互动科普

超光速粒子真的存在吗？许多理论物理学家认为，它们其实没有那么快。

撰文 达维德·卡斯泰尔维奇（Davide Castelvecchi） 翻译 王栋

不知道你是否注意到了这条新闻：2011年9月，一个物理学家团队宣布，一种名为中微子的亚原子粒子或许打破了由爱因斯坦狭义相对论设定的宇宙速度上限。在这项名为OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tracking Apparatus）的大型中微子振荡实验中，研究人员从位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究所（CERN）发射了一束中微子，它们穿过地壳，最终抵达位于意大利拉奎拉（L’Aquila）地下的格兰·萨索（Gran Sasso）国家实验室。据科学家估计，中微子到达目的地所用的时间，比光快了约60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。

对于这个结果，科学家持谨慎态度，尤其是因为早前一项测量中微子速度的研究已经表明，在很高的精确度上，中微子同样遵循宇宙速度上限。在一篇2011年9月29日发表的网络版简短论文中，美国波士顿大学的安德鲁·科恩（Andrew Cohen）和谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）通过计算得出，任何超光速飞行的中微子都会在飞行途中损失能量，并留下一条由较慢粒子组成的轨迹。这种轨迹类似于超音速飞机后方留下的音爆，并会被地壳吸收。

但是，同刚发射时相比，在格兰·萨索探测到的中微子能量并没有变化，这就说明中微子速度的测量结果是值得怀疑的。“当所有粒子都具有相同的最大可能速度时，粒子不可能通过释放另一个粒子来损失能量，”科恩解释道，“但是，如果相关粒子的最高速度不尽相同，”那么这种过程就会发生。

这类效应的常见例子是，电子和光子在同一介质中传播，比如水或空气，由于光子受到传播介质影响，传播速度会低于电子的速度上限（即真空中的光速）。在这种情况下，电子会释放光子，损失能量。这种具有不同速度上限的粒子之间的能量交换叫做切伦科夫辐射（Cherenkov radiation），这也是核电站核燃料池总是散发着蓝光的原因。

对于这次中微子实验，科恩和格拉肖通过计算得出，中微子的尾迹应该主要由电子及正电子构成。关键问题是，根据正反电子对的产生速率可知，从CERN发射的一个超光速中微子在抵达格兰·萨索之前，就会损失掉大部分能量。所以，这也说明，或许它们的飞行速度根本就没有超过光速。

“我认为已经可以盖棺定论了，”美国亚利桑那州立大学的理论物理学家劳伦斯·M·克劳斯（Lawrence M. Krauss）评论说，“这是一篇非常棒的论文。”那么，爱因斯坦还是对的？爱因斯坦相对论取代了牛顿物理学，毫无疑问，物理学家也将继续寻找爱因斯坦理论中的错误。“我们会不断验证自己的想法，”科恩说，“即便是那些已经建立起来的理论也一样要接受检验。”