挑戰光速

徐永煊

據媒體2011年9月和11月報道，意大利科學家在兩次實驗中都發現中微子束的速度比光速快。這個令人驚詫的實驗結果如果得到驗證，那么奠定愛因斯坦狹義相對論的基石——光速不變原理就垮塌了，現代物理學的根基也就沒有了!那么，這個實驗結果可信嗎?超越光速意味著什么?光是什么?它有哪些奇妙之處?令人不可思議的極限速度——光速是如何測定的?本刊特別約請有關專家為讀者釋疑解惑。

1.驚世的實驗

兩次發現中微子束超光速，但這一結果尚待驗證。

2011年9月，意大利格蘭·薩索國家實驗室“奧佩拉”項目組宣布，研究人員在接收730千米外的歐洲核子研究中心發射的中微子束時，發現中微子到達的時間比光子提前了60納秒；2011年11月，“奧佩拉”項目組又宣布，在另一項實驗中再次獲得同樣的結果。這是一個令人驚詫的實驗結果，如果它最終得到驗證，將表明中微子束的速度比光速還快，那么奠定勞倫茲變換公式和愛因斯坦狹義相對論的基石——光速不變原理就垮塌了，現代物理學的根基也就沒有了——這是多么可怕的事!

當代公認最偉大的科學家愛因斯坦在1905年發表了狹義相對論，10年后他又將廣義相對論奉獻給世人。這兩篇具有劃時代意義的著作，是現代物理學的理論根基，是人們理解空間與時間的理論依據。相對論對速度做出了最嚴格的限制，認為最快的速度是真空中的光速，沒有任何速度能超越它，超越真空中光速的物質是不存在的。

如果真的有超光速物質存在，那就是對相對論的徹底顛覆，我們就可以在時空中任意穿越，“倒行逆施”，從今天走回過去，從未來走向今天，我們就可以“與500年后的人對話”。而人類的物理知識、認識標準將“升華”到—種全新的狀態，穿越、平行空間、多維度、星球大戰……這些科幻作品中的虛幻狂想，或許都將一一成為現實，而現在被實驗證明正確的許多理論都將站不住腳，成為歷史陳跡。

目前，科學家對“奧佩拉”實驗結果采取審慎態度，大多數人堅信相對論是正確的，認為“奧佩拉”項目組倉促公布實驗結果是不合時宜和令人匪夷所思的。更有人擔心，如果真有超光速的中微子存在，那么將出現一系列令人驚訝不已的現象，“因果關系”就是一例。所謂“因果關系”，又叫“因果論”，是現代物理學的基本立足體系，也是一種重要的認識論。它認為，凡事總是先有“因”后有“果”，絕不會顛倒過來。夫妻結合才會生出兒子，這里夫妻結合是“因”，生出兒子是“果”。我們不能想象先有兒子，再有夫妻結合。也不能想象在戰場上炮彈先在對方陣地上爆炸開來，然后才從我方陣地發射出去。顯然，如果因果關系發生顛倒，—切都將陷入混亂。

但是，也有一些科學家力挺“奧佩拉”實驗。他們說，“奧佩拉”實驗由200多名出色的科學家歷時三年才完成，實驗結論是從15000個數據中精煉出來的，在對距離和時間的測量中都做到了慎之又慎(測量距離的精度在20厘米以內，測量時間的精度小于10納秒)，一切可能的測量誤差都已排除，經過反復推敲和驗證，數據是可靠的。

當然，相對而言，“奧佩拉”實驗中出錯的概率肯定會比相對論大一些。另一方面，目前科學家對中微子的一些重要性質(如中微子質量)的認識還停留在簡單的猜測階段，還需要進行反復試驗。所以，現在的問題不是全盤否定實驗結果，而是驗證它，看實驗數據是否經得起推敲和檢驗。即使實驗證明了“奧佩拉”項目組的結果正確，也并不意味著相對論就錯了，而應該是對它的修改、補充和完善。所以，國際上一些知名的實驗室，例如美國費米實驗室的科學家們表示，將對“奧佩拉”實驗結果進行核實。費米實驗室曾在2007年做過同樣的實驗，得到過類似結論，但由于當時測量精度不夠，所得結果目前還不能驗證“奧佩拉”的數據是否正確。

2.光速萬花筒

哥哥25歲，弟弟30歲，看似荒謬，也許并不荒謬。

光速是物理學中最重要的基本常數之一，通過對它的研究，人們逐漸認識了光的本質，認識了無線電波，認識了速度與現代物理學的關系。光速測定在光學發展史上起到了非常重要的作用，不僅推動了光學實驗，也打破了光速無限的傳統觀念。

在物理學理論的發展里程中，光的粒子說和波動說爭論不僅推動了光學的發展、電磁波理論的誕生，而且最終推動了愛因斯坦相對論的發展。但是，在超光速問題上科學家還沒有得到有用的結論。

光速是一道檻

相對論認為，光速是速度上限，是一道不可逾越的“檻”。在平常生活中，這道“檻”可以不去管它，因為我們涉及到的速度都比較小，例如人步行速度約為每小時幾千米，火車動車的運行速度是每小時300多千米，飛機飛行的速度快一點，也只有每小時1000千米左右。而光速是每秒大約30萬千米，所以日常生活中遇到的速度同光速相比可以忽略不計。

通常情況下，我們應用牛頓力學就可以對很多問題進行研究。但是，在高速度問題上，牛頓力學是無能為力的，需要用到相對論。愛因斯坦在狹義相對論中運用光速不變原理和運動的相對性原理，得出兩個著名結論，一個是運動物體上的尺子縮短，另一個是運動物體上的時鐘變慢。正是這兩條結論給物體運動速度設置了一道“檻”：任何物體的運動速度都不能超過光速，超過光速就會出現時間倒轉。

這里說到了時間，那么時間是什么呢?時間看不見，摸不著，但確確實實存在，同我們每個人如影隨形。科學家至今也說不清楚時間究竟是什么，但簡單想來，時間最基本的屬性是一河流淌的水，一往無前地向前流，從不回頭。而人類的變化、事物的變化、社會的變化，人世間的每一件事，都由流逝的時間原原本本地“記錄”在光線當中。當我們日后打開光線上塵封的“記錄”時，歷史的痕跡就按照時間順序栩栩如生地再現出來。

為什么說超過光速就會出現時間倒轉呢?如果我們能在超光速情況下“翻閱”那些“記錄”在光線上的歷史事件，我們的眼睛向后退的速度就會超過向前進的光速，在我們向后退的距離超過以光速向前進的距離后，出現在我們眼中的景物就會按照與時間相反的順序，一幕一幕地往回“倒放”，從今天走向昨天，從現在走向過去，人類的變化、事物的變化、社會的變化的順序都顛倒了，正的變成反的，反的變成正的，于是就出現了時間倒轉。(請參見相關鏈接：《如果時間倒轉》)

相對論速度

超光速被認為是不可能的，那么速度接近光速又會怎樣呢?請看相對論中的“雙生子佯謬”。它說的是一對兄弟，哥哥28歲，弟弟25歲。一天，哥哥登上宇宙飛船，以每秒29.4萬千米的速度(光速的98％)飛行，弟弟則留在家里。一年后，哥哥結束太空飛行回到家中，見到弟弟時，發現弟弟蒼老了許多。哥哥驚奇地問：“怎么啦?才一年時間，你變得這么多?”弟弟怪怪地反問：“才一年?你離家已經五年了!你離家時我25歲，今年我已經30歲了。”

哥哥離家才一年，弟弟卻由25歲變成30歲，這是

怎么回事呢?根據狹義相對論中的“運動物體上的時鐘變慢”原理，在以0.98倍光速運動的飛船上的時鐘會變慢，而地球上的時鐘卻仍按照原來的速度走。飛船上的時鐘只走了一年，地面上的時鐘卻已走過五年。因此弟弟今年30歲，哥哥今年只有29歲。請注意，這里的速度只有0.98倍光速。計算表明，當雙生子之間的相對速度為0.1倍光速時，運動后見面時兩人的年齡相差不大；當他們的相對速度達到0.5倍光速時，見面時兩人的年齡將相差1.15倍；而當他們的相對速度變成0.999倍光速時，見面時兩人的年齡可以相差22.4倍!

根據狹義相對論，在一個參考系中超光速運動的粒子在另一坐標系中有可能回到過去，因此可以實現超光速旅行，按科幻作品中的說法，就是時間旅行。如果實現了時間旅行，那么相對論中被稱為“外祖母佯繆”的血淋淋的故事，就可能變成真實事件了。

所謂“外祖母佯謬”是指：一名時間旅行者回到過去殺死自己的親生祖母，此時其祖母尚未認識其祖父，因此，這個時間旅行者的父母之一以及旅行者自己永遠都不會出生；既然這個時間旅行者根本就沒有出生，他又怎么可能回到從前殺死祖母呢?這個矛盾暗示回到從前是不可能的。然而，科學家提出了多種假設來避免這個佯謬，例如過去是不可改變的，因此祖母一定活過了暗殺企圖，或者時間旅行者是在—個平行空間或稱平行宇宙中回到從前殺死祖母的，因此并不影響他在這個空間中的存在。

真假超光速

速度反映的是傳輸信息和傳輸能量過程的快慢，超光速就是用比光速還要快的速度傳輸信息和能量。雖然相對論原理給速度加上了“檻”——任何運動速度都不能超過真空中的光速，真正超光速傳輸信息或能量的過程是不存在的，但這并不意味著一切速度都不能超越光速。下列情況下就可能超過光速：

相對運動甲相對于丙向東運動，乙相對于丙向西運動，甲、乙運動速度如果都超過0.5倍光速，那么對于觀測者丙來說，甲和乙之間的距離就以超光速在增長。但這種超光速是假超光速，并非真正地把信息或能量超光速地傳輸到遠方。

影子放大如果在燈下晃動手臂，并讓影子落在墻壁上，影子晃動的速度將比手臂快。手臂到燈的距離和墻壁到燈的距離之間的差異越大，手臂晃動的速度與墻壁上影子晃動的速度差也越大。當手臂與影子到燈的距離差異變得很大很大，且手臂晃動的速度大到一定程度時，墻壁上影子晃動的速度就可能超過光速。同樣，如果站在地球上的人朝月球晃動手電筒，落在月球上的手電筒光移動的速度就很容易超過光速。但上述情形都不是真正的超光速情形，因為影子放大時，它的亮度和傳輸的能量相應地減弱了，換句話說，它傳輸信息和能量的能力相應地減弱了；當影子放大到很大時，影子就變得蹤影全無，不能傳輸任何信息和能量了。

切倫科夫效應這個效應是指：粒子在媒質中傳輸的速度超過媒質中的光速時，其軌跡上會出現一種熒光。這種熒光可以用來探測進入地球大氣層的宇宙線粒子，因此這種粒子速度超過了光速，而且傳輸了信息或能量。但是，這里所說的粒子的速度超越的是“媒質中的光速”，而不是真空中的光速。光線在媒質中的傳輸速度同媒質的折射率有關，在不同媒質中光的傳輸速度不同，但不管是哪種媒質，光在其中的傳輸速度都比在真空中小，所以這里的“超光速”不是真正意義上的超光速，而是一種假的超光速。我們所說的超光速，是指速度超過真空中光速。

光是粒子還是波?

人人都知道光，但未必知道光是什么。1665年，牛頓做了一項創造性的光學實驗。他將一間屋子糊得嚴嚴實實的，只在墻壁上開了一個小洞，讓陽光通過小洞射進屋內。他在屋內光線行進路線上放置一塊三棱鏡，讓陽光透過三棱鏡后射到墻壁上，結果墻壁上的光線變成了七種顏色，紅橙黃綠青藍紫依次排列。他又在三棱鏡后面倒置一塊三棱鏡，結果墻壁上的七種顏色消失了，又變成了白色陽光。牛頓根據這個實驗指出，白色陽光是由七種顏色組成的，光是一種粒子，一束光就像一串小粒子，連珠炮似的從光源射出來。

幾乎與此同時，荷蘭物理學家惠更斯也在研究光。他認為光是一種波，像水面上蕩漾的漣漪，一起一伏地向前傳播。在很長的時間內，這兩種觀點相互爭論，誰也說服不了誰。

到19世紀，光學研究有了很大突破，發現了光的干涉(兩列以上的光束在空間相遇時相互疊加，在一些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布，因而產生明暗相間的干涉條紋)、衍射(光在傳播過程中，遇到障礙物、小孔和窄縫時，偏離直線傳播路徑，繞過障礙物，進入陰影區)和偏振(光線振動方向對于傳播方向的不對稱性)，這些發現雄辯地證明光是波動的。

1864年，蘇格蘭科學家麥克斯韋根據丹麥科學家奧斯特的電轉化為磁的實驗和英國科學家法拉第的磁轉化為電的實驗，證明了電和磁的作用是同一個電磁力的不同的表現形式，變化的磁場和變化的電場不斷地相互產生，并以波的形式在空中傳播。他把這種轉換形式用一組方程簡單而美妙地表達出來，這就是著名的麥克斯韋方程式。根據這個方程組，麥克斯韋得出一條推論：電磁信號在真空中以恒定的速度傳播，這個速度就是光速。后來他又說：光是電磁波的一種，光是一種可見的電磁波。

另一方面，1887年德國物理學家赫茲用紅外光照射高電壓金屬板極時，發現兩板之間出現了放電火花。第二年，俄羅斯物理學家斯特列特夫用紫外光照射電壓不高的金屬板極時，也出現了放電火花，而且火花更強。光線照在金屬板極上產生放電火花的現象稱為光電效應。光電效應說明光線帶有一定的能量。為了解釋光電效應，愛因斯坦根據德國物理學家普朗克的“能量子”概念，于1905年提出了“光量子”概念。光量子簡稱光子，光量子理論的成功說明光線是一種微粒。但是光量子所說的微粒不是牛頓所說的機械性微粒，而是電磁性微粒。綜合各種研究結果，物理學家把光概括為是波，也是粒子，具有波粒二重性。

光沿直線傳播嗎?

光線通過玻璃鏡面時會發生折射和反射，這些光學現象可用光線沿直線傳播來很好地解釋。1665年牛頓在暗屋子里做的分光實驗，也能通過光沿直線傳播來說明。但是，當速度達到相對論速度時，情況就不同了。在相對論的證據中有一個著名的引力透鏡例子，也同光線有關。

愛因斯坦指出，當物體質量足夠大時，其引力能使光線彎曲。當遠方星光從一顆大質量星附近通過時，光線不再是直線行走，而是彎曲成一條弧狀繞過去。這樣，當光線通過大質量天體時，就出現了兩個像，形成一個“引力透鏡”。在愛因斯坦時代，引力透鏡只是一個理論推測，而現在引力透鏡已被廣泛用于測量像黑洞一樣的大質量天體。由于這些天體是看不見的，一般不能用正常的光學儀器來觀測，所以在觀測這樣的天體時，引力透鏡彰顯出巨大才能。實踐證明，宇宙中的確存在引力透鏡，而且能用來進行天文觀測。在大質量物體附近，光線的確是彎曲的。

有沒有光速?

今天誰也不會懷疑光有速度，但在科學史上，這卻是一個爭論了很久的問題。德國著名天文學開普勒和法國著名數學家笛卡爾都認為，光是瞬時傳播的，不需要時間。而伽利略則堅持光有傳播速度，認為光傳播雖然很快，但卻有速度，而且可以測定，他還開創了光速測量的先河。

1607年，伽利略第一次進行測量光速實驗。測量依據的是我們通常使用的方法：距離／時間=速度。他讓兩個人分別站在相距一英里的兩座山上，每個人拿一盞燈，第—個人先舉起燈，第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈。第一個人從舉起燈到看到第二個人的燈的時間間隔，當作光傳播兩英里的時間。由于光速太快，距離太短，測不出時間間隔，實驗失敗了。但這次實驗揭開了人類歷史上測量光速的序幕。

第一個有效測量光速的方法，是丹麥天文學家羅麥在1676年提出的。他在觀測木星衛星(簡稱木衛)掩食周期時發現，在一年中不同時期，木衛的掩食周期不同。地球位于太陽和木星之間時的木衛掩食周期，與太陽位于地球和木星之間時的木衛掩食周期相差14～15天。羅麥認為，這種現象是光有速度造成的。他還推斷出光越過地球軌道需要22分鐘。根據自己的計算，他在1676年9月預報，當年11月9日上午5時25分45秒的木衛掩食將推遲10分鐘。巴黎天文臺的科學家們對此將信將疑，勉強作了觀測。觀測結果表明，羅麥的預報是正確的。雖然法國科學院沒有接受羅麥的理論，但惠更斯非常贊同它。惠更斯根據羅麥提出的數據和地球的半徑，第一次計算出了光速為214000千米／秒。雖然這個數據與目前測出的精確數據相差甚遠，但它激發了惠更斯對光的波動說的研究。

現在看來，這個不精確的結果不是源于羅麥方法的錯誤，而是源于羅麥對光線越過地球軌道的時間推測不準確。后來經過各種修正，用羅麥的方法算出的光速是298000千米／秒，與現代實驗室測定值很接近。

1725年，英國天文學家布拉德雷在觀測天龍座γ星時，意外發現了“光行差”。所謂“光行差”是指：在同一瞬間，運動中的觀測者觀測到的天體的視方向，與靜止的觀測者觀測到的天體的真方向之間存在差異。由于光行差的緣故，恒星在一年內的視位置似乎圍繞它的平均位置走出一個小橢圓。1725年布拉德雷發現這個現象時，他無法解釋它。三年后的一天，他在泰晤士河上泛舟時，不經意間發現船桅桿上的旗幟不是簡單地隨風飄揚，而是隨著船的航向與風的相對運動而改變。他聯想到雨中打傘的情形：如果將傘垂直地撐在頭頂上，行走時雨滴就會滴在身上。由此，他認識到光的傳播速度與地球公轉共同引起了“光行差”現象。他用地球公轉的速度與光速的比值，估算出太陽光到達地球需要8分鐘多的時間。這一測定雄辯地證明光速是有限的。

光速測定為17世紀以來關于光的性質的爭論提供了重要依據，但由于當時實驗環境的局限，科學家只能以天文方法測定光在真空中的傳播速度，還不能解決光受傳播媒質影響的問題。18世紀科學界處于沉悶期，光學發展幾乎停滯。到19世紀中期，科學家才運用新方法來測量光速。

1849年，法國人菲索第一次設計地面實驗裝置來測定光速。他的方法在原理上與伽利略的類似，只是距離拉長了一些，計時更精確一些。他將一個點光源放在透鏡焦點上，透鏡與光源之間放一個轉動的齒輪。在透鏡另一測較遠的地方，依次放一塊透鏡和一塊平面鏡，平面鏡位于第二個透鏡的焦點處。這樣，點光源發出的光線經過齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經過第二塊透鏡在第二塊平面鏡上聚焦成一點。該光點經平面鏡反射后，按原路返回。光線所走的距離等于齒輪到第二塊平面鏡距離的兩倍。由于齒輪有齒隙和齒，光通過齒隙時觀察者可以看到返回的光。光恰好被齒遮住時，觀測者就看不到光線返回。從開始發光到光線第一次消失的時間間隔，就是光線往返一次的時間，這個時間可由齒輪轉速記錄。菲索測得光速為315000千米／秒。

1850年，同為法國人的傅科改進了菲索的計時方法，重新進行了實驗。他用一塊透鏡、一塊旋轉的平面鏡和一個凹面鏡組成一套測量裝置。平行光通過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心，由平面鏡的轉速求出時間。使用這種方法，傅科測出光速是298000千米／秒。此外，傅科還測出了光在水中的傳播速度，并與光在空氣中傳播速度比較，從而測出了光由空氣中射入水中的折射率。1951年，貝奇斯傳德利用克爾盒法測出了比較精確的光速：299793千米／秒。

如前所述，光是電磁波譜的一部分。當代人用實驗室方法對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密測量。1950年，英國物理學家艾森提出利用實驗室里的空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是，當通過空腔的微波頻率與某一頻率發生共振時，根據空腔長度可以求出共振腔的波長，把共振腔的波長換算成光在真空中的波長，就可以由波長和頻率計算光速。當代最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年英國物理學家弗魯姆求出的光速精確值是：299792.5±0.1千米／秒。1972年美國科學家埃文森測得了目前真空中光速的最佳數值：299792457.4±0.1米／秒。

從伽里略提出光有速度到測出光速的最佳值，前后經歷了400多年，在這段歷史長河里，消耗了不少科學家的心血，也獲得了許多科學成果。光速測量不僅促進了幾何光學和物理光學的巨大發展，也為包括相對論在內的其他學科發展提供了非常重要的依據。

3.神秘的中微子

頃刻之間有數十億個中微子穿過你，你卻茫然無知。

“奧佩拉”項目組的超光速實驗是用中微子進行的。中微子是一種“幽靈粒子”，它悄悄地來，默默地去，在宇宙空間游蕩，時刻與人們打交道，卻又不讓人們知道它。

多次結緣諾貝爾物理學獎

中微子很神秘，就連物理學家至今也仍為它所迷惑。守恒定律是一條物理學基本定律，任何自然過程都必須遵守它。然而，1930年，奧地利物理學家泡利發現，放射性衰變前后的能量、動量和角動量都變得不平衡。泡利預計，這些失去的“量”被一種不知名的粒子帶走了。這種粒子沒有質量或者質量很小，不帶電荷，呈現中性，所以人們看不見它，泡利稱它為“中子”。

1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克發現了質量比泡利所說的“中子”大得多的粒子，并根據其他科學家建議，將它也命名為“中子”。如此一來，泡利所稱的“中子”就得改名換姓了。1934年，美國物理學家恩里科·費米根據泡利所說的中子“是個中性的小不點兒”的特點，將它命名為“中微子”。

不過，中微子直到1956年才現身。它的“露面”給美國物理學家弗雷德里克·萊因斯帶來了好運——他因在核反應堆輻射中探測到中微子而獲得1995年諾貝爾物理學獎。此后，中微子很快引起了天體物理學家的重視。

在浩瀚的宇宙空間，到處都有熱核反應和放射性衰變。凡是發生這些核反應的地方——太陽內部、超新星爆發、超新星爆發遺跡、宇宙大爆炸以及地球大氣中，

都可能產生中微子。但科學家迄今為止只知道絕大多數中微子來自太陽，小部分來自遙遠的星系和宇宙最初的大爆炸。

天體學家最早關注的中微子是太陽中微子，因為太陽內部存在著激烈的熱核反應，產生了大量中微子。中微子一進入天文學研究領域，就掀起一場不大不小的風波。1967年，在巴塞羅那召開的天文學和天體物理學深奧課題研討會上，美國物理學家戴維斯展示了他的太陽中微子觀測結果，而另一名美國物理學家巴考爾也展示了自己的相關研究成果。巴考爾展示的不是觀測結果，而是理論上預計的太陽中微子出現率。兩個結果一比較，問題就來了：巴考爾的理論值是戴維斯的觀測值的3倍!這就是天文學上著名的“太陽中微子失蹤”之謎。

當時巴考爾是副教授，在大教授戴維斯面前，他是無名小輩，因而在發表報告時有些緊張。他的緊張被美國著名物理學家費曼教授發現了，費曼把他拉到身邊，并在會后邀他一起在巴塞羅那林陰道上散步，詳細了解他緊張的原因。在得知事情原委后，費曼鼓勵巴考爾：“我不知道如何回答你，但你的研究很有意義。”后來有人評價說，這次林陰道上的散步是一次值得重視的科學旅行，它導致世界上三大洲的幾百位科學家進行中微子研究，建成了數十個中微子實驗室，使中微子天文學得以蓬勃發展。

“太陽中微子失蹤”之謎的謎底最終由粒子物理的標準模型揭開。標準模型指出，中微子有3種類型，稱為3“味”，分別是電子中微子，ν子中微子和τ子中微子。電子中微子是電子反應產生的，后兩種中微子由兩個較重的粒子——ν子和τ子反應產生。每一種中微子還有相應的反粒子，稱為反中微子。就是說，宇宙中不僅有奇怪的中微子，而且還有與它相應的反中微子。

這些精辟的論點已被觀測和實驗所證明。美國物理學家列昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茲和杰克·斯坦伯格因在1962年探測到ν子中微子相互作用中有多種中微子存在，獲得1988年諾貝爾物理學獎。1975年，τ子中微子被斯坦福力諾加速中心發現。2000年夏天，美國費米實驗室觀測到τ子中微子相互作用。實際上，在戴維斯的觀測值中，太陽中微子并非失蹤了，而是少了這兩種較重粒子的中微子。

在解決“太陽中微子失蹤”奧秘的過程中，科學家又發現中微子在物質中傳播時“味”會發生改變，這被稱為“太陽中微子震蕩”。太陽中微子震蕩主要發生在太陽內部，而不是在大氣中，因此在一般物質中見不到中微子震蕩。太陽中微子震蕩使得中微子更加神秘。在揭示中微子的奧秘方面，日本東京大學教授小柴昌俊取得了出色成績，他和戴維斯一道獲得了2002年諾貝爾物理學獎。

奇怪特性引出奇怪結果

中微子雖然有能力帶走部分能量、動量和角動量，但它不帶電荷，質量很小或幾乎沒有質量。不帶電荷意味著它不受電磁力影響，只受微弱的亞原子力影響；弱作用意味著它的作用范圍比電磁力小得多。這些特征與前不久發現的暗物質里的弱作用大質量粒子(簡稱WIMPs)頗為相似，有些物理學家甚至將中微子直接歸于弱作用大質量粒子。中微子的另一種特性是穿透率極強，能在物質中旅行巨大距離而不與沿途物質發生作用，穿越浩瀚宇宙空間猶如在真空中散步。中微子的奇怪特性讓它具有隱身匿跡的奇招：頃刻間可能有數十億個中微子穿過人體，而在人的一生中卻很少有幾個中微子和人體內的原子發生作用。

這些特性使得中微子具備了以下特性：第一，可以輕易逃離自己的“誕生”地，把產生它的天體的真實信息傳輸給我們，例如太陽中心核聚變產生的太陽中微子可以毫發無損地穿越太陽外層大氣和地球大氣，讓我們直接看到太陽心臟區域；第二，可以自由穿行于星系之間，而不受充斥在宇宙中的微波背景輻射和星系磁場的影響，因此它能原模原樣地傳遞信息，保真度極高，是攜帶宇宙中最劇烈現象和產生宇宙γ射線暴信息的理想載體，是最好的宇宙傳媒。

但是，中微子穿透率很強，不容易捕捉，而且它產生的信號和宇宙線產生的信號極其相似，很難將它們區分開來。因此，探測中微子十分困難。據估計，在地球上垂直太陽光入射方向上，每平方厘米每秒鐘約有65億個中微子穿過，而在地面上卻很難探測到它。由于它能穿透數千千米的巖石而不受阻擋，因此為了減少探測過程中宇宙線背景的影響，天體物理學家把中微子探測器放在很深的地底下。第一個中微子觀測站是在1955年建造的，地點是在美國南達科他州一個2000米深的金礦井內，探測器是一個400立方米的儲液池，內儲氯-37液體。中微子進入池內后，氯-37變成氬-37，測出氬-37的數量就可以計算出中微子數量。

中微子能超光速嗎?2011年9月和11月，意大利“奧佩拉”項目組兩次宣布，他們發現17GeV和28 GeV(eV讀作“電子伏特”，是一種能量單位，CeV等于1京電子伏特)的中微子速度達到了299798454米／秒，即真空中光速299792457.4±0.1米／秒的1.0000248(28)倍。這是一個驚人的結果。

中微子速度與它的質量密切相關。按照相對論，如果中微子質量為零，它們的速度一定等于光速；如果中微子有質量，哪怕質量很小，也不可能達到光速。根據粒子物理的標準模型，中微子是沒有質量的，但實驗確定如果中微子有震蕩現象，就要求它有質量。目前科學界普遍認為，中微子是有質量的，但質量多少還未測量出來，所以在發現中微子震蕩現象之前，一般假設中微子以光速旅行。發現中微子震蕩之后，科學家正在努力測量它的質量，以期推斷它的速度。

第一次測量中微子速度是在20世紀80年代。當時，科學家用脈動的質子束打擊靶核產生的脈動π子束，反復測量得知，3GeV的中微子速度是1.000051(29)光速，這是第一次測量出中微子速度超過光速。2011年9月“奧佩拉”項目組宣布他們的實驗發現，這是第二次測量出中微子速度超過光速。事實上，早在1985年就有科學家提出，中微子可能有超光速的亞原子粒子性質。今天，超光速運動的標準粒子模型認為中微子經受勞倫茲擾動震蕩，旅行速度可以超光速。

在理論物理學中有一種假想粒子叫做“快子”，是德國物理學家阿諾德·索末菲命名的。從理論上講，如果“快子”是傳統的局域化的粒子，它能超光速傳遞信號的話，那么就可能導致狹義相對論的因果顛倒。然而，在量子場論框架內，“快子”被理解為表明系統的不穩定性和系統通過濃縮消散，而不作為真正的超光速粒子，這樣的不穩定性是“快子場”所描述的。按照當代廣泛采用的粒子概念知識，“快子”被當作不穩定存在，根據理論，“快子”超光速傳遞信息和因果顛倒是不可能的。

盡管理論上認為超光速粒子不存在，然而實驗研究得出的結論卻相反。不過，“奧佩拉”的實驗結果與其他實驗明顯不同，明顯的例子是1987年發生的一次超新星爆發——超新星1987A。所謂“超新星爆發”是指恒星突然爆發出明亮光輝，甚至白天都能見到。1987A超新星爆發時，科學家不僅觀測到明亮的光線，而且觀

測到中微子。值得注意的是，1987A的，10MeV(1000MeV等于1京eV)中微子的傳輸時間只比光子傳輸時間多4.5億分之一，這個差值甚至可能是光線在旅行初期受到恒星物質阻尼的結果。如果1987A的中微子速度達到1.000048(28)光速，它將在光子之前幾年到達地球，我們就不可能在觀測到光子的同時觀測到中微子了。

綜合中微子速度的三次測量，有必要注意以下事實：2011年9月測量的中微子能量是17GeV和28GeV，速度是1.0000248(28)光速；20世紀80年代測量的中微子能量是3GeV，速度是1.000051(29)光速；而在1987年測量的中微子能量是10MeV(即1／100GeV)，速度是(1+1／45億)光速。三次測量結果表明，中微子速度可能同它的能量有關。如果這個結論正確，那么“奧佩拉”項目組的測量結果就有立足之地了。當然這只是猜想，到底結論如何還需繼續探索。這里我們用當代享有國際盛譽的廣義相對論和宇宙論學家霍金的話來作結論：“目前，對中微子發表評論還言之過早，必須進行更多實驗及澄清工作。”

如果時間倒轉

如果時間倒轉將會出現什么樣的情景呢?請看下面的例子。

●手拿一顆石子投進池塘里，撲通一聲，濺起一串浪花，水面上漾起的漣漪一圈圈擴大。當出現時間倒轉時的情景是：漣漪一圈圈縮小，收縮到一點，浪花由空中落到水面，撲通一聲，一顆石子從水里浮出水面，躍入空中，最后跑到人的手里。

●人的一生經歷著從娘胎里出生、嬰兒、年輕、年老、臉上出現皺紋、進入墳墓等過程。當出現時間倒轉時的情形是：人從墳墓里走出來，皺紋從臉上消失，從年老變成年輕，變成嬰兒，進入娘胎，最后消失在娘肚里。

●打開一瓶香水，香水從瓶口散發出來，香氣散入空氣中。當出現時間倒轉時的情形是：空氣中的香氣從瓶口進入瓶內，在瓶內凝結成滿滿一瓶香水。

●一頭公牛闖進一家瓷器店，在店內亂蹦亂跳，把架子上的瓷器打得粉碎，散落在地上，地上一片狼藉。與其對應的時間倒轉情形是：公牛把一片狼藉的碎瓷器拼接起來，放到架子上，匆匆走出瓷器店，揚長而去。

時間倒轉將引起千萬種怪象，這里所列舉的只是怪象海洋中的幾朵浪花而已。如果把超光速引起的怪象合盤推出，將是一幅多么可怕的景象!