超新星中微子实验：时间旅行成为现实（图）

古怪神秘的中微子再一次让粒子物理学家感到迷惑，在此之前，粒子物理学家发现来自太阳中微子实际测量的流量与理论模型之间存在较大偏差，这就是著名的“中微子缺失之谜”，中微子的缺失使得物理学家不得不思考当时认定的标准太阳模型是否存在问题。接着，空间中微子探测器发现宇宙中中微子存在震荡的现象，三种不同类型的中微子在宇宙空间中可相互转换，尽管我们之前认为中微子是没有质量的，像光子一样，但是修改后的标准模型可使得中微子具有质量。而在1987年爆发的超新星事件中，地球上多处监测到提前三个小时抵达地球的中微子。

 

 

现在看来，神秘的中微子又出现了一项更加神秘的性质。根据前不久，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的粒子物理学家研究报告中提到：在中微子震荡跟踪实验中，得出了一个令人吃惊的结果，超级质子同步加速器产生的高能中微子束打入中微子震荡跟踪仪中，发现中微子以超光速运动，这个时间提前量与实验误差来得大，也就是说，即使扣除实验误差，中微子也可以超光速运动。该实验最明显体现了中微子看似可以违反爱因斯坦的狭义相对论，并导致对宇宙航行是否可以超光速的思考。

我们知道，就算是光子也要服从不可超越光速的限制理论，但是现在看来中微子似乎比较特别。使得粒子物理学家觉得，这些理论好像并不适用于它们。而欧洲核子研究中心将17GeV能级的中微子由超级质子同步加速器击中数百公里外的位于意大利中部的中微子震荡跟踪仪，实验测量中微子速度为每秒30.0006万公里，约为每秒18.6万英里，这个速度稍稍快于光速。

欧洲核子研究中心位于瑞士日内瓦与法国接壤的边境上，该中心也是世界上最大的粒子物理研究实验室，本次实验中由该实验室的超级质子同步加速器发射大量的中微子击中730公里(453 英里)之外的意大利中部的格兰萨索（Gran Sasso）国家实验室中微子震荡跟踪仪。用于接收中微子的装置由15万块铅板和感光膜组成。为了精确测量中微子运动的速度，就必须精确测量加速器与传感器之间的距离以及中微子所用的时间。

欧洲粒子物理学家测量的中微子运行时间比理论上光速运动到相同距离所花的预定时间快了60.7纳秒，中微子震荡跟踪仪（传感器）实验室发言人，物理学家安东尼奥（Antonio Ereditato）介绍说：这完全是个意外的结果，我们希望测量中微子的速度，但是没想到发现了如此特别的东西。

同样是在欧洲核子研究中心，粒子物理学家们最近也在寻找关于希格斯玻色子的踪迹，将会有越来越多的数据被整合起来，加州理工学院的物理学家肖恩卡罗尔（Sean Carroll）认为：我们目前在实验中得出的结论或多或少可能受到宇宙空间差异性的影响。只要有大量数据重复实验下，统计中的误差才可能消失。而在中微子超光速实验中，粒子物理学家进行了6个标准偏差的结果，实际上只要有5个标准偏差就能说明这个发现并不是由误差产生，应该说该实验研究人员的报告关于误差分析室令人影响深刻的。换句话说，中微子超光速现象可能不是一个随机的统计误差。

对于中微子超光速的发现，正如著名的物理学家卡尔萨根所说：非凡的结论需要有非凡的证据，物理学家安东尼奥认为：每当你接触到这些宇宙中基本的定律，都需要更加谨慎，这也是为什么研究小组花了半年的时间，多次检查他们的数据分析结果，如果其中有一个问题，那得出的结论就很可能不成立。研究报告中也肯定了两点，第一，这是一个非常有趣的、潜在的特别令人兴奋的结果，第二，这个结果有可能随着时间的推移被证伪。即使是中微子震荡实验中研究团队也不完全相信他们的结果是正确的，而他们都是粒子物理学领域世界一流的科学家。

其实，类似中微子超光速现象并不是欧洲粒子物理研究中心首次察觉，早在2007年，位于美国明尼苏达州的MINOS高能物理实验中，也观察到中微子出现抵达时间比光速还快的现象，当时费米国家实验室的物理学家约瑟夫（Joseph Lykken）认为：“实验装置存在不确定性，对这个结果尚无定论。而且测试的方式相当“混乱。比如，欧洲核子研究中心的一束质子束，并产生了中微子，但是我们不知道哪些质子是对应产生哪些中微子。这就使得很难统计中微子抵达的时间，虽然欧洲核子研究中心认为他们可以进行整体性的统计，但是这个方法还有待进一步检验。”

然而，对于欧洲核子研究中心的发现，还存在着另一种反对的意见：位于弗吉尼亚州的威廉玛丽学院粒子物理学家马克舍尔（Marc Sher）认为：从某种意义上说，关于中微子超光速现象的实验已经完成。我们可以检测来自超新星1987A的中微子，在1987年大麦哲伦星云中出现的一次超新星爆发前三个小时，地球上多台中微子探测仪同时接受到中微子爆发的信号，但是，这并不是就可以认为中微子速度超过光速，相反，它们能够直接穿过在死亡恒星周围的壳层，而光子则会以一种机制通过。

天体物理学家对此计算表明，超新星1987A中微子观测中出现的三个小时的时间延迟被认为是中微子比光子提前释放，然而，粒子物理学家马克舍尔以及其他物理学家也曾指出，如果欧洲中微子超光速现场结果是真实的，这就说明这三个小时的延迟就是一个很好的证明。关于“超新星中微子”实验已被我们知晓，而马克舍尔怀疑欧洲核子研究中心在中微子超光速计算中存在问题。

美国俄亥俄州立大学的研究人员约翰（John Beacom）认为：针对欧洲核子研究中心的结果，比较超新星1987A的中微子探测结论可能不是一个最好的主意，显得毫无意义，因为我们不能精确了解这些中微子的速度以及它们具有的能量、距离等参数。如果要对欧洲核子研究中心的结果进行确认，最好要进行交叉检查，同时探索在伽玛射线爆发中出现的高能中微子。而典型的伽玛射线爆发持续的时间很短，从一两秒钟到数秒不等，较短的时间尺度是一个非常明显的特征。我们可以使用更加复杂的模型来屏蔽来来自背景信号中的低能态中微子，并且还应该注意时间框架的选择。

正如物理学家马特施特拉斯勒（Matt Strassler）对此评论到：欧洲核子研究中心的结论并不意味着爱因斯坦的狭义相对论就是完全错误的，而时间旅行和更发达的超光速通信技术也将成为可能。即使是直接参与研究的意大利中微子震荡实验的粒子物理学家也并没有说他们的发现就已经可以推翻爱因斯坦。在过去的几十年内，物理学家们都在认真研究相对论的基本原则，探索是否存在与相对论相反的物理现象。从狭义相对论中推到出来的洛伦兹共变性则是时空的一个关键性质。科学家也正在研究洛伦兹不变性，也许对中微子的研究而言是一个很好的方向。

狭义相对论中最核心的宗旨便是任何一个人，不论选择何种参照系，所测量出光速的速度都是相同的，这也是为什么时空不断膨胀过程中，光速保持不变。从欧洲核子研究中心的结论看，也许这个情况并非如此，那么狭义相对论应该做些调整。虽然这对现代物理学而言，是个坏消息，但是有物理学家认为，这可能是一个扭曲的额外时空维度的一个标志。这些额外维度是量子引力论中的一个关键要素，它可以提供中微子以一种快捷的方式运动，使得中微子的运动速度比光速快，哪怕只是快了一丁点儿。

或者，某些处于高能态的中微子确实运动得比光子还快一点儿，而这些假想中的粒子都在上个世纪60年代已首次提出，这些粒子最大的特点就是运动的速度能超过光速。然而，这些观点已经被1985年在物理学家阿兰乔多斯（Alan Chodos）、阿里豪瑟（Ari Hauser）和阿兰科斯塔莱茨基（Alan Kostalecky）提出的论文中被证明是错误的。具体来说，他们通过预测证明如果一个中微子与另一个未知的量子真空区域发生相互作用，这些中微子的运行速度就能够超过光速。在这个背景下，任何物体的运动速度都限制在光速之下看来也不一定。可能中微子的运动速度比光速更快点。

对于中微子超光速现象的论证，该实验必须能进行重复实验。现在，欧洲核子研究中心的粒子物理学家们正在寻找分析系统误差可能导致的错误，而其他中微子实验室争先恐后地进行重复性实验，比如费米实验室也开始自己的计划，不论对中微子震荡实验结论被证实或者证伪，都是个重大的发现。在此期间，认为狭义相对论乃至现代物理学将面临崩溃是不恰当的。