相互作用下宇称不守恒（通俗说法是左右不对称）。然而在标准模型中中微子没有质量，三种中微子均为左旋，反中微子均为右旋。这表示在任意参考系的观测者的运动速度都小于中微子，否则中微子的自旋会反向。总之中微子速度不可能是v<c，而必须是v≥c，不发生"在弱相互作用中宇称守恒"的情况。在这种认识之下，张操、倪光炯教授联合提出了超光速中微子的Dirac方程，它可以写成两个自旋方程通过微小的固有质量（proper-mass）相互耦合，从而有最大的宇称不守恒。......因此，我们可以看出中微子研究与光子研究的方法不同。

对上述论述方法，我认为比采用Feinberg快子（tachyon）理论好。如用该理论则必须认定中微子有一个"虚数静质量"（m0=j *mu ,mu >0），这没有真正可信的实验支持。不过我们并不否定1967年Feinberg论文的意义，正是该文最早提出了超光速粒子的量子场论，例如得到了超光速粒子的Klein-Gordon方程。

在实验方面，1987年是一个重要的年份，只是一直被人们忽略了。1987年，美国《Phys. Rev. Lett.》杂志刊登了日本东京大学的K.Hirata等23人联名所作文章"Observation of a Neutrino Burst from the Supernova SN1987A"（"对超新星SN1987A造成的中微子爆发的观测"），其中说"在1987年2月23日7时35分用日本的Kamiokande Ⅱ检测器观测到一次中微子爆发，持续时间13s"。更有意思的一篇文章是美国Michigan大学的M.Longo发表在《Phys.Rev.D》上的文章，题为"SN1987A对相对论的检验"；文章说"超新星爆发时既有中微子又有光子前往地球，中微子到达时间是1987年2月23日7时35分40秒（世界时UT），而光子到达时间晚了3h；仔细算下来，中微子速度v与光速c的相对偏差为ABS((v-c)/c)≤2×10^-9。"另外从Longo文章可以看出，许多中微子研究者都习惯于把其速度与光速作比较，这是有传统的事情了。

因此，我们在这里要强调的事情是，距地球大约16万光年的大麦哲伦星云中的一颗超新星（SN1987a）的爆发，天文台后收到它的光，而此前又被3个地点（日本、意大利、苏联）以上的实验室收到它发出的中微子，两件事相差达3小时！这应当是"中微子以超光速飞行"的铁证；但由于物理学家们坚守"不能违反相对论"这一原则，重要的证据一直被忽视，直到现在才被人们重新提起。所以，中微子作超光速运动的可能性确实很大，今天我们得知的OPERA实验结果并不特别令人惊奇。

超光速粒子引发科学界无尽猜想

处在地下的Gran Sasso实验室最早是设计用来检测v[mu]->v[tao]通道的中微子振荡的（to perform the detection of neutrino oscillation in the v[mu]->v[tao] channel），这是主要目的。然而研究团队发现所建立的实验系统很适合于测量中微子的飞行速度，他们就这样做了三年。9月22日将结果公布于世，立即引起轰动--这是颠覆性科学发现，还是某种实验上或计算上的错误？在科学界引起了争论和猜想。这里回顾欧洲OPERA实验公布以后的一些情况。OPERA的含意为：Oscillation Project with Emulsion Racking Apparatus,（乳胶寻迹设备的中微子振荡实验项目）。下面是按时间次序排列的几件事：

--2011年9月22日，预印本网站（http//static.arXiv.org/pdf/1109.4897.pdf）刊出T.Adam等174人所作文章"在CNGS束中用OPERA接收器测量的中微子速度"；其"摘要"说，在意大利地下的Gran Sasso实验室，OPERA中微子实验已测量了在约730km的基线上CNGS束的中微子速度，与过去的研究相比具有更高的准确度。测量基于在2009年、2010年和2011年间OPERA所采用的统计数据。CNGS的高级计时系统和OPERA接收器与用来测量中微子基线的高精度大地测量相结合，允许达到可比较的系统和统计的准确度。相对于真空中光速， 子中微子提前到达的时间为[60.7±6.9(统计)±7.4(统计)]ns，亦即中微子相对于光速的偏差为 =[2.48±0.28 (统计)±0.30]×10^-5。

细察这篇文章，可知在OPERA实验中粒子（中微子）飞行距离，直线距离(731278.0±0.2)m，换算为地球表面基线距离731517.461m；测量飞行时间，要把发射点CERN与接收点LNGS两地准确对钟，方法是同时观测和接收卫星上GPS发出的同一时间码。测量从2009年起历时三年，共测量16111个事件，得到光传播与中微子飞行的时间差为[60.7±6.9(统计)±7.4(统计)]ns，即中微子比光快2.48×10^-5。这一测量的有效性为6σ，即置信水平0.999999998，是高精度的测量。我们知道真空中光速的国际推荐值为 =299792458m/s，故由本文的测量可知中微子速度 =299799911 m/s。

--同日，著名科学刊物《Nature》的网站刊发了一篇署名文章（作者G.Brumfiel），题为"粒子击破光速极限--中微子研究结果动摇现代物理学基石"。文章说，环绕我们无处不在的中微子是电中性的基本粒子，不与物质相互作用，但拥有微小质量。重达1800 ton的OPERA检测器是复杂的光电设备，但其测量结果却很简单--中微子比光早60ns到达，这已在arXiv.org上发表。文章指出，2007年美国MINOS(Main Injector Neutrino Oscillation Search)项目曾在实验中观察到类似效应，但由于太多的不确定性而未予重视；（笔者注：后来人们认为2007年MINOS实验结果是，中微子的速度与光速一致）。

--9月28日，英国刊物《New Scientist》网站发表文章，题为"Fermi实验室停止寻找Higgs Boson，开始探索中微子"。文章说2007年该实验室即企图寻找超光速中微子，但未得到有重要意义的数据。在OPERA实验公布后，该实验室要继续探索，计时系统精度要达到2ns。整个工作预计在2014年完成。

--10月底，CERN的研究负责人宣布说，为了验证实验结果并消除多种质疑，实验团队将采用不同的方法发出中微子束，看看是否可以重现中微子超光速。11月18日，美国《Scientific American》杂志网站报道说，实验团队已完成了复核--他们请CERN制作一种更短的质子束，持续时间仅为3ns，是过去实验所用质子束的1/3000。已记录了20个中微子事件，达到了过去实验的统计显著性水平。在这种情况下，OPERA项目成员全部在论文上签了字。美国Fermi实验室MINOS也发表声明，说可能在2012年初即完成对OPERA实验的核对。

--11月20日路透社从日内瓦发出电讯说，CERN的另一个实验（称为ICARUS）的研究"驳斥了OPERA实验结果"。他们主要是检测中微子束的能量，发现能量谱是以光速运行的粒子应有的能量谱，并没有超光速的迹象。不过，报道也说目前人们仍在等待美国、日本的实验室对OPERA实验结果的核查。

中微子速度的直接测量和间接判断

国内有的媒体（例如11月23日《参考消息》报）在报道ICARUS实验的时候使用了标题"中微子超光速结论被否定"，这显然是错误的提法。既然OPERA团队和ICARUS团队都说"期待美国和日本的科学家进行验证"，而且美国费米实验室说明年年初就拿出验证结果，为什么不能稍作等待，而要说"结论已被否定"呢？在这里我们要着重指出，OPERA团队测量中微子飞行速度的方法是直接的--飞行距离与所用飞行时间之比，而ICARUS实验只是一种间接的判断（推论）。二者缺乏可比性是明显的！

笔者认为OPERA实验是独特的，其意义有如下几点：

①OPERA团队是做了一个直接测量微观粒子飞行速度的实验，而迄今为止的科学史上尚无人进行过这种实验；②OPERA团队所进行的实验是单向速度实验，对至今尚未突破的难题（单向光速测量）带来了推动和启发；③OPERA实验投资大、精确度高、数据量大、误差处理严格，是相当有气势的并不常见的实验；④OPERA实验带动了一些研究领域，如引力的影响、Sagnac效应的影响、GPS计时技术的改进等；⑤为了重复与核查OPERA实验，美国Fermi实验室的MINOS项目决定对计时系统进行升级改造。......可见，OPERA实验产生了很大的推动作用。就算最后的验证结果是"中微子不曾超光速"，该实验研究的科学意义也不容否定。

就目前情况看，OPERA实验的公布已引起理论物理学家们的兴趣，也提出了各种解释（如：CPT破缺、新量子效应、时空不连续性等），这也是对思维的促进。

中微子以超光速运动不会造成"物理学大厦倒塌"

在报道中微子超光速实验的过程中，媒体不断跟进，情况显得颇为热闹。然而许多说法常常似是而非，可能误导公众甚至造成心理恐慌。在国内外的新闻稿中，不确切的说法比比皆是；例如，说"Einstein的理论是现代物理学一切内容的基础"；说"如果MINOS证实了OPERA实验成功，人们就可以撕掉教科书了"；说"相对论的‘不可能超光速'是一切宇宙科学的核心，也是各种粒子能保持现存状态的关键。"......这些说法有的来自媒体记者，有的来自理论物理学家。仿佛如果从CERN到Gran Sasso的中微子是以超光速飞行，物理学大厦会倒塌，当代自然科学会完蛋。这些说法显然是言过其实了！不仅如此，我们都知道超光速研究在全世界已开展了50年，论文总数估计也有200多篇（有的发表在名刊《Nature》、《Phys.Rev.》上）；即使从CERN到Gran Sasso的中微子没有以超光速飞行，这些研究工作就不存在了吗？！

我们知道相对论并非物理学之全部，除外之外尚有Newton力学、波动力学和量子力学。先看Newton力学，虽然多年来不断有人贬低，但它至今仍光芒四射立在那里。其实它才是物理学的支柱，更是全部工程技术的基石。1687年出版的《自然哲学之数学原理》是Newton的最重要的科学著作，是对经典力学的第一部系统而完整的著述，也是人类历史上第一个关于物理和宇宙的科学理论体系。今天我们重读这部划时代巨著时仍会感到震惊，其中明确定义了质量、动量和力，提出了运动学的三大定律。他以洞悉的目光看出维系行星运动的力与地面上使物体改变速度的力在本质上是相同的；他建立的万有引力定律（Newton反平方定律）至今仍是无可怀疑客观规律，被各种实验一次次地证明其正确性。当然Newton引力场方程是非Lorentz协变的，而且他的引力是一种超距作用，与狭义相对论（SR）不同。引力传递无需时间表示速度为无限大，所以我们似乎可以说Newton最早揭示了超光速。Newton注意到丹麦人O.Roemer于1675年发表的"光速为有限值"成果，知道太阳光到达地球要用大约8min。但太阳引力作用于地球，这个过程绝不会花费这么长时间，所以引力传播速度一定比光速快！1911年1月16日，德国的R.Lämmel教授曾当面告诉Einstein："有的东西比光更快--万有引力"。1920年A.S.Eddington的计算，引力传播速度是光速的20倍（ =20c）；1998年T.Flandern的计算，引力传播速度非常大（10⁹c～2×10¹⁰c），但不是无限大。......总之，引力以超光速传播这一点毫无疑问。可是按照相对论的理论体系，引力传播只能以光速进行，不能快过光速。

上世纪20年代中期建立的量子力学，至今已有80多年历史。其思维方法之独特、深刻，令人折服；其应用之广泛，罕有其匹。然而正如前辈物理学家吴大猷先生所说，狭义相对论与量子力学并不一致，后者不为Einstein所采纳。L.de Broglie于1949年则说，关于Einstein对量子力学的反对意见，许多物理学家（特别是N.Bohr）作了尖锐的答复。物理学家们几乎一致同意Bohr-Heisenberg的解释。......这些评论都很深刻。总之，量子理论与狭义相对论存在内在矛盾，与广义相对论存在更深刻的矛盾。Einstein的确定论和定（局）域因果性都为量子理论所不容。至于在速度问题上，很明显"光速极限论"只是相对论力学的一家之言，Newton力学和量子力学都不为速度设置上限。2008年由《Nature》杂志公布的瑞士科学家团队（由N.Gisin领导）完成的量子超光速实验，证明纠缠态传播速度是（10⁴c～10⁷c）；这虽然这样不是"物质可以作超光速运动"的证明，却是"信息可以用超光速传播"的证明（这里传送的信息是粒子的自旋改变的情况）。

因此，说某个超光速实验的成功就会造成物理学的危机甚至垮台的说法是夸大的和错误的。即使没有了相对论，Newton力学和量子力学还在，各个物理学分支还在，物理学大厦不会垮掉。中国科学院理论物理研究所所长吴岳良院士在10月14日《科技日报》的座谈会上说，"我们所有的研究一直是在挑战能不能超越Einstein，超越现有理论；要重新认识真空及引入新的特殊相互作用等，必须有突破性的新想法"。这话让我们看到一些希望。

妨碍物质作超光速运动的奇点是否真的存在

A. Einstein在其提出狭义相对论的1905年文章中说"超光速没有存在的可能"，我们称之为"光障"。航天技术的发展迫使人们细察，为何飞船速度不能超光速。按照Lorentz质速公式，b=v/c=1是一个奇点。然而，这个难题或许并不存在，因为物质运动速度达到光速（c）时其质量并不是无限大。

1904年，H.A. Lorentz发表了"在任何以亚光速运动的系统中的电磁现象"一文，推导了电子的质量与速度的关系式。他假定电子在静止时为半径R的球体，电子电荷e均匀分布在表面。在此前（1892年），Lorentz曾提出"运动的尺缩短"，并在1895年把收缩因子定为sqrt(1-b^2)；所以1904年他就假定"电子在作直线运动时形状改变"，认定电子在运动方向的尺寸缩小。查阅1904年Lorentz的原文，可以知道他当时是这样讲的：

"§8，......现在我假设电子是静止时半径为R的球体，在直线运动时形状改变，其大小在运动方向上变为原长的 倍......。

"§9，现在可以计算单个电子的电磁动量；为简便起见，我假设只要电子保持静止，电子电荷e均匀分布在电子表面。......我将假设除了电磁质量外，没有其他质量，即没有‘真质量'或‘物质质量'"。

在以上引文中， =1/ sqrt(1-b^2)；可见，Lorentz研究电子质量问题时提出的假设共3个，它们决定了推导的结果。这时Lorentz说："当力作用于运动方向上产生加速度时，电子似乎有纵质量；当力作用于法向上产生加速度时，电子似乎有横质量"。这样，他导出两个公式。长期以来一提及"Lorentz质速公式"就只说横质量的公式，又称之为"SR的质速关系式"。其实，A. Einstein于1905年发表的文章"论动体的电动力学"中对电子质量的推导，纵质量的结果与Lorentz相同，横质量公式与Lorentz不同。故Einstein并未导出如今Lorentz的横质量公式。尽管如此后来人们还是称之为Lorentz-Einstein质速公式。

常常有人说："Lorentz-Einstein质速公式已被多个实验所证明"。但一些书籍中所列多个实验都是测量电子荷质比（e/m）与运动速度的关系，并不能作为电子质量与速度关系的直接证明。况且，文献中所列全为带电粒子（电子、质子）的实验，根本没有中性粒子的实验，又怎能将其推广为一切粒子（甚至一切动体）都遵循的规律？有科学家提出，质量定义应为"物质包含的量"，它不会受运动速度影响，故动体的"运动质量"不是一个好的概念。他们还认为，20世纪早期的实验所测到的变化或许是由于有效力的变化，即施加于动体的力与运动速度有关。有研究者认为，早期的物理学家在没有研究粒子运动速度与场中受力的关系的情况下，就预先假定电场对电子所施力与电子速度无关，是不合适的。这也是得到"电子质量随 变化、并有两个质量"的结论的原因。后来，物理界又把这一点推广为一切物体都遵守的规律，可能也是错误的。

总之，物理学中的质量概念是很复杂的。如简单地看问题，Lorentz质速公式在b=v/c=1的地方构成了奇点，是不可逾越的。然而，"运动物体（或粒子）是质量与速度有关"不仅在逻辑上发生问题，在实验中也碰了壁。2009年上海学者季灏在直线加速器上产生能量为(6～15)Mev高速电子，使之轰击一个铅靶；并用量热法测量电子的动能，以研究"电子质量是否随速度变"的问题。结果数据与SR有很大矛盾，与Newton力学却很接近。实验主要在中国科学院上海应用物理研究所的直线加速器上进行，它已受到上海市科委等方面的重视。因此，妨碍物质实现超光速运动的奇点是否真的的存在？这仍然是需要考虑的问题。

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在自然科学研究中，必须坚持"实践是检验真理的唯一标准"。理论研究也是重要的，但它只是描述世界的尝试；起决定性作用的是实验和实践。虽然理论相对独立存在，但不能把它绝对化。事实上，没有一个理论是"永恒不变、万古常青"的。......欧洲科学家的中微子超光速实验，在国内外激发了讨论和争议；这不仅能促进科学的发展，也有利于在社会上形成一种关心科学进步的氛围。因此，无论最终结果如何都是令人高兴的。

2011年12月4日写毕             

（作者为中国传媒大学信息工程学院教授、博士生导师）