挑战光速

徐永煊

据媒体2011年9月和11月报道，意大利科学家在两次实验中都发现中微子束的速度比光速快。这个令人惊诧的实验结果如果得到验证，那么奠定爱因斯坦狭义相对论的基石——光速不变原理就垮塌了，现代物理学的根基也就没有了!那么，这个实验结果可信吗?超越光速意味着什么?光是什么?它有哪些奇妙之处?令人不可思议的极限速度——光速是如何测定的?本刊特别约请有关专家为读者释疑解惑。

1.惊世的实验

两次发现中微子束超光速，但这一结果尚待验证。

2011年9月，意大利格兰·萨索国家实验室“奥佩拉”项目组宣布，研究人员在接收730千米外的欧洲核子研究中心发射的中微子束时，发现中微子到达的时间比光子提前了60纳秒；2011年11月，“奥佩拉”项目组又宣布，在另一项实验中再次获得同样的结果。这是一个令人惊诧的实验结果，如果它最终得到验证，将表明中微子束的速度比光速还快，那么奠定劳伦兹变换公式和爱因斯坦狭义相对论的基石——光速不变原理就垮塌了，现代物理学的根基也就没有了——这是多么可怕的事!

当代公认最伟大的科学家爱因斯坦在1905年发表了狭义相对论，10年后他又将广义相对论奉献给世人。这两篇具有划时代意义的著作，是现代物理学的理论根基，是人们理解空间与时间的理论依据。相对论对速度做出了最严格的限制，认为最快的速度是真空中的光速，没有任何速度能超越它，超越真空中光速的物质是不存在的。

如果真的有超光速物质存在，那就是对相对论的彻底颠覆，我们就可以在时空中任意穿越，“倒行逆施”，从今天走回过去，从未来走向今天，我们就可以“与500年后的人对话”。而人类的物理知识、认识标准将“升华”到—种全新的状态，穿越、平行空间、多维度、星球大战……这些科幻作品中的虚幻狂想，或许都将一一成为现实，而现在被实验证明正确的许多理论都将站不住脚，成为历史陈迹。

目前，科学家对“奥佩拉”实验结果采取审慎态度，大多数人坚信相对论是正确的，认为“奥佩拉”项目组仓促公布实验结果是不合时宜和令人匪夷所思的。更有人担心，如果真有超光速的中微子存在，那么将出现一系列令人惊讶不已的现象，“因果关系”就是一例。所谓“因果关系”，又叫“因果论”，是现代物理学的基本立足体系，也是一种重要的认识论。它认为，凡事总是先有“因”后有“果”，绝不会颠倒过来。夫妻结合才会生出儿子，这里夫妻结合是“因”，生出儿子是“果”。我们不能想象先有儿子，再有夫妻结合。也不能想象在战场上炮弹先在对方阵地上爆炸开来，然后才从我方阵地发射出去。显然，如果因果关系发生颠倒，—切都将陷入混乱。

但是，也有一些科学家力挺“奥佩拉”实验。他们说，“奥佩拉”实验由200多名出色的科学家历时三年才完成，实验结论是从15000个数据中精炼出来的，在对距离和时间的测量中都做到了慎之又慎(测量距离的精度在20厘米以内，测量时间的精度小于10纳秒)，一切可能的测量误差都已排除，经过反复推敲和验证，数据是可靠的。

当然，相对而言，“奥佩拉”实验中出错的概率肯定会比相对论大一些。另一方面，目前科学家对中微子的一些重要性质(如中微子质量)的认识还停留在简单的猜测阶段，还需要进行反复试验。所以，现在的问题不是全盘否定实验结果，而是验证它，看实验数据是否经得起推敲和检验。即使实验证明了“奥佩拉”项目组的结果正确，也并不意味着相对论就错了，而应该是对它的修改、补充和完善。所以，国际上一些知名的实验室，例如美国费米实验室的科学家们表示，将对“奥佩拉”实验结果进行核实。费米实验室曾在2007年做过同样的实验，得到过类似结论，但由于当时测量精度不够，所得结果目前还不能验证“奥佩拉”的数据是否正确。

2.光速万花筒

哥哥25岁，弟弟30岁，看似荒谬，也许并不荒谬。

光速是物理学中最重要的基本常数之一，通过对它的研究，人们逐渐认识了光的本质，认识了无线电波，认识了速度与现代物理学的关系。光速测定在光学发展史上起到了非常重要的作用，不仅推动了光学实验，也打破了光速无限的传统观念。

在物理学理论的发展里程中，光的粒子说和波动说争论不仅推动了光学的发展、电磁波理论的诞生，而且最终推动了爱因斯坦相对论的发展。但是，在超光速问题上科学家还没有得到有用的结论。

光速是一道槛

相对论认为，光速是速度上限，是一道不可逾越的“槛”。在平常生活中，这道“槛”可以不去管它，因为我们涉及到的速度都比较小，例如人步行速度约为每小时几千米，火车动车的运行速度是每小时300多千米，飞机飞行的速度快一点，也只有每小时1000千米左右。而光速是每秒大约30万千米，所以日常生活中遇到的速度同光速相比可以忽略不计。

通常情况下，我们应用牛顿力学就可以对很多问题进行研究。但是，在高速度问题上，牛顿力学是无能为力的，需要用到相对论。爱因斯坦在狭义相对论中运用光速不变原理和运动的相对性原理，得出两个著名结论，一个是运动物体上的尺子缩短，另一个是运动物体上的时钟变慢。正是这两条结论给物体运动速度设置了一道“槛”：任何物体的运动速度都不能超过光速，超过光速就会出现时间倒转。

这里说到了时间，那么时间是什么呢?时间看不见，摸不着，但确确实实存在，同我们每个人如影随形。科学家至今也说不清楚时间究竟是什么，但简单想来，时间最基本的属性是一河流淌的水，一往无前地向前流，从不回头。而人类的变化、事物的变化、社会的变化，人世间的每一件事，都由流逝的时间原原本本地“记录”在光线当中。当我们日后打开光线上尘封的“记录”时，历史的痕迹就按照时间顺序栩栩如生地再现出来。

为什么说超过光速就会出现时间倒转呢?如果我们能在超光速情况下“翻阅”那些“记录”在光线上的历史事件，我们的眼睛向后退的速度就会超过向前进的光速，在我们向后退的距离超过以光速向前进的距离后，出现在我们眼中的景物就会按照与时间相反的顺序，一幕一幕地往回“倒放”，从今天走向昨天，从现在走向过去，人类的变化、事物的变化、社会的变化的顺序都颠倒了，正的变成反的，反的变成正的，于是就出现了时间倒转。(请参见相关链接：《如果时间倒转》)

相对论速度

超光速被认为是不可能的，那么速度接近光速又会怎样呢?请看相对论中的“双生子佯谬”。它说的是一对兄弟，哥哥28岁，弟弟25岁。一天，哥哥登上宇宙飞船，以每秒29.4万千米的速度(光速的98％)飞行，弟弟则留在家里。一年后，哥哥结束太空飞行回到家中，见到弟弟时，发现弟弟苍老了许多。哥哥惊奇地问：“怎么啦?才一年时间，你变得这么多?”弟弟怪怪地反问：“才一年?你离家已经五年了!你离家时我25岁，今年我已经30岁了。”

哥哥离家才一年，弟弟却由25岁变成30岁，这是

怎么回事呢?根据狭义相对论中的“运动物体上的时钟变慢”原理，在以0.98倍光速运动的飞船上的时钟会变慢，而地球上的时钟却仍按照原来的速度走。飞船上的时钟只走了一年，地面上的时钟却已走过五年。因此弟弟今年30岁，哥哥今年只有29岁。请注意，这里的速度只有0.98倍光速。计算表明，当双生子之间的相对速度为0.1倍光速时，运动后见面时两人的年龄相差不大；当他们的相对速度达到0.5倍光速时，见面时两人的年龄将相差1.15倍；而当他们的相对速度变成0.999倍光速时，见面时两人的年龄可以相差22.4倍!

根据狭义相对论，在一个参考系中超光速运动的粒子在另一坐标系中有可能回到过去，因此可以实现超光速旅行，按科幻作品中的说法，就是时间旅行。如果实现了时间旅行，那么相对论中被称为“外祖母佯缪”的血淋淋的故事，就可能变成真实事件了。

所谓“外祖母佯谬”是指：一名时间旅行者回到过去杀死自己的亲生祖母，此时其祖母尚未认识其祖父，因此，这个时间旅行者的父母之一以及旅行者自己永远都不会出生；既然这个时间旅行者根本就没有出生，他又怎么可能回到从前杀死祖母呢?这个矛盾暗示回到从前是不可能的。然而，科学家提出了多种假设来避免这个佯谬，例如过去是不可改变的，因此祖母一定活过了暗杀企图，或者时间旅行者是在—个平行空间或称平行宇宙中回到从前杀死祖母的，因此并不影响他在这个空间中的存在。

真假超光速

速度反映的是传输信息和传输能量过程的快慢，超光速就是用比光速还要快的速度传输信息和能量。虽然相对论原理给速度加上了“槛”——任何运动速度都不能超过真空中的光速，真正超光速传输信息或能量的过程是不存在的，但这并不意味着一切速度都不能超越光速。下列情况下就可能超过光速：

相对运动甲相对于丙向东运动，乙相对于丙向西运动，甲、乙运动速度如果都超过0.5倍光速，那么对于观测者丙来说，甲和乙之间的距离就以超光速在增长。但这种超光速是假超光速，并非真正地把信息或能量超光速地传输到远方。

影子放大如果在灯下晃动手臂，并让影子落在墙壁上，影子晃动的速度将比手臂快。手臂到灯的距离和墙壁到灯的距离之间的差异越大，手臂晃动的速度与墙壁上影子晃动的速度差也越大。当手臂与影子到灯的距离差异变得很大很大，且手臂晃动的速度大到一定程度时，墙壁上影子晃动的速度就可能超过光速。同样，如果站在地球上的人朝月球晃动手电筒，落在月球上的手电筒光移动的速度就很容易超过光速。但上述情形都不是真正的超光速情形，因为影子放大时，它的亮度和传输的能量相应地减弱了，换句话说，它传输信息和能量的能力相应地减弱了；当影子放大到很大时，影子就变得踪影全无，不能传输任何信息和能量了。

切伦科夫效应这个效应是指：粒子在媒质中传输的速度超过媒质中的光速时，其轨迹上会出现一种荧光。这种荧光可以用来探测进入地球大气层的宇宙线粒子，因此这种粒子速度超过了光速，而且传输了信息或能量。但是，这里所说的粒子的速度超越的是“媒质中的光速”，而不是真空中的光速。光线在媒质中的传输速度同媒质的折射率有关，在不同媒质中光的传输速度不同，但不管是哪种媒质，光在其中的传输速度都比在真空中小，所以这里的“超光速”不是真正意义上的超光速，而是一种假的超光速。我们所说的超光速，是指速度超过真空中光速。

光是粒子还是波?

人人都知道光，但未必知道光是什么。1665年，牛顿做了一项创造性的光学实验。他将一间屋子糊得严严实实的，只在墙壁上开了一个小洞，让阳光通过小洞射进屋内。他在屋内光线行进路线上放置一块三棱镜，让阳光透过三棱镜后射到墙壁上，结果墙壁上的光线变成了七种颜色，红橙黄绿青蓝紫依次排列。他又在三棱镜后面倒置一块三棱镜，结果墙壁上的七种颜色消失了，又变成了白色阳光。牛顿根据这个实验指出，白色阳光是由七种颜色组成的，光是一种粒子，一束光就像一串小粒子，连珠炮似的从光源射出来。

几乎与此同时，荷兰物理学家惠更斯也在研究光。他认为光是一种波，像水面上荡漾的涟漪，一起一伏地向前传播。在很长的时间内，这两种观点相互争论，谁也说服不了谁。

到19世纪，光学研究有了很大突破，发现了光的干涉(两列以上的光束在空间相遇时相互叠加，在一些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布，因而产生明暗相间的干涉条纹)、衍射(光在传播过程中，遇到障碍物、小孔和窄缝时，偏离直线传播路径，绕过障碍物，进入阴影区)和偏振(光线振动方向对于传播方向的不对称性)，这些发现雄辩地证明光是波动的。

1864年，苏格兰科学家麦克斯韦根据丹麦科学家奥斯特的电转化为磁的实验和英国科学家法拉第的磁转化为电的实验，证明了电和磁的作用是同一个电磁力的不同的表现形式，变化的磁场和变化的电场不断地相互产生，并以波的形式在空中传播。他把这种转换形式用一组方程简单而美妙地表达出来，这就是著名的麦克斯韦方程式。根据这个方程组，麦克斯韦得出一条推论：电磁信号在真空中以恒定的速度传播，这个速度就是光速。后来他又说：光是电磁波的一种，光是一种可见的电磁波。

另一方面，1887年德国物理学家赫兹用红外光照射高电压金属板极时，发现两板之间出现了放电火花。第二年，俄罗斯物理学家斯特列特夫用紫外光照射电压不高的金属板极时，也出现了放电火花，而且火花更强。光线照在金属板极上产生放电火花的现象称为光电效应。光电效应说明光线带有一定的能量。为了解释光电效应，爱因斯坦根据德国物理学家普朗克的“能量子”概念，于1905年提出了“光量子”概念。光量子简称光子，光量子理论的成功说明光线是一种微粒。但是光量子所说的微粒不是牛顿所说的机械性微粒，而是电磁性微粒。综合各种研究结果，物理学家把光概括为是波，也是粒子，具有波粒二重性。

光沿直线传播吗?

光线通过玻璃镜面时会发生折射和反射，这些光学现象可用光线沿直线传播来很好地解释。1665年牛顿在暗屋子里做的分光实验，也能通过光沿直线传播来说明。但是，当速度达到相对论速度时，情况就不同了。在相对论的证据中有一个著名的引力透镜例子，也同光线有关。

爱因斯坦指出，当物体质量足够大时，其引力能使光线弯曲。当远方星光从一颗大质量星附近通过时，光线不再是直线行走，而是弯曲成一条弧状绕过去。这样，当光线通过大质量天体时，就出现了两个像，形成一个“引力透镜”。在爱因斯坦时代，引力透镜只是一个理论推测，而现在引力透镜已被广泛用于测量像黑洞一样的大质量天体。由于这些天体是看不见的，一般不能用正常的光学仪器来观测，所以在观测这样的天体时，引力透镜彰显出巨大才能。实践证明，宇宙中的确存在引力透镜，而且能用来进行天文观测。在大质量物体附近，光线的确是弯曲的。

有没有光速?

今天谁也不会怀疑光有速度，但在科学史上，这却是一个争论了很久的问题。德国著名天文学开普勒和法国著名数学家笛卡尔都认为，光是瞬时传播的，不需要时间。而伽利略则坚持光有传播速度，认为光传播虽然很快，但却有速度，而且可以测定，他还开创了光速测量的先河。

1607年，伽利略第一次进行测量光速实验。测量依据的是我们通常使用的方法：距离／时间=速度。他让两个人分别站在相距一英里的两座山上，每个人拿一盏灯，第—个人先举起灯，第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯。第一个人从举起灯到看到第二个人的灯的时间间隔，当作光传播两英里的时间。由于光速太快，距离太短，测不出时间间隔，实验失败了。但这次实验揭开了人类历史上测量光速的序幕。

第一个有效测量光速的方法，是丹麦天文学家罗麦在1676年提出的。他在观测木星卫星(简称木卫)掩食周期时发现，在一年中不同时期，木卫的掩食周期不同。地球位于太阳和木星之间时的木卫掩食周期，与太阳位于地球和木星之间时的木卫掩食周期相差14～15天。罗麦认为，这种现象是光有速度造成的。他还推断出光越过地球轨道需要22分钟。根据自己的计算，他在1676年9月预报，当年11月9日上午5时25分45秒的木卫掩食将推迟10分钟。巴黎天文台的科学家们对此将信将疑，勉强作了观测。观测结果表明，罗麦的预报是正确的。虽然法国科学院没有接受罗麦的理论，但惠更斯非常赞同它。惠更斯根据罗麦提出的数据和地球的半径，第一次计算出了光速为214000千米／秒。虽然这个数据与目前测出的精确数据相差甚远，但它激发了惠更斯对光的波动说的研究。

现在看来，这个不精确的结果不是源于罗麦方法的错误，而是源于罗麦对光线越过地球轨道的时间推测不准确。后来经过各种修正，用罗麦的方法算出的光速是298000千米／秒，与现代实验室测定值很接近。

1725年，英国天文学家布拉德雷在观测天龙座γ星时，意外发现了“光行差”。所谓“光行差”是指：在同一瞬间，运动中的观测者观测到的天体的视方向，与静止的观测者观测到的天体的真方向之间存在差异。由于光行差的缘故，恒星在一年内的视位置似乎围绕它的平均位置走出一个小椭圆。1725年布拉德雷发现这个现象时，他无法解释它。三年后的一天，他在泰晤士河上泛舟时，不经意间发现船桅杆上的旗帜不是简单地随风飘扬，而是随着船的航向与风的相对运动而改变。他联想到雨中打伞的情形：如果将伞垂直地撑在头顶上，行走时雨滴就会滴在身上。由此，他认识到光的传播速度与地球公转共同引起了“光行差”现象。他用地球公转的速度与光速的比值，估算出太阳光到达地球需要8分钟多的时间。这一测定雄辩地证明光速是有限的。

光速测定为17世纪以来关于光的性质的争论提供了重要依据，但由于当时实验环境的局限，科学家只能以天文方法测定光在真空中的传播速度，还不能解决光受传播媒质影响的问题。18世纪科学界处于沉闷期，光学发展几乎停滞。到19世纪中期，科学家才运用新方法来测量光速。

1849年，法国人菲索第一次设计地面实验装置来测定光速。他的方法在原理上与伽利略的类似，只是距离拉长了一些，计时更精确一些。他将一个点光源放在透镜焦点上，透镜与光源之间放一个转动的齿轮。在透镜另一测较远的地方，依次放一块透镜和一块平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。这样，点光源发出的光线经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二块透镜在第二块平面镜上聚焦成一点。该光点经平面镜反射后，按原路返回。光线所走的距离等于齿轮到第二块平面镜距离的两倍。由于齿轮有齿隙和齿，光通过齿隙时观察者可以看到返回的光。光恰好被齿遮住时，观测者就看不到光线返回。从开始发光到光线第一次消失的时间间隔，就是光线往返一次的时间，这个时间可由齿轮转速记录。菲索测得光速为315000千米／秒。

1850年，同为法国人的傅科改进了菲索的计时方法，重新进行了实验。他用一块透镜、一块旋转的平面镜和一个凹面镜组成一套测量装置。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心，由平面镜的转速求出时间。使用这种方法，傅科测出光速是298000千米／秒。此外，傅科还测出了光在水中的传播速度，并与光在空气中传播速度比较，从而测出了光由空气中射入水中的折射率。1951年，贝奇斯传德利用克尔盒法测出了比较精确的光速：299793千米／秒。

如前所述，光是电磁波谱的一部分。当代人用实验室方法对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精密测量。1950年，英国物理学家艾森提出利用实验室里的空腔共振法来测量光速。这种方法的原理是，当通过空腔的微波频率与某一频率发生共振时，根据空腔长度可以求出共振腔的波长，把共振腔的波长换算成光在真空中的波长，就可以由波长和频率计算光速。当代最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年英国物理学家弗鲁姆求出的光速精确值是：299792.5±0.1千米／秒。1972年美国科学家埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米／秒。

从伽里略提出光有速度到测出光速的最佳值，前后经历了400多年，在这段历史长河里，消耗了不少科学家的心血，也获得了许多科学成果。光速测量不仅促进了几何光学和物理光学的巨大发展，也为包括相对论在内的其他学科发展提供了非常重要的依据。

3.神秘的中微子

顷刻之间有数十亿个中微子穿过你，你却茫然无知。

“奥佩拉”项目组的超光速实验是用中微子进行的。中微子是一种“幽灵粒子”，它悄悄地来，默默地去，在宇宙空间游荡，时刻与人们打交道，却又不让人们知道它。

多次结缘诺贝尔物理学奖

中微子很神秘，就连物理学家至今也仍为它所迷惑。守恒定律是一条物理学基本定律，任何自然过程都必须遵守它。然而，1930年，奥地利物理学家泡利发现，放射性衰变前后的能量、动量和角动量都变得不平衡。泡利预计，这些失去的“量”被一种不知名的粒子带走了。这种粒子没有质量或者质量很小，不带电荷，呈现中性，所以人们看不见它，泡利称它为“中子”。

1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现了质量比泡利所说的“中子”大得多的粒子，并根据其他科学家建议，将它也命名为“中子”。如此一来，泡利所称的“中子”就得改名换姓了。1934年，美国物理学家恩里科·费米根据泡利所说的中子“是个中性的小不点儿”的特点，将它命名为“中微子”。

不过，中微子直到1956年才现身。它的“露面”给美国物理学家弗雷德里克·莱因斯带来了好运——他因在核反应堆辐射中探测到中微子而获得1995年诺贝尔物理学奖。此后，中微子很快引起了天体物理学家的重视。

在浩瀚的宇宙空间，到处都有热核反应和放射性衰变。凡是发生这些核反应的地方——太阳内部、超新星爆发、超新星爆发遗迹、宇宙大爆炸以及地球大气中，

都可能产生中微子。但科学家迄今为止只知道绝大多数中微子来自太阳，小部分来自遥远的星系和宇宙最初的大爆炸。

天体学家最早关注的中微子是太阳中微子，因为太阳内部存在着激烈的热核反应，产生了大量中微子。中微子一进入天文学研究领域，就掀起一场不大不小的风波。1967年，在巴塞罗那召开的天文学和天体物理学深奥课题研讨会上，美国物理学家戴维斯展示了他的太阳中微子观测结果，而另一名美国物理学家巴考尔也展示了自己的相关研究成果。巴考尔展示的不是观测结果，而是理论上预计的太阳中微子出现率。两个结果一比较，问题就来了：巴考尔的理论值是戴维斯的观测值的3倍!这就是天文学上著名的“太阳中微子失踪”之谜。

当时巴考尔是副教授，在大教授戴维斯面前，他是无名小辈，因而在发表报告时有些紧张。他的紧张被美国著名物理学家费曼教授发现了，费曼把他拉到身边，并在会后邀他一起在巴塞罗那林阴道上散步，详细了解他紧张的原因。在得知事情原委后，费曼鼓励巴考尔：“我不知道如何回答你，但你的研究很有意义。”后来有人评价说，这次林阴道上的散步是一次值得重视的科学旅行，它导致世界上三大洲的几百位科学家进行中微子研究，建成了数十个中微子实验室，使中微子天文学得以蓬勃发展。

“太阳中微子失踪”之谜的谜底最终由粒子物理的标准模型揭开。标准模型指出，中微子有3种类型，称为3“味”，分别是电子中微子，ν子中微子和τ子中微子。电子中微子是电子反应产生的，后两种中微子由两个较重的粒子——ν子和τ子反应产生。每一种中微子还有相应的反粒子，称为反中微子。就是说，宇宙中不仅有奇怪的中微子，而且还有与它相应的反中微子。

这些精辟的论点已被观测和实验所证明。美国物理学家列昂·莱德曼、梅尔文·施瓦兹和杰克·斯坦伯格因在1962年探测到ν子中微子相互作用中有多种中微子存在，获得1988年诺贝尔物理学奖。1975年，τ子中微子被斯坦福力诺加速中心发现。2000年夏天，美国费米实验室观测到τ子中微子相互作用。实际上，在戴维斯的观测值中，太阳中微子并非失踪了，而是少了这两种较重粒子的中微子。

在解决“太阳中微子失踪”奥秘的过程中，科学家又发现中微子在物质中传播时“味”会发生改变，这被称为“太阳中微子震荡”。太阳中微子震荡主要发生在太阳内部，而不是在大气中，因此在一般物质中见不到中微子震荡。太阳中微子震荡使得中微子更加神秘。在揭示中微子的奥秘方面，日本东京大学教授小柴昌俊取得了出色成绩，他和戴维斯一道获得了2002年诺贝尔物理学奖。

奇怪特性引出奇怪结果

中微子虽然有能力带走部分能量、动量和角动量，但它不带电荷，质量很小或几乎没有质量。不带电荷意味着它不受电磁力影响，只受微弱的亚原子力影响；弱作用意味着它的作用范围比电磁力小得多。这些特征与前不久发现的暗物质里的弱作用大质量粒子(简称WIMPs)颇为相似，有些物理学家甚至将中微子直接归于弱作用大质量粒子。中微子的另一种特性是穿透率极强，能在物质中旅行巨大距离而不与沿途物质发生作用，穿越浩瀚宇宙空间犹如在真空中散步。中微子的奇怪特性让它具有隐身匿迹的奇招：顷刻间可能有数十亿个中微子穿过人体，而在人的一生中却很少有几个中微子和人体内的原子发生作用。

这些特性使得中微子具备了以下特性：第一，可以轻易逃离自己的“诞生”地，把产生它的天体的真实信息传输给我们，例如太阳中心核聚变产生的太阳中微子可以毫发无损地穿越太阳外层大气和地球大气，让我们直接看到太阳心脏区域；第二，可以自由穿行于星系之间，而不受充斥在宇宙中的微波背景辐射和星系磁场的影响，因此它能原模原样地传递信息，保真度极高，是携带宇宙中最剧烈现象和产生宇宙γ射线暴信息的理想载体，是最好的宇宙传媒。

但是，中微子穿透率很强，不容易捕捉，而且它产生的信号和宇宙线产生的信号极其相似，很难将它们区分开来。因此，探测中微子十分困难。据估计，在地球上垂直太阳光入射方向上，每平方厘米每秒钟约有65亿个中微子穿过，而在地面上却很难探测到它。由于它能穿透数千千米的岩石而不受阻挡，因此为了减少探测过程中宇宙线背景的影响，天体物理学家把中微子探测器放在很深的地底下。第一个中微子观测站是在1955年建造的，地点是在美国南达科他州一个2000米深的金矿井内，探测器是一个400立方米的储液池，内储氯-37液体。中微子进入池内后，氯-37变成氩-37，测出氩-37的数量就可以计算出中微子数量。

中微子能超光速吗?2011年9月和11月，意大利“奥佩拉”项目组两次宣布，他们发现17GeV和28 GeV(eV读作“电子伏特”，是一种能量单位，CeV等于1京电子伏特)的中微子速度达到了299798454米／秒，即真空中光速299792457.4±0.1米／秒的1.0000248(28)倍。这是一个惊人的结果。

中微子速度与它的质量密切相关。按照相对论，如果中微子质量为零，它们的速度一定等于光速；如果中微子有质量，哪怕质量很小，也不可能达到光速。根据粒子物理的标准模型，中微子是没有质量的，但实验确定如果中微子有震荡现象，就要求它有质量。目前科学界普遍认为，中微子是有质量的，但质量多少还未测量出来，所以在发现中微子震荡现象之前，一般假设中微子以光速旅行。发现中微子震荡之后，科学家正在努力测量它的质量，以期推断它的速度。

第一次测量中微子速度是在20世纪80年代。当时，科学家用脉动的质子束打击靶核产生的脉动π子束，反复测量得知，3GeV的中微子速度是1.000051(29)光速，这是第一次测量出中微子速度超过光速。2011年9月“奥佩拉”项目组宣布他们的实验发现，这是第二次测量出中微子速度超过光速。事实上，早在1985年就有科学家提出，中微子可能有超光速的亚原子粒子性质。今天，超光速运动的标准粒子模型认为中微子经受劳伦兹扰动震荡，旅行速度可以超光速。

在理论物理学中有一种假想粒子叫做“快子”，是德国物理学家阿诺德·索末菲命名的。从理论上讲，如果“快子”是传统的局域化的粒子，它能超光速传递信号的话，那么就可能导致狭义相对论的因果颠倒。然而，在量子场论框架内，“快子”被理解为表明系统的不稳定性和系统通过浓缩消散，而不作为真正的超光速粒子，这样的不稳定性是“快子场”所描述的。按照当代广泛采用的粒子概念知识，“快子”被当作不稳定存在，根据理论，“快子”超光速传递信息和因果颠倒是不可能的。

尽管理论上认为超光速粒子不存在，然而实验研究得出的结论却相反。不过，“奥佩拉”的实验结果与其他实验明显不同，明显的例子是1987年发生的一次超新星爆发——超新星1987A。所谓“超新星爆发”是指恒星突然爆发出明亮光辉，甚至白天都能见到。1987A超新星爆发时，科学家不仅观测到明亮的光线，而且观

测到中微子。值得注意的是，1987A的，10MeV(1000MeV等于1京eV)中微子的传输时间只比光子传输时间多4.5亿分之一，这个差值甚至可能是光线在旅行初期受到恒星物质阻尼的结果。如果1987A的中微子速度达到1.000048(28)光速，它将在光子之前几年到达地球，我们就不可能在观测到光子的同时观测到中微子了。

综合中微子速度的三次测量，有必要注意以下事实：2011年9月测量的中微子能量是17GeV和28GeV，速度是1.0000248(28)光速；20世纪80年代测量的中微子能量是3GeV，速度是1.000051(29)光速；而在1987年测量的中微子能量是10MeV(即1／100GeV)，速度是(1+1／45亿)光速。三次测量结果表明，中微子速度可能同它的能量有关。如果这个结论正确，那么“奥佩拉”项目组的测量结果就有立足之地了。当然这只是猜想，到底结论如何还需继续探索。这里我们用当代享有国际盛誉的广义相对论和宇宙论学家霍金的话来作结论：“目前，对中微子发表评论还言之过早，必须进行更多实验及澄清工作。”

如果时间倒转

如果时间倒转将会出现什么样的情景呢?请看下面的例子。

●手拿一颗石子投进池塘里，扑通一声，溅起一串浪花，水面上漾起的涟漪一圈圈扩大。当出现时间倒转时的情景是：涟漪一圈圈缩小，收缩到一点，浪花由空中落到水面，扑通一声，一颗石子从水里浮出水面，跃入空中，最后跑到人的手里。

●人的一生经历着从娘胎里出生、婴儿、年轻、年老、脸上出现皱纹、进入坟墓等过程。当出现时间倒转时的情形是：人从坟墓里走出来，皱纹从脸上消失，从年老变成年轻，变成婴儿，进入娘胎，最后消失在娘肚里。

●打开一瓶香水，香水从瓶口散发出来，香气散入空气中。当出现时间倒转时的情形是：空气中的香气从瓶口进入瓶内，在瓶内凝结成满满一瓶香水。

●一头公牛闯进一家瓷器店，在店内乱蹦乱跳，把架子上的瓷器打得粉碎，散落在地上，地上一片狼藉。与其对应的时间倒转情形是：公牛把一片狼藉的碎瓷器拼接起来，放到架子上，匆匆走出瓷器店，扬长而去。

时间倒转将引起千万种怪象，这里所列举的只是怪象海洋中的几朵浪花而已。如果把超光速引起的怪象合盘推出，将是一幅多么可怕的景象!