【www.shanpow.com--节日作文】
篇一:[中微子超光速]中微子超光速
中微子超光速
发布时间： 2011-10-14 |
9月23日，欧洲核子研究中心OPERA项目研究人员向媒体披露，他们在实验中观测发现中微子的速度超过光速。目前，物理学界对此仍以质疑态度为主。
Opera试验结果称中微子束的运行速度似乎超越了光速，让物理学再度进入公众关注的视野
实验发现
9月23日，整个物理学界的目光投向法国里昂核物理研究所的达里奥·奥蒂耶罗身上。当时，奥蒂耶罗当着一群心存怀疑的物理学家的面，介绍一个全新的“速度怪兽”——亚原子粒子微中子。根据他描述的最近进行的一项实验，微中子的速度超过光速。1905年，爱因斯坦的相对论将光速定为宇宙速度极限。
奥蒂耶罗的研究小组表示，日内瓦欧洲核子研究组织（以下简称CERN）一台粒子加速器发射的微中子以超过光速的速度抵达意大利格兰萨索的一个地下实验室，二者之间的距离为454英里（约合730公里）。计算结果显示微中子的速度比光快60纳秒（1纳秒等于10亿分之一秒）。奥蒂耶罗对CERN的物理学家表示：“我们无法用系统误差解释这一发现。测算结果表明微中子的速度超过光速。”
据奥蒂耶罗透露，他的研究小组用了6个月时间试图解释微中子超光速的发现，但最终以无果告终。鉴于这一发现将撼动物理学的基石，试图用任何理论解释这一实验结果都是一种不适当的做法。他说：“今天，我们只是将这一异常发现告诉你们。”
在爱因斯坦描绘的物理世界，光速是一切物质的速度极限。超光速意味着时间旅行将成为一种可能，但这又是绝大多数物理学家认为的不可能之事。一个世纪以来，爱因斯坦的相对论一次又一次得到验证。已故康奈尔大学天文学家卡尔·萨根曾说过：“非凡的结论需要非凡的证据。”CERN理论家阿尔瓦罗·德·鲁尤拉表示：“这是一项令人震惊的结论。我们应该自问什么地方出现纰漏，这才是一种正确的态度。”
实验介绍
Opera实验，全称是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus（采用乳胶径迹装置的（中微子）振荡项目），位于意大利Gran Sasso国家实验室。这个实验室位于地下1400米，以多个深地实验闻名于世。OPERA实验探测来自欧洲核子研究中心CERN的中微子，其物理目标是直接寻找从缪中微子到陶中微子的振荡。位于瑞士与法国边境的CERN通过高能质子打靶产生缪中微子束流，对准730公里外的Gran Sasso。为了留下陶中微子出现的确凿无疑的证据，实验采用了复古的核探测技术：乳胶照相。
不过“超光速”这个副产品的测量原理非常简单：测量距离，测量时间，算出速度！实验的难点在于精确地测准距离和时间。距离是通过GPS测量的，误差是20厘米。这20厘米的误差还不是来自从瑞士到意大利的730公里，而是主要来自从进入地下实验室的高速公路隧道门口的GPS基准到探测器的10公里。时间也是通过GPS和铯原子钟测量，精度是2.3纳秒。
实验过程
整个实验从CERN一座建筑内的一罐氢气开始。来自这个罐子的氢原子被剥离电子，成为裸质子，而后借助一系列粒子加速器加速，最近进入大型强子对撞机的主环。形象地说，大型强子对撞机就是所有这些粒子加速器的母亲。在Opera实验中，一些质子的能量状态变成居间能量态，以10微秒脉冲的形式轰击一个石墨目标，产生脉冲介子。介子随后衰变成微中子，微中子朝着格兰萨索的方向消失在地球中，最后抵达格兰萨索实验室的微中子穿过铅砖和照相乳剂。
从理论上说，在这段用时几毫秒的旅途中，一些微中子会从μ介子微中子变成τ介子微中子。Opera实验的目标就是研究这种形态变化。3年时间里，研究人员在探测器的帮助下记录下大约1.6万个微中子，但其中的τ介子微中子只有一个。伯尔尼大学的安东尼奥·埃雷迪塔托表示，测量微中子速度只是一个次要目的。他说：“我们希望发现一些τ介子微中子，以博得观众的掌声。”
业界反应
中微子会比光速还快，这个想法太不同寻常，连OPERA实验的科学家也不敢贸然做出猜测。“我们不做出任何猜测。”他们在一份声明中表示。
然而，如果实验结果正确，这可能是本世纪乃至现代物理学上最惊人的发现了。科学家的态度一贯相当谨慎。他们在还未正式发表这篇研究论文之前，就把研究报告放在一份公开的论文网站上。“我们希望别的科学家能够做出验证。”他们说。
因为这个结果潜在的巨大影响力，OPERA科学家还不同以往地专门开展了一场网络直播，现场向欧洲核子中心的同行们和全球物理学界的科学家们讲解自己的实验方法和过程。华裔科学家丁肇中在现场夸赞这个实验：“我想祝贺你们做出了一个极其美妙的实验”。
事实上，欧洲核子研究中心的竞争对手、著名的美国费米实验室早在2007年就观测到了类似的“中微子超光速”现象，但由于该实验对结果估算的误差较大，导致可信度低。如今，费米实验室打算重做实验，验证超光速粒子的实验结果。
不过，意大利科学家发布的数据是经过三年的时间和15000次左右的计算融和的结论。目前类似实验很难在其他国家予以重复验证，日本的实验室遭受海啸重创，费米实验室无法达到欧洲核子中心的实验精度。
在众多的发言中，没有几个物理学家真正相信，中微子会快过光速。
“反方”阵营大部分来自理论物理学家，最权威的一个解释来自于诺奖获得者、物理学家谢尔顿·格拉斯豪。他和他的同事在发表的论文中指出，如果中微子运行速度快于光速，其反过来会制造出一种“虚粒子”，并同时夺走中微子的能量。假设中微子真的会以超光速飞行，它们丧失的能量也只会让它们飞一会儿，不足以支撑到整个OPERA实验设计的距离。
欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯也发表了一篇论文，支持格拉斯豪。“如果中微子以超光速飞行，它会释放出一些电子和质子，从而丧失能量，这与OPERA探测的高能中微子结果相悖。
另一个挡在OPERA实验结果前的坎儿，来自于一个20多年前的天文发现。1987年，天文学家在银河系伴星系大麦哲伦星云观测到一颗超新星爆发，并且探测到中微子数量突然增加。这是人类首次明确探测到来自银河系外确定来源的中微子，也是迄今为止对中微子速度最准确的测定。有科学家称，那次发现的中微子源到地球的距离足有十几万光年。如果这次意大利的数据确为超光速现象，这些中微子就应该比光提前好几年抵达地球，而实际上它们只提前了三个小时。
还有一些质疑来自设计实验的应用物理学家，他们寻找这个实验中可能存在错误的地方。一些论文指出，可能是原子钟的同步出了问题，或者中微子束的尾部测量上出现差错。
在另外一些提交的解释论文中，一些人给出了新的答案。这些新见解，就更加前沿，更加科幻了。有一批人认为，某些中微子可以在不同时空中跳来跳去，因此在实验中可能在不同维度中走了“捷径”；有人认为，中微子在穿越固体地球的时候，比穿越空间时飞得更快；有人认为，中微子可能穿透了暗物质，同时，光质子则因为与暗物质的反应而变慢了；还有人认为，中微子的速度在不同的方向和一天中不同的时间而发生变化。
“现在说哪种理论更好，显得过于冒失。”欧洲核子研究中心的理论物理学家约翰·埃利斯对媒体说，“他们可能都是错的，因为这个结果可能最终会蒸发。”
不过，这些解释还是有用的。“科学定论最初来自实验结果，但之后，就得靠理论物理学家们，就像打字机上的猴子一样，一个个的猛击各种可能。”
背景知识
中微子
中微子（Neutrino）又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号v表示。中微子不带电，自旋为1/2，像中子一样不带电，质量小于电子的百万分之一。
中微子有3种类型，即电子中微子、μ中微子（缪中微子）和τ中微子（陶中微子）。它们可以通过振荡从一种类型转变成另一种类型。
由于中微子既“中”又“微”，几乎不与物质发生相互作用，因此尽管中微子广泛存在于宇宙中，包括太阳内部、宇宙射线以及核反应堆都能产生大量中微子，但难以被实验仪器捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。曾有科学家打比方说：“即便用我们整个太阳系那么大的一块铅，也不可能把一个宇宙中微子拦下。”
20世纪30年代，科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。物理学家泡利对此提出假设，有种粒子“窃走了”能量。这一假说在1956年终被证实，这个窃走能量的“小偷”就是中微子。
中微子可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。这种粒子与宇宙发展和“暗物质”的存在有直接关系，有可能成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究外，中微子的特性还有可能被应用于远程通讯、地球断层扫描等领域。特别是中微子穿透力强、损耗少、难捕捉的特点，常在科幻作品中作为直穿地球甚至穿越宇宙实现星际通信的手段。
中微子是近年来物理研究中的一个热点。2002年，美国和日本物理学家因“宇宙中微子探测”方面的成就摘得当年的诺贝尔物理学奖。
狭义相对论
相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论（特殊相对论）和广义相对论（一般相对论）。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。
相对论是本世纪初由爱因斯坦等在总结实验事实（如迈克尔逊-莫雷实验）的基础上所建立和发展。在这以前，人们根据经典时空观（集中表现为伽利略变换）解释光的传播等问题时，导致一系列尖锐的矛盾。相对论针对这些问题，建立了物理学中新的时空现和高速物体的运动规律，对以后物理学的发展有重大作用。
1905年9月和11月，爱因斯坦发表了两部论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》，狭义相对论（special relativity）从此诞生。狭义相对论的基本原理为：
（1）在任何惯性参考系中，自然规律都相同，称为相对性原理。
（2）在任何惯性系中，真空光速c都相同，即光速不变原理。
其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应该满足洛伦兹变换，而不是满足伽利略变换。
在狭义相对论提出以前，人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在。而爱因斯坦的相对论首次提出了时空的概念，它认为时间和空间各自都不是绝对的，而绝对的是一个它们的整体——时空，在时空中运动的观者可以建立“自己的”参照系，可以定义“自己的”时间和空间（即对四维时空做“3＋1分解”），而不同的观者所定义的时间和空间可以是不同的。具体的来说，在闵氏时空中，而如果一个惯性观者（G）相对于另一个惯性观者（G"）在做匀速运动，则他们所定义的时间（t与t"）和空间({x,y,z}与{x",y",z"})之间满足洛伦兹变换。而在这一变换关系下就可以推导出“尺缩”、“钟慢”等效应。
(科技日报)
篇二:[中微子超光速]中微子超光速
中微子-内部结构模型图超新星中微子实验：科学家称时间旅行有可能
据国外媒体报道，古怪神秘的中微子再一次让粒子物理学家感到迷惑，在此之前，粒子物理学家发现来自太阳中微子实际测量的流量与理论模型之间存在较大偏差，这就是著名的“中微子缺失之谜”，中微子的缺失使得物理学家不得不思考当时认定的标准太阳模型是否存在问题。接着，空间中微子探测器发现宇宙中中微子存在震荡的现象，三种不同类型的中微子在宇宙空间中可相互转换，尽管我们之前认为中微子是没有质量的，像光子一样，但是修改后的标准模型可使得中微子具有质量。而在1987年爆发的超新星事件中，地球上多处监测到提前三个小时抵达地球的中微子。
现在看来，神秘的中微子又出现了一项更加神秘的性质。根据前不久，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的粒子物理学家研究报告中提到：在中微子震荡跟踪实验中，得出了一个令人吃惊的结果，超级质子同步加速器产生的高能中微子束打入中微子震荡跟踪仪中，发现中微子以超光速运动，这个时间提前量与实验误差来得大，也就是说，即使扣除实验误差，中微子也可以超光速运动。该实验最明显体现了中微子看似可以违反爱因斯坦的狭义相对论，并导致对宇宙航行是否可以超光速的思考。
我们知道，就算是光子也要服从不可超越光速的限制理论，但是现在看来中微子似乎比较特别。使得粒子物理学家觉得，这些理论好像并不适用于它们。而欧洲核子研究中心将17GeV能级的中微子由超级质子同步加速器击中数百公里外的位于意大利中部的中微子震荡跟踪仪，实验测量中微子速度为每秒30.0006万公里，约为每秒18.6万英里，这个速度稍稍快于光速。
欧洲核子研究中心位于瑞士日内瓦与法国接壤的边境上，该中心也是世界上最大的粒子物理研究实验室，本次实验中由该实验室的超级质子同步加速器发射大量的中微子击中730公里(453 英里)之外的意大利中部的格兰萨索（Gran Sasso）国家实验室中微子震荡跟踪仪。用于接收中微子的装置由15万块铅板和感光膜组成。为了精确测量中微子运动的速度，就必须精确测量加速器与传感器之间的距离以及中微子所用的时间。
欧洲粒子物理学家测量的中微子运行时间比理论上光速运动到相同距离所花的预定时间快了60.7纳秒，中微子震荡跟踪仪（传感器）实验室发言人，物理学家安东尼奥（Antonio Ereditato）介绍说：这完全是个意外的结果，我们希望测量中微子的速度，但是没想到发现了如此特别的东西。
同样是在欧洲核子研究中心，粒子物理学家们最近也在寻找关于希格斯玻色子的踪迹，将会有越来越多的数据被整合起来，加州理工学院的物理学家肖恩卡罗尔（Sean Carroll）认为：我们目前在实验中得出的结论或多或少可能受到宇宙空间差异性的影响。只要有大量数据重复实验下，统计中的误差才可能消失。而在中微子超光速实验中，粒子物理学家进行了6个标准偏差的结果，实际上只要有5个标准偏差就能说明这个发现并不是由误差产生，应该说该实验研究人员的报告关于误差分析室令人影响深刻的。换句话说，中微子超光速现象可能不是一个随机的统计误差。
对于中微子超光速的发现，正如著名的物理学家卡尔萨根所说：非凡的结论需要有非凡的证据，物理学家安东尼奥认为：每当你接触到这些宇宙中基本的定律，都需要更加谨慎，这也是为什么研究小组花了半年的时间，多次检查他们的数据分析结果，如果其中有一个问题，那得出的结论就很可能不成立。研究报告中也肯定了两点，第一，这是一个非常有趣的、潜在的特别令人兴奋的结果，第二，这个结果有可能随着时间的推移被证伪。即使是中微子震荡实验中研究团队也不完全相信他们的结果是正确的，而他们都是粒子物理学领域世界一流的科学家。
其实，类似中微子超光速现象并不是欧洲粒子物理研究中心首次察觉，早在2007年，位于美国明尼苏达州的MINOS高能物理实验中，也观察到中微子出现抵达时间比光速还快的现象，当时费米国家实验室的物理学家约瑟夫（Joseph Lykken）认为：“实验装置存在不确定性，对这个结果尚无定论。而且测试的方式相当“混乱。比如，欧洲核子研究中心的一束质子束，并产生了中微子，但是我们不知道哪些质子是对应产生哪些中微子。这就使得很难统计中微子抵达的时间，虽然欧洲核子研究中心认为他们可以进行整体性的统计，但是这个方法还有待进一步检验。”
然而，对于欧洲核子研究中心的发现，还存在着另一种反对的意见：位于弗吉尼亚州的威廉玛丽学院粒子物理学家马克舍尔（Marc Sher）认为：从某种意义上说，关于中微子超光速现象的实验已经完成。我们可以检测来自超新星1987A的中微子，在1987年大麦哲伦星云中出现的一次超新星爆发前三个小时，地球上多台中微子探测仪同时接受到中微子爆发的信号，但是，这并不是就可以认为中微子速度超过光速，相反，它们能够直接穿过在死亡恒星周围的壳层，而光子则会以一种机制通过。
天体物理学家对此计算表明，超新星1987A中微子观测中出现的三个小时的时间延迟被认为是中微子比光子提前释放，然而，粒子物理学家马克舍尔以及其他物理学家也曾指出，如果欧洲中微子超光速现场结果是真实的，这就说明这三个小时的延迟就是一个很好的证明。关于“超新星中微子”实验已被我们知晓，而马克舍尔怀疑欧洲核子研究中心在中微子超光速计算中存在问题。
美国俄亥俄州立大学的研究人员约翰（John Beacom）认为：针对欧洲核子研究中心的结果，比较超新星1987A的中微子探测结论可能不是一个最好的主意，显得毫无意义，因为我们不能精确了解这些中微子的速度以及它们具有的能量、距离等参数。如果要对欧洲核子研究中心的结果进行确认，最好要进行交叉检查，同时探索在伽玛射线爆发中出现的高能中微子。而典型的伽玛射线爆发持续的时间很短，从一两秒钟到数秒不等，较短的时间尺度是一个非常明显的特征。我们可以使用更加复杂的模型来屏蔽来来自背景信号中的低能态中微子，并且还应该注意时间框架的选择。
正如物理学家马特施特拉斯勒（Matt Strassler）对此评论到：欧洲核子研究中心的结论并不意味着爱因斯坦的狭义相对论就是完全错误的，而时间旅行和更发达的超光速通信技术也将成为可能。即使是直接参与研究的意大利中微子震荡实验的粒子物理学家也并没有说他们的发现就已经可以推翻爱因斯坦。在过去的几十年内，物理学家们都在认真研究相对论的基本原则，探索是否存在与相对论相反的物理现象。从狭义相对论中推到出来的洛伦兹共变性则是时空的一个关键性质。科学家也正在研究洛伦兹不变性，也许对中微子的研究而言是一个很好的方向。
狭义相对论中最核心的宗旨便是任何一个人，不论选择何种参照系，所测量出光速的速度都是相同的，这也是为什么时空不断膨胀过程中，光速保持不变。从欧洲核子研究中心的结论看，也许这个情况并非如此，那么狭义相对论应该做些调整。虽然这对现代物理学而言，是个坏消息，但是有物理学家认为，这可能是一个扭曲的额外时空维度的一个标志。这些额外维度是量子引力论中的一个关键要素，它可以提供中微子以一种快捷的方式运动，使得中微子的运动速度比光速快，哪怕只是快了一丁点儿。
或者，某些处于高能态的中微子确实运动得比光子还快一点儿，而这些假想中的粒子都在上个世纪60年代已首次提出，这些粒子最大的特点就是运动的速度能超过光速。然而，这些观点已经被1985年在物理学家阿兰乔多斯（Alan Chodos）、阿里豪瑟（Ari Hauser）和阿兰科斯塔莱茨基（Alan Kostalecky）提出的论文中被证明是错误的。具体来说，他们通过预测证明如果一个中微子与另一个未知的量子真空区域发生相互作用，这些中微子的运行速度就能够超过光速。在这个背景下，任何物体的运动速度都限制在光速之下看来也不一定。可能中微子的运动速度比光速更快点。
对于中微子超光速现象的论证，该实验必须能进行重复实验。现在，欧洲核子研究中心的粒子物理学家们正在寻找分析系统误差可能导致的错误，而其他中微子实验室争先恐后地进行重复性实验，比如费米实验室也开始自己的计划，不论对中微子震荡实验结论被证实或者证伪，都是个重大的发现。在此期间，认为狭义相对论乃至现代物理学将面临崩溃是不恰当的。
篇三:[中微子超光速]如何解开中微子超光速之谜？
如何解开中微子超光速之谜？
发布时间：2012年01月18日 09:06来源：科技日报 作者：记者 张晶
穿越730公里，中微子用时比光子还快60纳秒。如果OPERA实验结果被证实，物理学将面临一次深刻的革命。
媒体轮翻轰炸报道之后渐渐趋于平静，但学界对OPERA实验的讨论还在继续。截至2011年12月25日，arXiv上已经发表了超过177篇文章。其中既有质疑的声音，也有探索这一实验结果可能的解释。而在美国《科学》杂志评出的2012年值得关注的六大科研领域，“超光速中微子”位居其中。
2011年第四期《前沿科学》杂志刊发国内权威物理学家撰写的多篇文章：“从本质入手研究超光速的可能性”“OPERA超光速中微子与人类对时空观的认识历程”“中微子超光速、洛伦兹对称性破坏和质量起源”“Faster than light neutrinos”等，从不同角度来讨论“中微子超光速”背后的物理问题。
需要独立的实验检验OPERA的结果
2011年9月23日，OPERA合作研究组首次公布中微子速度测量结果，立刻引来质疑声一片。
北京大学物理学院教授马伯强告诉记者：“从粒子物理的角度，批评最多的是，OPERA首次实验中所采用的质子束的持续长度为10.5微秒，这是实验测量中微子早到60纳秒的近200倍，极有可能造成实验上的系统误差，从而导致分析的不可靠。”
在两个月后的第二次实验中，OPERA合作研究组将质子束的持续长度调整为3纳秒，其中每隔524纳秒发一束，以此消除可能由质子束长度带来的系统误差，并于11月17日更新了arXiv上的结果。马伯强认为，此次实验精确性有所改进，统计分析也更为可靠。
“事实上，费米实验室和MINOS合作组在以前都得出过类似的结果。”马伯强说，“但是，当时的显著度比较低。比如说，2007年MINOS合作组也测到μ中微子超光速的现象，但实验结果置信度仅为1.8西格玛。这次OPERA实验结果达到了6个西格玛。也就是说，99.9999998%的可能是真的。”
OPERA重复实验的数据消除了一些怀疑，但还远远不能让人完全信服。清华大学近代物理研究所和高能物理研究中心教授何红建告诉记者：“绝大多数行内专家对OPERA实验结果仍然持谨慎的保留态度，大家需要静心等待独立的实验检验。”
他指出，“最让实验家们怀疑的一个地方是OPERA使用的GPS卫星同步仪定时及其测量，这在OPERA重复实验之前就被很多专家提了出来，但OPERA合作组目前仍无法对此进行改进。由于实验测量导致的系统误差还没有彻底搞定，单纯谈论实验结果的6个西格玛标准偏差没有太大意义。此外，使用GPS进行定时还必须计入由于爱因斯坦狭义相对论和广义相对论引起的修正效应，后者还比前者大得多。这个修正的大小与目前OPERA的实验误差和声称的超光速偏离相比无法忽略。”
何红建提醒记者注意，假定狭义和广义相对论对GPS定时的修正效应正确无误，进而在实验数据分析中导出狭义相对论被破坏的大小这个逻辑推理本身就受到严重质疑。严格的做法是在GPS定时中扣除相对论修正效应时就必须考虑可能的相对论破坏效应，这样才能前后自洽的定量确定最后可能的相对论破坏效应的真正大小。遗憾的是，这样的分析OPERA根本没有做。
目前，美国和日本的实验组也正在计划重做这个实验。何红建认为，如果其他实验仍然无法在GPS定时上给出令人信服的解决方案，那么其实验结果无论正反都将继续受到质疑。
“要在一个大家熟悉的能量尺度推翻像相对论这样一个已经在同样尺度甚至更高尺度得到大量实验检验的理论是一件非常不易且希望渺茫的事情。”何红建对OPERA实验持悲观态度。他说，“如果其他实验否定OPERA结果，那么此事很快就会在学界销声匿迹；如果其他实验得出的结果既不支持也未完全否定OPERA结果，那么彻底搞清这个问题至少需要3—5年甚至更长的时间。”
“目前国际上绝大多数行内专家仍然认为，在OPERA实验的能量尺度，OPERA测量出错的可能性大于99%，中微子具有某种未知奇异特性的可能性小于1%，爱因斯坦狭义相对论出问题的可能性至少小于0.01%。”何红建说。
需要明确“中微子超光速”可能发生的能量尺度
“狭义相对论超越了绝对时空观，揭示了基本的时空对称性，也就是洛伦兹对称性。只有当洛伦兹对称性被破坏，才有可能发生超光速现象。”中国科学院院士，理论物理研究所所长吴岳良指出。
那么，洛伦兹对称性究竟在什么样的能量尺度和物理过程中会被破坏？
“在具体讨论任何洛伦兹对称性破坏的理论之前，首先要搞清楚洛伦兹破坏可能发生的合理的能量尺度究竟应该在哪里。”何红建指出，描述自然界电、弱、强这三种基本力的理论称之为基本粒子物理学的“标准模型”。这个理论包含两大基本对称性：时空对称性（洛伦兹对称性）和内部对称性（规范对称性）。弱力的规范对称性必须自发破缺，其破缺尺度由著名的费米耦合常数决定，它带有质量量纲为-2，从其实验测定值可以直接推断出费米常数揭示了一个独特的能量尺度，大约300GeV。“但是，与内部的规范对称性不同，标准模型自身无法提供洛伦兹对称性破坏的能量尺度。”
何红建提醒记者注意，自然界四大基本相互作用中除了费米耦合常数之外唯一一个有非零量纲的耦合常数就是牛顿引力常数，其质量量纲也为-2，与费米常数类似，它提供了整个物理学的另一个基本能量尺度——普朗克尺度（1.22×1019GeV），在那里量子引力效应变得非常重要。不仅因为狭义相对论无法描述引力，而且爱因斯坦的广义相对论也无法完满描述量子引力，所以这是物理学家们预期产生洛伦兹破坏最自然的能量标度。“由于标准模型本身的对称结构不包含这样一个尺度，洛伦兹破坏效应就只能作为‘高阶效应’出现，受到普朗克尺度倒数的压低。对于OPERA实验来说，这个压低因子小到10－18量级，远远小于OPERA合作组声称的10－5量级的超光速效应。”
“虽然我们还无法确认10－5 量级的洛伦兹破坏效应绝对不会发生，但可以肯定，其发生的可能性非常小。因此，如果OPERA结果没有得到其他实验的独立验证，物理学家们绝对不会感到任何意外。”何红建还强调，“相对论破坏(或称洛伦兹对称性破坏)效应不一定导致超光速，实际上任何粒子的速度低于相对论预言的速度也是破坏相对论的可能表现形式。据我所知，国际上没有任何关于洛伦兹破坏的理论能够确定地预言超光速，低于相对论预言速度的洛伦兹破坏也是完全可能的。因此中微子超光速是否存在这个问题目前根本无法单纯从理论上给予解决。归根结底，这是一个实验问题。”
“利用光速、牛顿引力常数和普朗克常数，可以组合出可能的量子引力的能标，也就是普朗克能标。研究量子引力的物理学家们相信，在普朗克能标下，量子引力现象将会呈现出来，狭义相对论中的能动量色散关系会受到微小的修正。在新的能动量色散关系下，极限速度将可能不再是光速，相应地将可能有一个微小的修正。”由此，在马伯强看来，从量子引力的时空观角度，OPERA实验中微子速度略高于光速并不算十分意外。“但这一实验的意外之处在于，中微子超光速的幅度比线性修正预言的幅度整整大了十万亿倍。这值得我们思考，普朗克能标真的是量子引力能标吗？”
需要研究“中微子超光速”的约束条件
马伯强及其研究团队长期研究洛伦兹对称性破坏问题。在OPERA合作组公布实验结果的3天后，他们就向arXiv提交了题为“Neutrino speed anomaly as signal of Lorentz violation”的文章。
“2011年我们提出了洛伦兹破坏的新理论，对相对论的相对性原理修正为：描述物理学规律的方程在所有允许的数学流形是一样的。”马伯强基于这个理论建立了标准模型拓展和标准模型补充。“我们假设中微子超光速成立，然后将OPERA实验数据代入模型，得出的结论是：洛伦兹破坏的参数是10－5量级。这和OPERA实验超光速是一个量级。”
不止于此，由于1987年超新星爆发是电子中微子，而OPERA实验中观测到的是μ中微子。马伯强认为，如果能够建立理论使得速度与不同各类的中微子相关，那么1987年超新星爆发就和OPERA实验结果能够自洽。
问题是，一个新理论是否能够站得住脚还要看它能否经受得住其他诸多条件的约束。
切伦科夫效应就是一个非常强的约束条件之一。它是指一个带电粒子在媒质中超光速运行会有很强的辐射效应。美国理论物理学家格拉肖和合作者指出，由显示洛伦兹破坏的超光速中微子在传播过程中，会发生切伦科夫效应，损失能量。这意味着它们到达探测器的能量和角度分布以及时间结构都会发生改变，远不像OPERA合作组声称的那样简单。
吴岳良认为应从本质入手研究中微子超光速的可能性。他提出，目前的粒子物理标准模型无法解释中微子的超光速现象，那么有没有新的相互作用和新的物态，特别是与中微子之间而不是与其他物质的特殊相互作用。同时，研究洛伦兹对称性的破坏必须与粒子间相互作用的内禀对称性一起考虑，只有这样，对中微子是否可能有超光速现象的认识才会更深入。
“2011年诺贝尔奖颁给了宇宙加速膨胀的发现，这表明宇宙中存在一种新的物态——暗能量。其存在从本质上也表明了要超越爱因斯坦。因此，要超越爱因斯坦的狭义相对论，就必须研究超越狭义相对论成立的条件，如超越四维时空，重新认识真空以及引入新的特殊相互作用等，必须要有突破性的新想法。”吴岳良说。
