沈惠川：

对“中微子超光速”“实验”的评论

自2011年9月24日以来，有一条所谓“中微子超光速”“实验”的消息在网上疯传。有些“民科”像过节一样兴高采烈，甚至有人写出了“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”这样的诗句。更有甚者，竟有“民科”对Einstein无端谩骂，说Einstein是“历史上最蠢的人”。真不知这些“民科”有什么可兴高采烈的！外国的“民科”热衷于反进化论，中国的“民科”则热衷于反相对论。他们认为，所谓“中微子超光速”的“实验”否定了狭义相对论，进而也否定了广义相对论。

一．所谓“中微子超光速”的“实验”

    所谓“中微子超光速”的“实验”指的是，从CERN（欧洲核子中心）地下55m处发射出中微子300GeV的中微子束，穿过阿尔卑斯山的地下隧道，到达意大利罗马附近深140m的LNGS（国家核物理研究所）。在大约730公里长的距离处，测量到中微子比光速快了60ns进入探测器。实验的误差约为10纳秒。一般来说，粒子物理中的新现象达到4倍标准偏差即可确认，而这个结果达到了6倍，即可能性为99.9999998%。测量结果表明，OPERA观测到的中微子，其飞行速度比光速快10万分之2.48。发表这一“戏剧”性结果的OPERA实验，全称是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus（采用乳胶径迹装置的（中微子）振荡项目），由位于意大利Gran Sasso国家实验室作出。OPERA实验探测来自欧洲核子研究中心CERN的中微子，其物理目标是直接寻找从缪中微子到陶中微子的振荡。9月22日，《Nature》、《Science》等重要的科学新闻网站就报道了这一新闻。23日，OPERA实验将正式的论文挂到了arXiv.org的预印本库上。预印本库中论文的题目是“Measurement of the neutrino velocity with the OPERA  detector”，作者共174人，来自大小诸国。在大国中，有法，意，日，德，俄，没有美 ，英，中。于是这个新闻消息让这两天物理学界小小地沸腾了一下。当然不乏大量的批评者，也有少数的dreamer在憧憬超越相对论的可能性。

    这“少数的dreamer”的理论物理学家发文章的速度真是比中微子还快。据中国科学家李淼说，“理论物理学家平时闲着无聊，一旦有实验，只要不是明显错，就能给出很多不同解释。这帮人是世上最聪明最无聊的人。” 在9月27日一天发布的七篇文章里，有一篇是说第五种作用力，有一点五篇涉及到额外维度，有三篇是认为Lorentz对称性破缺，有一篇是用中微子超光速来解释别的观测现象，有一篇是说大气折射率；等等，等等。

二．关于中微子的科普材料

    关于中微子的科普材料如下：

在20世纪30年代，科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。于是物理学家Pauli对此提出假设，说是有一种粒子“窃走了”能量。这一假说在25年后据说终被“证实”，这个窃走能量的“小偷”就是现在所说的中微子。有人将中微子称做“幽灵粒子”，又有人认为中微子“根本就不存在”。中微子又译作微中子，在“粒子物理”中是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

      在“粒子物理”中一般认为，中微子是一种非常小的基本粒子，它广泛存在于宇宙中。中微子可以自由穿过地球，很难与任何物质发生作用，难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。曾有科学家打比方说：“即便用我们整个太阳系那么大的一块铅，也不可能把一个宇宙中微子拦下。”

      理论物理学家认为，在自然界里，中微子产生于太阳内的放射性衰变过程或者宇宙射线中，它可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。这种粒子与宇宙发展和所谓“暗物质”的存在可能有直接关系，有希望成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究外，中微子的特性还有可能被应用于通讯、地球断层扫描等领域。

    人类对中微子所知甚少，对中微子的许多物理学参数基本上稀里糊涂。

    因而，中微子成了近年来物理学研究中的一个热点。2002年，美国和日本物理学家因“宇宙中微子探测”方面的成就摘得当年的诺贝尔物理学奖。

三．所谓“中微子超光速”“实验”蕴含的几种可能性

    当所谓“中微子超光速”的“实验”发布后，社会百态显现。经排列组合，比较典型的“分析”是：

可能性1：相对论错了，实验也错了。这种情况不在我们的考虑之列。

可能性2：实验没有错，相对论也是正确的，那么有以下几种“子可能性”：

可能性2.1：中微子的（静）质量为虚数，从而保证中微子可以在“超光速”的情况下

其能量/动量仍是实数，且中微子不能被减速到光速（及更慢）；

可能性2.2：中微子走了额外维度。 这种说法有点“玄”。
可能性3：实验没有错，相对论错了，这其中仍有几种“子可能性”：

可能性3.1：实验没有错，相对性原理正确，但相对论的表述有个小错；即必须将“光速不变”修正为“极限速度不变”，无论光子还是中微子的速度都不能大于这个“极限速度”。因而光子有静止质量，推出光子有真空色散、Maxwell方程被普罗卡方程取代。事实是，实验上已经证明光子的静止质量上限大概是10^(-52)g，中微子的静止质量上限还要更小，但它们是不是等于0很难说；因此这种猜测也可能是有道理的（例如de Broglie就曾认为“光量子”有微小的静质量）。

可能性3.2：实验没有错，相对性原理有大的错误，存在“最优参考系”，但不存在“极

限速度”，物质间相互作用的传播速度可以是无穷大。Lorentz变换（至少在局域）不成立/

或者仅仅是观测效果。这样相对论的一系列公式，如E=mc²，以及相对论速度相加公式等，

就完全失去了合理性（然而这些公式已经被实验多次验证）。这个可能性是所有可能性中最

糟糕的一个，是完全颠覆性的，而且很难看出一个这样的理论如何将相对论作为其的一个有

效理论推出。
可能性4：相对论没有错，实验错了 （在“距离”的测量上犯错的可能性比较大）。

四. 关于相对论

关于广义相对论

无论所谓“中微子超光速”的“实验”是对是错，都与广义相对论无关。广义相对论的“Einstein场方程”等号右边的“能量－动量张量”前有一个系数，此系数与“光速”的4次方成反比。看上去似乎与“光速”有关，但实际上此系数是对比“Newton万有引力公式”得到的，而与广义相对论的基本思维方式（度规＝引力）无关。只要“Newton万有引力公式”不变，此系数也不变。如果此系数要变，则“Newton万有引力公式”也要变！广义相对论是人类最高智慧的产物，物理学中没有任何第二种理论可以比美广义相对论！

在所谓“中微子超光速”的“实验”发布后，没有人质疑广义相对论。

关于狭义相对论

狭义相对论的主要思想是规范两个在以恒速作相对运动的参考系中生活的人之间的逻辑关系。这种逻辑关系是完全正确的、毋庸置疑的。在推导狭义相对论的物理学结论之前，不错，是引入了两个前提条件，即“相对性原理”和“光速不变原理”。Einstein曾经与Kurt Godel（1906－1978）讨论过“相对论逻辑推理所需的最少条件”的问题；Godel和Einstein都同意“相对论逻辑推理所需的最少条件”必须有两个，但是否是“光速不变原理”则不一定。在广义相对论的推导过程中，就用“质量等效原理”（引力质量与惯性质量等效）代替了“光速不变原理”（与此同时，推广了“相对性原理”）；但是在狭义相对论中就无法用“质量等效原理”代替“光速不变原理”，因为狭义相对论属于运动学。在中国，数学家华罗庚曾经设想在推导狭义相对论时，去掉“光速不变原理”这一条件，但经过物理学家的仔细审核，发现华罗庚在不经意中引入了另一个假设条件。

可以看出，“光速不变原理”确实在逻辑推理上不太强势（以至于Einstein想换掉它），但也不是不能替代。

所以，用所谓“中微子超光速”的“实验”来否定狭义相对论完全没有道理。

只有外行和笨伯才会对相对论的主要思想说三道四。

五．结论

    对比一下关于相对论的讨论与几种典型的“分析”“可能性”，就可以得到结论：

    要么是实验错了（这种可能性很大），要么将“光速不变原理”换用其他条件来代替（例如可能性3.1或更好的方案）。可能性2.1和可能性2.2不是好的选择。

人们为何对“实验”的“测量结果”普遍不大信任？这是因为人们在A. Aspect为验证J. S. Bell的“不等式”（它实际上与EPR思想实验相去甚远）所进行的实验中被“忽悠”记忆犹新的缘故！