中微子为什么比光速快呢？

意大利OPERA（中微子振荡乳胶径迹）小组发现，中微子在飞行730千米后，到达探测器的时间比光在真空中走同样路程所花的时间还要少60.7纳秒,中微子的速度比真空中的光速快10万分之2.48，每秒钟要多要跑6千米左右。

中微子是什么

中微子是一种不带电荷，质量非常小的基本粒子。在我们周围存在大量中微子，主要来源于太阳内部的核反应，在电影《2012》中，来自太阳的中微子与地球岩层发生作用，加热地壳，大量熔岩溢出，大陆板块加速漂移，引起超级地震，火山和海啸，一片世界末日景象。实际上这不可能，因为中微子与其他物质发生相互作用的几率非常小，穿透能力极强，可以轻松穿越700颗地球而不发生相互作用。实际上每秒钟有一千万颗太阳中微子穿透我们的身体，我们却感受不到这种幽灵般的粒子，人体和地球对它是几乎透明的。

中微子的检测

中微子这种强悍的穿透力让科学家吃尽了苦头，为了看到它，科学家只能守株待兔，让大量中微子与大量探测物质接触，虽然单个中微子的反应几率小，但是总量上来以后，还是能看到一些中微子发生反应事例的。为屏蔽其他粒子的干扰，中微子探测器一般都建在地下数百甚至上千米的矿井或者山洞中。此次发现OPERA实验组属于意大利格朗萨索国家实验室，它位于横穿意大利的格朗萨索山脉中，一条高速公路隧道连接山的两边，中间有3个大山洞，洞中建起了这个世界上最大的粒子物理实验室，实验室在地下1400米深处。

中微子振荡

中微子总共有三种，电子中微子，μ中微子和τ中微子。由于中微子有质量，它们会发生相互转化，叫中微子振荡。为了研究这种现象，从2009年到2011年OPERA利用位于日内瓦的欧洲核子中心（CERN）的超级质子同步加速器产生了一万亿亿颗速度极大的质子，轰击靶标，产生出一束束高强度高能量的μ中微子，在地下穿透重重岩石，射向OPERA的乳胶径迹探测器，总共检测到16000个中微子。CERN离OPERA有730公理，在这个距离上很多μ中微子会转变为τ中微子，检验探测器上探测出的中微子,可以检验粒子物理理论是否正确。这类中微子振荡实验在很多国家的多个实验室开展，分别测量太阳中微子，大气中微子，核电站中微子，以及加速器产生的中微子的振荡，中微子跑动的距离从数十米到一千五百亿公里。其中比较著名的有美国Homestake中微子探测器（Raymond Davis于1967年到1985年在这里发现了太阳中微子的振荡，获2002年诺贝尔物理奖），日本的神冈/超级神冈探测器（小柴昌俊从1982年开始建造该实验室，在这里发现很多中微子振荡效应效应，获2002年诺贝尔物理奖），目前正在进行的一项实验是T2K实验，从位于日本东海的质子加速器J-PARC产生中微子，发射到250公里以外的神岗中微子探测器。此外2007年位于美国明尼苏达的MINOS实验组开展过与今天OPERA几乎相同的实验，他们所采用的是著名的费米实验室产生的μ中微子束。中国在大亚湾核电站附近也建有中微子实验室，主要研究电子中微子向τ中微子的转变。

中微子超光速？

OPERA的实验方法是非常平常的，但这次实验得到了一个如此意想不到的副产品：中微子比光快，而且能量越高的中微子速度似乎越大（注：从论文结果来看是这样，但OPERA发言人在新闻发布会上否认了这种关联性）。按照狭义相对论，这些能量非常高的中微子的速度和真空中光速应该几乎相同，只比光速小大约每秒钟0.03纳米。这一结果违反了大多数物理学家一直认为是常识的一条规律：任何物体的运动速度不能超过真空中的光速。如果这一实验结果被证实，这将是本世纪最重要的科学发现。

虽然中微子的探测比较复杂，但是中微子的速度测量原理非常简单：精确测量出探测器到发射器的距离以及中微子在路上所花的时间，两者相除就得到中微子的速度。实验小组采用了最精密的原子钟和GPS对时方案光纤同步传输信号方案，对中微子运行时间的测量可以精确到10纳秒以内；实验小组精确测量了加速器和探测器之间730千米的间距，先通过GPS系统测量出CERN和OPERA的室外基准点的距离，再从全站仪一步一步测量出探测器到基准点的距离，GPS系统可以准确到为2cm，全站仪可以准确到20cm左右。OPERA位于隧道内，测量时为了准确起见还封锁了隧道内的公路。时间和距离的测量都反复进行过多次，得到中微子可能比光速快这一重大而又违反常理的发现后，实验小组又反复检查了六个月，排除了所有可能的实验误差，包括月球潮汐影响，地球自转影响，地震影响，温度和云层对GPS信号传递的影响等等。考虑到所有这些后，实验小组相信这一结果的置信度达到99.9997%。在正式公布最终结果以前，实验小组和全球同行进行了广泛的交流，直到发现没有任何漏洞，才于9月22日公布了实验结果，给出了详细的实验方案，供大家检验是否还存在漏洞，并呼吁其他实验室来证实或者否定他们的实验结果。

其他中微子实验的结果

值得指出的是2007年美国MINOS实验小组得到过几乎一样的结论，他们进行了几乎完全相同的实验，连加速器到探测器的距离都非常接近MINOS为734千米，OPERA为730千米），唯一区别是MINOS采用的是能量为3GeV的μ中微子，而OPERA采用的主要是17GeV的μ中微子，实验结果是中微子速度比光速快十万分之5.1，非常接近OPERA的结果（快十万分之2.48），但此次实验由于中微子事例少，实验不确定性比较大，当时未能引起重视。MINOS将很快重新开展实验，实验精度会非常高，有可能将运动时间精确到1纳秒以内，以检验OPERA的结果。

前面提及过的日本T2Ka实验得到过极微弱的超光速迹象，只是三月份的大地震中实验装置受到一些损坏，该实验有望于2012年再次开始记录数据。

OPERA所遇到的最大挑战是著名的超新星SN 1987A的中微子爆发事件。1987年2月24日这颗位于大麦哲伦星云的超新星突然爆发，抛洒出大量中微子和各频段的电磁波，在几个月时间内这颗超新星用肉眼都可以看到，它是1604年以来最亮的超新星。超新星爆发时发出的光线来到地球的3小时前，世界各地有三台中微子侦测器同时侦测到一股中微子爆发，共有24颗中微子被探测到，其中日本神冈探测器11颗，美国IMB探测器8个，俄罗斯BAKSN探测器5颗。这24颗中微子开启了中微子天文学这样一门新的学科,对恒星演化和粒子物理研究具有极大价值。

这些中微子长途跋涉16.8万年，几乎同时到达地球，前后相差只有13秒，虽然他们比光先到达地球，看起来中微子速度比光要快，其实不然，中微子与其他物质相互作用极弱，在超新星爆发的瞬间就离开超新星了；而光子则会与周围的物质粒子发生频繁碰撞之后，才能拖泥带水地逃离。SN 1987A距离地球16.8万光年，如果OPERA实验是正确的，中微子速度比光速快十万分之2.48，那么SA1987中微子到达地球的时间会比光早4.2年而非3小时。当然这个论述值得商榷，OPERA实验采用的是高能μ中微子；而SN 1987A释放的是低能电子中微子，能量和中微子类型都不相同。不过即使考虑这些，也不足以造成如此大的区别。

形形色色的超光速

1905年爱因斯坦提出狭义相对论，其中有两条基本原理：光速不变原理和相对性原理，根据这两条原理可以得到一个推论，为了维持因果律，信号的传递速度应该低于光速。这里的速度既包括物质运动的速度，比如宏观物体和微观物质微粒运动的速度，波的速度；又包括能量和力的传输速度，以及广义的信息速度。

自从相对论为自然界万物设定了光速这一速度上限以来，一直有人试图突破它。果壳网上曾有很多人设想过下列思维实验：取一根一光年长的坚实木棍，沿着棍子的方向拉动棍子，棍子的另外一端会马上随着运动，似乎证明了拉力传递的速度远大于光速。这是不可能的，因为这种理想刚体棍不可能存在，棍子受力后发生的变形是以声速传递的，很多年以后棍子另外一端才会感受到拉力并开始运动，拉力传递的速度远低于光速。

类似的设想很多，大都是通过是构造过一些不可能存在的物质或者特性来“突破”光速，其中比较著名一种超光速粒子是快子，最重要的特点是质量为虚数，其速度范围为光速到无穷大。按照这一理论，存在两个不同的速度区域，快子的速度总是高于光速，普通物质的速度总是低于光速，光速是分界线，不能相互逾越。有趣的是，把物体从低速加速到光速是不可能的，要让物体达到光速，需要无限大的能量；而让快子的速度降低到光速，同样不可能。快子的高速度并不是从低速加速而来，而是本来就有的。

在2000年，复旦大学倪光炯教授就用快子理论解释过中微子质量问题：有些观测数据表明中微子质量似乎是虚数，中微子可能是快子，速度比光速快。快子理论从提出到现在已经快50年了，一直只被认为是物理游戏，不是真实的物理，因为就在于人们很难接受虚质量，我们周围的物质质量都是正数或者零。如果能够容忍虚质量，那么OPERA实验倒是可以轻松解释了。

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