一項義大利實驗揭示了基本粒子——中微子可以以超過光速的速度傳播的證據。其他研究人員對此結果持謹慎態度，但如果它經受住進一步的審查，這一發現將顛覆現代物理學最基本的規則——沒有任何東西的傳播速度超過每秒299,792,458米。
該實驗名為OPERA（乳膠跟蹤裝置振盪專案），位於義大利格蘭薩索國家實驗室地下1400米處。它旨在研究來自歐洲主要高能物理實驗室CERN的中微子束，CERN位於瑞士日內瓦附近730公里處。中微子是基本粒子，它們是電中性的，很少與其他物質相互作用，並且具有極小的質量。但它們無處不在——太陽在核反應的副產物中產生如此多的中微子，以至於每秒鐘都有數十億個中微子穿過你的眼睛。[點選這裡閱讀更多關於CERN大型強子對撞機的資訊]
1800噸重的OPERA探測器是一個複雜的電子裝置和照相乳膠板陣列，但新結果很簡單——中微子的到達速度比光速快60納秒。“我們感到震驚，”瑞士伯爾尼大學的物理學家、OPERA發言人安東尼奧·埃雷迪塔託說。
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違反定律
在真空中，沒有任何東西可以比光速傳播得更快，這一觀點是阿爾伯特·愛因斯坦狹義相對論的基石，而狹義相對論本身構成了現代物理學的基礎。如果中微子的傳播速度比光速快，那麼科學最基本的一個假設——物理規律對於所有觀察者都是相同的——將被推翻。“如果這是真的，那就太非同尋常了，”CERN的理論物理學家約翰·埃利斯說。
埃雷迪塔託說，他對新結果足夠有信心，可以將其公之於眾。研究人員聲稱，他們測量了CERN及其探測器之間730公里的行程，誤差在20釐米以內。他們可以將行程時間測量到10納秒以內，並且在過去兩年中測量的16,000多個事件中看到了這種效應。鑑於所有這些，他們認為該結果具有六西格瑪的顯著性——物理學家說這肯定是正確的一種方式。該小組將於9月23日在CERN展示他們的結果，並且他們的結果的預印本將釋出在物理網站ArXiv.org上。
至少有一項其他實驗之前也看到了類似的效果，儘管置信度要低得多。在2007年，明尼蘇達州的主注入器中微子振盪搜尋（MINOS）實驗發現，來自伊利諾伊州費米實驗室的粒子物理設施的中微子提前到達。當時，MINOS團隊淡化了這一結果，部分原因是探測器的確切位置存在太多的不確定性，無法確定其顯著性，該實驗的發言人珍妮·托馬斯說。托馬斯說，在最新的OPERA結果出來之前，MINOS已經在計劃進行更精確的後續實驗。“我希望我們能夠啟動這項工作，並在一年或兩年內進行測量，”她說。
合理的懷疑
如果MINOS證實了OPERA的發現，其後果將是巨大的。“如果你放棄光速，那麼狹義相對論的構建就會崩潰，”義大利博洛尼亞大學的理論物理學家和名譽教授安東尼諾·齊基基說。齊基基推測，OPERA檢測到的“超光速”中微子可能正在穿越空間中的額外維度，正如弦理論等理論所預測的那樣。
然而，埃利斯仍然持懷疑態度。他說，過去有很多實驗尋找速度快於光速的粒子，但都空手而歸。對於OPERA來說，最令人不安的是對附近超新星1987a發出的中微子脈衝的單獨分析。如果所有中微子都能達到OPERA所看到的速度，那麼超新星的脈衝應該比爆炸恆星的光閃早幾年出現；相反，它們在幾小時內相繼到達。“這很難與OPERA所看到的相協調，”埃利斯說。
埃雷迪塔託說，他歡迎外界的懷疑，但他補充說，研究人員無法找到對其非凡結果的任何其他解釋。“當你處於這些情況下時，你必須去社群，”他說。
本文經《自然》雜誌許可轉載。這篇文章於2011年9月22日首次發表。