科学松鼠会【科学讲座回顾】中微子，你今天超光速了吗？by桔子帮小帮主
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2011年9月，意大利Opera实验室测得中微子超光速。何方神圣粒子敢冒天下之大不韪？科学松鼠会立马开展微访谈，现又召开巨访谈，天文物理帅哥博士松鼠Steed、中科院理论物理所李淼老师和高能所曹俊老师将联手审问中微子到底超光速了没有！
超光速为什么是大新闻？因为人们一直认为光速不能超。为什么不能超？这得先说人们怎么发现光速不变。
李淼老师一开口把历史退到19世纪末，麦克斯韦电磁场理论统一了光、电和磁。他试图把这个理论同牛顿力学联系，就设想光的传播同其他波一样，也依靠某种介质——不妨先命名为“以太”。光在不同参照系里走，受以太影响不同，速度就该不同。要想测出以太，自然界有现成的实验系统：地球。地球参照系若真在以太里，春天和秋天运动方向不同，光速就该不一样。
分季节测光速很麻烦，教书匠迈克尔逊设计了一个简单而精确的装置，就是迈克尔逊干涉仪（下图整个一套装置）。光遇镜面兵分两路，倘若以太让光在不同方向速度不同，那么如果转动迈克尔逊干涉仪，干涉条纹会发生明显偏移。实验结果让人大失所望，干涉条纹没有偏移，也就是说实验不支持介质的存在。光在不同参照系里，速度都不变。
那这个速度有极限么？想象一个情景，光以速度c往一边跑，巴斯光年以v往另一边跑，他看到的光速不就是c+v吗，超光速了！？事实上巴斯光年从没看到过超光速。为什么？爱因斯坦狭义相对论解释了这件事，而狭义相对论的理论基础正是前面说的光速不变。
“这是个奇妙的公式，”李淼老师说，“如果两个速度都小于光速，相加永远不超光速；一个超光速，加起来永远超光速。狭义相对论本身其实没规定光速不能超，而是说光速是不可越过的速度——低于光速的粒子永远不可能超光速，超光速的永远不可能低于光速。”“像个栅栏。”Steed及时概括。公式看似复杂，但只要两个速度都远小于光速，就会还原到我们熟悉的速度叠加公式上去。
那中微子是不是速度永远高于光速的“快子”呢？别急，先看看什么是中微子。曹俊老师是大亚湾项目的核心人员，他说中微子到处都有，太阳氢核聚变放出中微子，宇宙大爆炸也有残余中微子。但我们看不见它们，由于基本上不和物质发生作用——照Steed的话“中微子不太爱搭理普通的物质”，所以我们对于它们来说是透明的，每秒都有十亿个太阳中微子穿过视网膜。所以检测中微子只能用“材料海战术”。比如美国用了600多吨四氯乙烯，中微子打在氯上会出放射性氩原子，四氯乙烯是液体，氩气出来就是吐泡泡，科学家好不容易富集点泡泡，算出有那么零星中微子，人们都不怎么信，所以这帮科学家很倒霉，一直做了30年。日本超级神冈实验测的是大气中微子，用了5万吨纯水，每天只看到4个中微子。
Opera实验用的不是太阳中微子，也不是大气中微子，曹俊老师指点屏幕上高架桥一样的轨道，一段段解说：他们用加速器加速质子，质子打靶打出π介子，π介子衰变产生中微子。中微子跑700多千米到意大利，一掐表发现比光快了60纳秒，相当于比光子超前了18米。
曹俊老师尤其对“意大利人做了16111次实验”的说法耿耿于怀，实际上只是这一次实验测到16111个中微子。实验人员发射质子束，每个束团前后绵延2千米，每个束团产生的一串中微子也是2千米长。问题在于，物理学家并不是每个中微子都能探测到，而是在上个中微子束中才能探测到一个。对于这个不知道具体位于2千米内什么位置上的中微子，物理学家怎么就能测出它比光速抵达超前了18米呢？要知道，18米与2千米相比，足足相差了上百倍。！因此，物理学家只能采用统计方法，让接收到的中微子达到一定的量级（这个实验中就是16111个），再按照抵达的时间把它们排列成一条曲线，用曹俊老师的术语来说，这个曲线叫做“时间结构”。由于每个质子束的时间结构都是相同的（实际上是有2种质子束，但每一种质子束各自发射时，时间结构都是一样的，而且由于质子比较容易探测，时间结构可以测得很准），这样统计得来的中微子的时间结构，就可以同发射时质子束的时间结构比对，从而得出中微子整体上比光束抵达提前了18米这么一个统计结果。Steed用了一个形象的比喻：车站发出很多很多列车（一列车相当于一个质子束团），车上坐满乘客（起点的乘客相当于质子，当然后来都变成中微子了），原本要求所有人经过某一点都要发出信号（这样我们才能探测到），但实际上几乎所有乘客会忘记发信号（接收不到中微子），可能几亿列车里才会有一位乘客偶尔想起才发出一个信号。我们只能等待无数列车经过之后，偶尔想起发信号的乘客数量累积到一定程度，才能得到一条经过这一点时乘客在火车上分布的曲线。把这条曲线同起始点的乘客分布进行对比，才能够分析出这列火车比它严格按时刻表开行时超前了多少。（在火车这个例子里，最后测出火车也就超前了几个座位的距离。）
那这套测量可信么？三位老师都认为，Opera的距离测量是可信的，甚至考虑了大陆板块的运动；时间则是通过GPS和原子钟对时的，虽然很难，但并非不可能做出，出现错误的可能性也不大。而真正被许多科学家提出来质疑的，正是上面这套看起来很复杂的统计方法。
曹俊老师说，除了实验本身，也应该看实验误差和置信度。σ是置信度的衡量。其实以前不是没人报出过中微子超光速，只不过那次σ=2，顶多算迹象，σ达到4和5能称为证据。Opera实验中σ号称达到6，就是说99.9999998%的可能是真的，只有1/10亿的可能是错的。然而这并不代表我们能相信这个实验。中微子难测，很多现象似有似无，而且有人纵观历史，声称“3个σ的实验有一半是错的。” 一个系统差、程序员不小心搞了个bug，都可能导致假的超光速结果。
更关键的是，这次结果有悖之前的测量。1987年超新星爆发，中微子抵达地球比光提前了半小时。这并不说明中微子比光快，而是因为爆炸后中微子立马就出发，但光要在恒星内部经过无数次散射才能出来，起步就落后了。如果今年的结果是对的，当年中微子应该比光早到4年，而不是“半小时”。资深天文男Steed对天文结果情有独钟，他如数家珍地说：那次是近400年来唯一一颗肉眼可见的超新星爆发。科学家计算说此次爆炸产生了1058个中微子，其中1012个穿过我们的身体（如果那天你已经出生了）。但只有100万人和这些中微子发生了作用。那天地球上运转着好几个中微子探测器，总共才探测到20多个。从17万光年远的星系那端跑来，抵达时间间隔不超过13秒。所以测量还是相当可信。
其他实验也可以对这次结果进行检验。曹俊老师特意举例说，日本人不相信Opera的结果，可地震把他们实验室震坏了……他们的实验还是和咱大亚湾竞争的……（看两位老师笑得多开心啊）
说完原理说实验，说完实验讲科幻：假如真的超光速，是不是可以穿越了？爱因斯坦也要被推翻了?
曹俊老师一语道破为什么相对论能引起大家想穿越？在牛顿力学，时间、空间是分裂的，时间永远均匀地往前流逝，想都不要想往回倒。到量子相对论，人们发现换了参考系，时间、空间联系起来了，通过一种手段，时间可以往回倒。
李淼老师说，爱因斯坦相对论告诉我们：倘若一个事件在1点发生，另一个在2点；观测者以极快的速度相对于两个事件运动，那两个事件的时间间隔有可能不是一小时。这就是相对论告诉我们的——时间间隔可变。如果真有快子，它从A传到B可以不损时间。甚至更过分，本来A发生在B前，另一个观测者却说A发生在B之后。这本身问题不大；但如果A是B的原因，比如妈妈出生在儿子前，结果另一个观测者说儿子出生在妈妈之前，就因果错乱了。
如果快子存在，确实会错乱；但如果相对论是对的，快子就不该存在（此处省去李淼老师肚子里的一番论证……简而言之如果存在快子，就会有灾难发生，连Steed都说真空和世界会不稳定，真空会“衰变成乱七八糟的东西”！）。所以回答前面问题，中微子不应该是相对论意义下的快子，所以不会破坏相对论，就不会破坏因果关系。不过，倘若中微子真超了光速，相对论本身就要修改。
Steed的总结言简意赅：穿越的理论基础是相对论，问题是如果中微子超了光速，相对论就不对了，这个基础就没有了。中微子超光速是直接破坏相对论的，就把穿越的理论基础破坏了。
好，到此，如果前面你都没听懂，别人要问你“中微子超光速”，，只要记得Steed总结的要点就好了：中微子超光速如果能被证实，爱因斯坦的相对论就要被修改；然而这件事可能不是真的，所以活动题目后面还点了个问号。科学实验要尽量客观和全面，把可能出误差的地方全考虑到。现在科学家公布结果，不是因为他们觉得自己对，而是把脑筋动到底了还找不到错误，所以公布出来给大家挑错。网上有位科学家感叹这帮意大利人牛，竟敢公布这样一个爆炸性结果。如果被验证，诺奖探囊取物，相反就是个国际笑话。这帮人肯定要从此长期失眠下去，直到新结果出来。
李淼老师大笑说，他佩服的是这个结果可能一早就有了，科学家必须保密到现在才能说，肯定做梦都不敢说梦话！
曹俊老师不干了：“大型实验都有秘密，我们也有秘密……实际上没憋那么久，因为盲测是要把人分成两组，一拨人测质子发射时间，另一拨人测接收时间。确认结果没有可修正的了才把结果公布出来。所以可能也就憋了几个月……”
活动在一片笑声中结束，我对三位帅老师的景仰久久不能平静。过后这么久，回看李淼老师的总结还感动莫名。他说：
“在我有生之年，我看到一个真正重要的革命今年拿奖了，就是宇宙加速膨胀。今年又出现了这么一个可能性的革命，这个革命有可能是错的，但我想，我这辈子做理论物理，写一般的论文，拿一般的工资，但是遇到这两个机会，等于不是挣工资而是买彩票，我觉得还是值得买一把，每个人怎么赌是一回事，中奖的肯定不是你，但你还是值得去买一把。”
最后，我深感自己文字的无力，无法体现Steed、李淼和曹俊魅力的百分之一。看过视频，你们定会为这场智慧的碰撞而由衷愉悦。
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2011年9月，意大利Opera实验室测得中微子超光速。何方神圣粒子敢冒天下之大不韪？科学松鼠会立马开展微访谈，现又召开巨访谈，天文物理帅哥博士松鼠Steed、中科院理论物理所李淼老师和高能所曹俊老师将联手审问中微子到底超光速了没有！
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超光速为什么是大新闻？因为人们一直认为光速不能超。为什么不能超？这得先说人们怎么发现光速不变。
李淼老师一开口把历史退到19世纪末，麦克斯韦电磁场理论统一了光、电和磁。他试图把这个理论同牛顿力学联系，就设想光的传播同其他波一样，也依靠某种介质——不妨先命名为“以太”。光在不同参照系里走，受以太影响不同，速度就该不同。要想测出以太，自然界有现成的实验系统：地球。地球参照系若真在以太里，春天和秋天运动方向不同，光速就该不一样。
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分季节测光速很麻烦，教书匠迈克尔逊设计了一个简单而精确的装置，就是迈克尔逊干涉仪（下图整个一套装置）。光遇镜面兵分两路，倘若以太让光在不同方向速度不同，那么如果转动迈克尔逊干涉仪，干涉条纹会发生明显偏移。实验结果让人大失所望，干涉条纹没有偏移，也就是说实验不支持介质的存在。光在不同参照系里，速度都不变。
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那这个速度有极限么？想象一个情景，光以速度c往一边跑，巴斯光年以v往另一边跑，他看到的光速不就是c+v吗，超光速了！？事实上巴斯光年从没看到过超光速。为什么？爱因斯坦狭义相对论解释了这件事，而狭义相对论的理论基础正是前面说的光速不变。
“这是个奇妙的公式，”李淼老师说，“如果两个速度都小于光速，相加永远不超光速；一个超光速，加起来永远超光速。狭义相对论本身其实没规定光速不能超，而是说光速是不可越过的速度——低于光速的粒子永远不可能超光速，超光速的永远不可能低于光速。”“像个栅栏。”Steed及时概括。公式看似复杂，但只要两个速度都远小于光速，就会还原到我们熟悉的速度叠加公式上去。
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那中微子是不是速度永远高于光速的“快子”呢？别急，先看看什么是中微子。曹俊老师是大亚湾项目的核心人员，他说中微子到处都有，太阳氢核聚变放出中微子，宇宙大爆炸也有残余中微子。但我们看不见它们，由于基本上不和物质发生作用——照Steed的话“中微子不太爱搭理普通的物质”，所以我们对于它们来说是透明的，每秒都有十亿个太阳中微子穿过视网膜。所以检测中微子只能用“材料海战术”。比如美国用了600多吨四氯乙烯，中微子打在氯上会出放射性氩原子，四氯乙烯是液体，氩气出来就是吐泡泡，科学家好不容易富集点泡泡，算出有那么零星中微子，人们都不怎么信，所以这帮科学家很倒霉，一直做了30年。日本超级神冈实验测的是大气中微子，用了5万吨纯水，每天只看到4个中微子。
Opera实验用的不是太阳中微子，也不是大气中微子，曹俊老师指点屏幕上高架桥一样的轨道，一段段解说：他们用加速器加速质子，质子打靶打出π介子，π介子衰变产生中微子。中微子跑700多千米到意大利，一掐表发现比光快了60纳秒，相当于比光子超前了18米。
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曹俊老师尤其对“意大利人做了16111次实验”的说法耿耿于怀，实际上只是这一次实验测到16111个中微子。实验人员发射质子束，每个束团前后绵延2千米，每个束团产生的一串中微子也是2千米长。问题在于，物理学家并不是每个中微子都能探测到，而是在上个中微子束中才能探测到一个。对于这个不知道具体位于2千米内什么位置上的中微子，物理学家怎么就能测出它比光速抵达超前了18米呢？要知道，18米与2千米相比，足足相差了上百倍。！因此，物理学家只能采用统计方法，让接收到的中微子达到一定的量级（这个实验中就是16111个），再按照抵达的时间把它们排列成一条曲线，用曹俊老师的术语来说，这个曲线叫做“时间结构”。由于每个质子束的时间结构都是相同的（实际上是有2种质子束，但每一种质子束各自发射时，时间结构都是一样的，而且由于质子比较容易探测，时间结构可以测得很准），这样统计得来的中微子的时间结构，就可以同发射时质子束的时间结构比对，从而得出中微子整体上比光束抵达提前了18米这么一个统计结果。Steed用了一个形象的比喻：车站发出很多很多列车（一列车相当于一个质子束团），车上坐满乘客（起点的乘客相当于质子，当然后来都变成中微子了），原本要求所有人经过某一点都要发出信号（这样我们才能探测到），但实际上几乎所有乘客会忘记发信号（接收不到中微子），可能几亿列车里才会有一位乘客偶尔想起才发出一个信号。我们只能等待无数列车经过之后，偶尔想起发信号的乘客数量累积到一定程度，才能得到一条经过这一点时乘客在火车上分布的曲线。把这条曲线同起始点的乘客分布进行对比，才能够分析出这列火车比它严格按时刻表开行时超前了多少。（在火车这个例子里，最后测出火车也就超前了几个座位的距离。）
那这套测量可信么？三位老师都认为，Opera的距离测量是可信的，甚至考虑了大陆板块的运动；时间则是通过GPS和原子钟对时的，虽然很难，但并非不可能做出，出现错误的可能性也不大。而真正被许多科学家提出来质疑的，正是上面这套看起来很复杂的统计方法。
曹俊老师说，除了实验本身，也应该看实验误差和置信度。σ是置信度的衡量。其实以前不是没人报出过中微子超光速，只不过那次σ=2，顶多算迹象，σ达到4和5能称为证据。Opera实验中σ号称达到6，就是说99.9999998%的可能是真的，只有1/10亿的可能是错的。然而这并不代表我们能相信这个实验。中微子难测，很多现象似有似无，而且有人纵观历史，声称“3个σ的实验有一半是错的。” 一个系统差、程序员不小心搞了个bug，都可能导致假的超光速结果。
更关键的是，这次结果有悖之前的测量。1987年超新星爆发，中微子抵达地球比光提前了半小时。这并不说明中微子比光快，而是因为爆炸后中微子立马就出发，但光要在恒星内部经过无数次散射才能出来，起步就落后了。如果今年的结果是对的，当年中微子应该比光早到4年，而不是“半小时”。资深天文男Steed对天文结果情有独钟，他如数家珍地说：那次是近400年来唯一一颗肉眼可见的超新星爆发。科学家计算说此次爆炸产生了1058个中微子，其中1012个穿过我们的身体（如果那天你已经出生了）。但只有100万人和这些中微子发生了作用。那天地球上运转着好几个中微子探测器，总共才探测到20多个。从17万光年远的星系那端跑来，抵达时间间隔不超过13秒。所以测量还是相当可信。
其他实验也可以对这次结果进行检验。曹俊老师特意举例说，日本人不相信Opera的结果，可地震把他们实验室震坏了……他们的实验还是和咱大亚湾竞争的……（看两位老师笑得多开心啊）
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说完原理说实验，说完实验讲科幻：假如真的超光速，是不是可以穿越了？爱因斯坦也要被推翻了?
曹俊老师一语道破为什么相对论能引起大家想穿越？在牛顿力学，时间、空间是分裂的，时间永远均匀地往前流逝，想都不要想往回倒。到量子相对论，人们发现换了参考系，时间、空间联系起来了，通过一种手段，时间可以往回倒。
李淼老师说，爱因斯坦相对论告诉我们：倘若一个事件在1点发生，另一个在2点；观测者以极快的速度相对于两个事件运动，那两个事件的时间间隔有可能不是一小时。这就是相对论告诉我们的——时间间隔可变。如果真有快子，它从A传到B可以不损时间。甚至更过分，本来A发生在B前，另一个观测者却说A发生在B之后。这本身问题不大；但如果A是B的原因，比如妈妈出生在儿子前，结果另一个观测者说儿子出生在妈妈之前，就因果错乱了。
如果快子存在，确实会错乱；但如果相对论是对的，快子就不该存在（此处省去李淼老师肚子里的一番论证……简而言之如果存在快子，就会有灾难发生，连Steed都说真空和世界会不稳定，真空会“衰变成乱七八糟的东西”！）。所以回答前面问题，中微子不应该是相对论意义下的快子，所以不会破坏相对论，就不会破坏因果关系。不过，倘若中微子真超了光速，相对论本身就要修改。
Steed的总结言简意赅：穿越的理论基础是相对论，问题是如果中微子超了光速，相对论就不对了，这个基础就没有了。中微子超光速是直接破坏相对论的，就把穿越的理论基础破坏了。
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好，到此，如果前面你都没听懂，别人要问你“中微子超光速”，，只要记得Steed总结的要点就好了：中微子超光速如果能被证实，爱因斯坦的相对论就要被修改；然而这件事可能不是真的，所以活动题目后面还点了个问号。科学实验要尽量客观和全面，把可能出误差的地方全考虑到。现在科学家公布结果，不是因为他们觉得自己对，而是把脑筋动到底了还找不到错误，所以公布出来给大家挑错。网上有位科学家感叹这帮意大利人牛，竟敢公布这样一个爆炸性结果。如果被验证，诺奖探囊取物，相反就是个国际笑话。这帮人肯定要从此长期失眠下去，直到新结果出来。
李淼老师大笑说，他佩服的是这个结果可能一早就有了，科学家必须保密到现在才能说，肯定做梦都不敢说梦话！
曹俊老师不干了：“大型实验都有秘密，我们也有秘密……实际上没憋那么久，因为盲测是要把人分成两组，一拨人测质子发射时间，另一拨人测接收时间。确认结果没有可修正的了才把结果公布出来。所以可能也就憋了几个月……”
活动在一片笑声中结束，我对三位帅老师的景仰久久不能平静。过后这么久，回看李淼老师的总结还感动莫名。他说：
“在我有生之年，我看到一个真正重要的革命今年拿奖了，就是宇宙加速膨胀。今年又出现了这么一个可能性的革命，这个革命有可能是错的，但我想，我这辈子做理论物理，写一般的论文，拿一般的工资，但是遇到这两个机会，等于不是挣工资而是买彩票，我觉得还是值得买一把，每个人怎么赌是一回事，中奖的肯定不是你，但你还是值得去买一把。”
最后，我深感自己文字的无力，无法体现Steed、李淼和曹俊魅力的百分之一。看过视频，你们定会为这场智慧的碰撞而由衷愉悦。
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so 可爱的意呆立又一次突破了下限
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