探索中微子超光速现象

作者 吴东敏

2011年9月，欧洲核子研究中心（CERN）与大型中微子振荡实验项目组（OPERA）宣布“中微子超光速”的消息后，旋即引起了全世界的震撼，质疑声一片。中微子能不能超光速成为一个谜团，笼罩在人们的心头。为了解开这个谜团，笔者提出自己的一些见解，供科学界参考。

一，关于中微子的谜题

1930年，奥地利物理学家泡利在解释β衰变的质量亏损时，提出可能存在一种粒子，它“窃”走了衰变过程中的能量。这种粒子于1933年被正式命名为中微子。1956年，美国科学家莱茵斯等人在实验观测中发现了中微子的存在。中微子有极小的质量，不携带电荷，有极强的穿透性。中微子主要来自恒星燃烧后的产物，它广泛存在于自然界中。中微子与其它粒子发生的作用非常弱，科学家估计100亿个中微子只有一个会与物质粒子发生作用，故检测非常困难，有“鬼粒子”之称。80多年来，关于中微子仍有许多谜题。概括而言，我认为主要有：

1，中微子有没有质量？

2，中微子有没有磁矩？有没有右旋中微子和左旋反中微子？

3，中微子到底有多少种类？有没有重中微子和中微子星？

4，有没有中微子振荡？几种中微子是同一种粒子的不同表现还是不同的粒子？

5，中微子在暗物质中占什么地位？

6，宇宙背景中的中微子怎样探测？

7，太阳中微子强度有没有周期性变化？

8， 中微子的辐射机制？

9，中微子有没有超光速？

上述谜题正是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。

二，中微子超光速现象分析

本文主要探讨中微子的辐射机制和中微子超光速问题。

1，在1987年2月23日格林尼治时间10点35分，南半球的几个天文台观测到大麦哲伦星云中的一颗编号为SN1987A的超新星开始爆发。这个消息公布后，几个设有大型地下探测装置的实验室立刻查阅了数据记录磁带，发现在当天格林尼治时间7点35分左右，总共捕获了24个来自该超新星的中微子，记录下十分珍贵的信息。中微子比光子先到达地球3个小时。此后，诞生了“中微子天文学”这个新的科学分支。

大麦哲伦星云，也叫大麦哲伦星系，离地球16万光年，直径5000光年，恒星数约100亿颗，属银河星系群，它绕银河系运转。大约在16万年前，地球上的人类还处于从猿人向现代人进化的时期，大麦哲伦星系里的一颗恒星发生超新星爆发产生的辐射，在16万年后，于1987年2月23日到达地球。超新星爆发是一个伽马射线源，它辐射的频谱包含全波段：宇宙射线；超硬伽马射线；伽马射线；X射线；可见光；射电波。奇怪的是，其辐射的中微子比可见光光子提前3小时到达地球。不可思议的是，这24个中微子经过16万年的飞行到达地球的地层下被探测器俘获。如此弱小的粒子，没有电性，质量微小，竟有如此之大的能耐，仔细想想可能吗？

对于这个问题，我认为首先要考虑中微子的性质与辐射机制。中微子几乎不与其它粒子发生作用，遇到空间中的其它粒子还得避开，转向而被散射：中微子没有辐射机制，因为它的引力，电力的作用极小，只能在空间依惯性作直线运动。16万年来，它穿过浩瀚的星际尘埃，星际气体，各种星际云而不发生散射是难以想象的。还有，这颗超新星爆发，会连续不断地辐射中微子，为什么只有在7点35分左右才检测到24个，后来却检测不到呢？我认为最合理的解释是：比可见光速度更快的高能粒子（伽马光子）提前到达地球，穿过地表发生散射，产生大量的中微子运动，其中有24个被科学家的探测器俘获。

2，伽马射线暴和它的超光速现象。

1967年，美国Vela军事卫星在进行全球核爆炸监测时，无意之中发现了一种现象——伽马射线暴。它是来自太空中某一方向的伽马射线强度在短时内突然增强，随后又迅速减弱的伽马射线的辐射现象。持续时间0.1秒到2秒称为短暴，2秒到1000秒称为长暴，通常探测到的伽暴持续时间为0.3秒到30秒。射线波长小于0.1纳米，能量非常高。伽暴持续时间短，亮度变化复杂而无一定规律。伽暴过后产生余辉，X射线余辉能持续几个星期，可见光余辉和射电余辉可持续几个月到一年。经过数十年的观测，人们对伽暴的本质还不是很了解，但基本可以确定是宇宙尺度上的恒星级天体新星或超新星的爆发现象。

从伽马射线的观测到X射线和可见光余辉的出现有时间差。从观测光学余辉开始计算，则X射线和伽马射线的速度是超前的，这种现象我认为可以叫做伽马射线的超光速现象。这种现象可以解释SN1987A的中微子超光速现象的实质问题。有关伽马射线暴现象的形成机制之谜，我撰写的《宇宙的真谛》一书做了探讨，在此不多阐述。

3，太阳中微子探测分析。

从核反应的物质分析中，科学家估计太阳会产生大量的中微子，这绝对可以肯定，然而，实际检测到的却很少，此为“太阳中微子失踪案”。太阳可以视为最大功率的“超级强子对撞机”，每秒钟要产生大量的中微子，它们到哪里去了呢？其实，大量的中微子就藏在持续发散的太阳风里，它们是太阳风的主要成分。太阳风的速度只有每秒600到800公里，也就是说，太阳中微子的速度通常为每秒600到800公里。这些中微子不能穿过地层让科学家的探测器接收到。但是，在太阳活动激烈的时候，也就是黑子耀斑大量出现的时候，其所发出的强烈的伽马射线在穿过地层被地表物质散射后，新产生大量快速运动的中微子会有一部分被科学家的探测器俘获。科学家可以通过太阳黑子周期11年和太阳自转周期28天的黑子耀斑爆发观测中微子捕获情况，并进行比照。

4，OPERA 2011年9月22日宣布的“中微子超光速”现象分析。

我认为，OPERA实验是认真，慎重的，绝不是哗众取宠，更不是什么恶作剧。

（1）辐射源。OPERA实验采用的是来自欧核中心（位于瑞士日内瓦地下）的大型强子对撞机（LHC）的质子与质子的对撞射线，射线的主要成分是含有重子，轻子的全波段辐射。有强烈的伽马射线，X射线，可见光辐射，也有大量的中微子辐射。使用的辐射信号脉冲宽度为10微秒。

（2）辐射源通过靶标物质石墨层以后，重子，轻子，伽马射线，X射线和可见光被过滤，散射；同时又产生更加大量的中微子辐射。由于伽马射线对轻物质（石墨）有很强的穿透性，从石墨层出来依然有可能存在伽马射线；伽马射线虽然不能从地层下到达730公里外的罗马格兰萨索实验室，但初始的伽马射线辐射速度如果超过光速的话，它推动中微子的初速度就有可能会超过可见光的光速。因此，作惯性运动的中微子到达732公里之外的格兰萨索的时间，也有可能比可见光走完732公里所需要的时间要短。但对732公里这么短的里程来说，这个效应是微弱的，稍有差错就达不到效果。

（3）测量误差问题。对于“两地时间的同步问题”和“两地距离测量的精度问题”，我相信OPERA会考虑到。这里，我想特别指出另外两个问题。

首先，辐射脉冲的宽度1万纳秒（10微秒）与中微子快了60纳秒比较，容易造成计时误差，应尽量采用窄脉冲。但太窄会导致辐射功率太小，以至于接收端捕获不到中微子。我认为适宜采用宽脉冲，如10毫秒（1000万纳秒），从脉冲前沿开始到第一个中微子接收到为止，这一时段作为中微子传播计时时间。

其次，2012年2月23日所称实验失误系电脑与GPS光缆连接松动的说法，可能是一个托词，不足为凭。而计算机与GPS通讯线路的延时才是个问题。现代最快的超级计算机从本质上说都是粒子在运动，都要受光速约束，所以实验两端应尽量简化或尽可能少地使用计算机系统，这一点OPERA在实验时或许也会考虑到。对于计时方法，OPERA可考虑在罗马准备4个铯原子钟，以欧洲时间（比格林尼治时间早1小时）绝对同步调配好以后，拿两个到日内瓦的欧核中心（CERN），作为发射端与接收端的标准计时器，发射端以一定的时间间隔正点发射中微子脉冲信号；同时去掉GPS系统。

（4）实验方面的建议。在同一地点，以相同的设备，采用不同的实验方法和不同的辐射脉冲宽度进行实验比较是个好方法。第一，在发射端，在散射体石墨靶标的前方加装厚度0.3到1米的铅容器，用于过滤伽马射线。接收端的灵敏度同时做相应的调整。第二，在发射端使用不同的辐射源作试验。除了质子源外，还可以试用强X射线源。X射线散射也会产生大量的中微子辐射，藉此可以比较它们的速度。

三，结论

根据以上分析，我认为可以得出如下结论：

1, 1987年2月23日探测到的SN1987A超新星辐射的中微子超光速现象是一个假象。其实是高能伽马光子穿过地球表层物质引起的散射，产生了大量的中微子辐射，其中有24个中微子被探测器捕获。伽马光子比可见光的速度快。

2，OPERA实验，如果能观测到中微子超光速现象，也能证明伽马射线的速度超过可见光速度。

3，中微子极小，虽然没有辐射机制，但扩散性极强。中微子只是在无阻挡的空间里作惯性运动。中微子的运动速度取决于与它作用的粒子的速度。

编后：“中微子超光速”的惊人消息一经披露即引发争议。一些科学家认为，相关实验和研究出现了误差或计算错误，也有人认为可能忽略了某些因素。值得称道的是，OPERA科学家并未故意隐瞒有关中微子实验的信息，他们从一开始就对人们的批评和质疑表示欢迎，而他们的同行也本着全面，客观和诚实的态度公开了这一新“发现”的种种疑点。这些，无疑是对待科学实验和新发现应有的严谨态度。顺告读者；今年3月，仿照初始OPERA实验重做的一项独立实验结果显示。中微子速度低于光速。我们期待今后能有更多的实验来证实或者证伪OPERA超光速中微子的结果，并为最终揭开中微子之谜带来全新的发现。

本文刊登在《大众科技报》第2338期第3版 “自然之谜”栏目中，2012年4月13日发行

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