超光速粒子的來龍去脈 - Nick Lee

2011年10月8日 - 信報

微中子（neutrino）突破光速的消息，經媒體廣泛報道，大家應該「耳熟能詳」。挑戰相對論不是說着玩的，Extraordinary claims require extraordinary evidence，今天就讓我們看看有什麼驚人證據支持這驚人結論。

「事發地點」在意大利Gran Sasso深山，那裏有個絕不微小的微中子探測器，重量超過一千噸，接收遠在瑞士和法國邊界的LHC（Large Hadron Collider，大型強子對撞器）發射出來的微中子，兩地相距730公里。如此「山長水遠」，大部分粒子會被中間的岩石阻隔，唯獨微中子絕少與正常物質「打交道」，因而才能「直行直過」穿越幾百公里地底。由於微中子這種「孤僻」的特性，探測是極端困難的，現時還未知其質量，只知它非常輕，可能不及電子一百萬分之一。

實驗結論「鐵證如山」？

微中子固然神秘，但計算其速度一點也不神秘，稍懂常識都知道：速度＝距離／時間，若對超光速的結論抱懷疑，首先就是懷疑距離和時間的偏差。先看時間，微中子由LHC飛到Gran Sasso之需時是怎樣量度的呢？LHC以質子（proton）撞向石墨，產生一大堆其他粒子，這些粒子在衰變過程中再產生微中子。實驗不可能巨細無遺地追蹤每顆粒子，哪顆LHC質子衍生哪顆Gran Sasso捕捉到的微中子，根本無法追查，情形好像一次混亂的馬拉松賽跑，一批黑影越過起跑線，中途擾攘一番，兩小時後一批黑影衝過終點，怎計時呢？不能逐顆計時，但整體而言有迹可尋，LHC質子的時間分布（圖表上一條曲線）跟Gran Sasso微中子的時間分布（另一條曲線）形狀應該相近的，把兩條曲線盡量拼合，圖表時間軸的相差便是旅程的時間（好像《信報》投資版專欄作者羅耕經常玩的拼圖遊戲）。

該實驗的微中子到達Gran Sasso比光速早60納秒（nanosecond，十億分之一秒），「統計信心值」為六個標準差，即是只有0.0000002%機率是運氣使然；從統計學角度，實驗裏的微中子比光速快60納秒這個結論是近乎「鐵證如山」的。

違反相對論惹疑竇

為什麼量度的「起點」是質子不是微中子？LHC不能探測微中子的，質子撞擊石墨之後，微中子可在一公里隧道內任何一處誕生，很明顯這可能導致一些誤差。實驗團隊的說法是，由於質子近乎光速，與微中子相差無幾，微中子在隧道哪處誕生並不重要，根據電腦模擬，這樣引致的誤差少於一納秒，相對微中子比光速早到60納秒，影響不大。

另一要點是LHC和Gran Sasso的時鐘必須是同步的，如何保證呢？運用GPS衞星。每顆GPS衞星都會廣播自己的時間，兩地同時見到某顆衞星，便可惜其廣播來「校準」時鐘了。實驗團隊聲稱，兩地時鐘誤差大約二納秒，相對60納秒而言，影響也不大。

兩地的距離又有多準確呢？他們曾以多種方式量度（例如用光纖傳送光束計時），斷言誤差頂多20厘米（那是730公里裏的20厘米），這是少於一納秒的光速旅程。

時間看似十分準確，距離看似十分準確，還有什麼可能出錯？這就是問題，好像再沒什麼可能出錯。據我看過科普網站和博客之評語，實驗本身是扎實可信的，唯一啟人疑竇就是違反相對論，亦與二十多年前一次超新星爆發的觀察相左。

同類實驗誤差頗大

1987年2月23日，分別位於日本、美國、俄羅斯的三個微中子探測器偵測到一批外太空飛來的微中子，當時仰望夜空，未有異象。三小時後，一顆超新星爆發的光線終於抵達，肉眼都看得到；這顆超新星命名為1987A，因為它是1987年發現的第一顆。微中子先於光線到達地球，豈非超光速？事情沒有這樣簡單，天文理論預測超新星爆發首先製造微中子，然後才製造可見光，飛得近乎光速（沒有超過）的微中子先於光線抵達，證明了理論的正確。有人算過，如果那些微中子飛得像LHC至Gran Sasso那樣快，應該早四年抵達地球，並非早三小時。

很多人執着這點否定超光速微中子的可能，但這種質疑也不見得深思熟慮，超新星的微中子與LHC的微中子有着不同能量，會否因而快慢有別？微中子會否在地心吸力之下才超光速？沒有答案。

況且，我們也並非第一次捕捉到超光速微中子，2007年美國有過同類實驗。芝加哥Fermilab的粒子對撞器把微中子射向800公里以外一個明尼蘇達鐵礦坑，同樣測出超光速，不過由於誤差頗大，「統計信心值」不夠高，大家都把「疑點利益」歸於愛因斯坦，繼續相信相對論，媒體也沒有掀起太大波瀾。

今次「統計信心值」極高，實驗結果非常「肯定」，總算引起學術界注意。不過相對論經過千錘百煉，經無數實驗及天文觀測驗證，大家對超光速微中子暫時都是半信半疑（甚至極度懷疑），等待更多證據。上述那個明尼蘇達鐵礦坑實驗將會「鹹魚翻生」，安裝更先進的GPS接收器、原子鐘和探測儀等，希望降低誤差，對微中子的快慢作一獨立查證，最快2014年有結果。

相對論不會被推翻

假若超光速真有其事，相對論怎算？過去作的天文觀測要不要重新計算？現在言之尚早，可以肯定的是，相對論不會完全被推翻，正如相對論沒有完全推翻古典力學一樣。古典力學在日常情況還是適用的，相對論實是包含了古典力學，再擴充至古典力學沒有觸及的範圍。假如超光速真有其事，相對論可能要修正，但不會完全被推翻。有些觀點甚至認為，相對論根本毋須修正也可解釋超光速，微中子可能中途跳出了我們熟悉的三維空間，穿越其他維度，縮短了路程，快些抵埗也就不足為奇；相對論非但毋須修正，更證實了更高維度的存在，這可能是超光速微中子的真諦。

最終結局如何？我討厭陳腔濫調，但還是要陳腔濫調地說一句：請大家拭目以待。