曾經義大利格蘭薩索國家實驗室下屬的一個名為“OPERA”的實驗裝置，接收到來自歐洲核子研究中心的中微子。經測算，中微子在跑過這段732公里距離所用的時間，比光還快了60納秒（1納秒等於十億分之一秒）。這一結果給科學界帶來了巨大困惑，因為這與愛因斯坦狹義相對論中光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質的速度可以超越光速的理論相悖。正在學術界將信將疑之際，同年10月，歐洲核子研究中心優化了實驗方案並開始複核中微子超光速實驗，最終認為“新的測量方法沒有改變最初的結論”。
難道這條重要的物理定律真的要被改寫？光速並不是宇宙速度的極限！這一爆炸性新聞如石破天驚，不僅引起了學術界的震動，也引起了廣大科學粉絲的情緒亢奮。什麼是中微子？什麼是暗物質？這些深奧的科學內容一時間成了人們討論的熱門話題。為此筆者撰文對中微子及其相關的問題作一個回顧和簡述。
發現中微子：眾裡尋她千百度
說起中微子的發現，則要追溯到上世紀20年代末。科學家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉變成另一種核）時，發現在這個過程中有一部分能量不知去向，這使科學家們不勝困惑：在亞原子過程中能量守恆定律是否還成立？當時年僅30歲的奧地利物理學家泡利對能量守恆定律深信不疑，並以非凡的直覺預言：在此過程中，必定還有一種不帶電的，質量極小的，與別的物質相互作用極弱，以至無法探測到的新粒子釋放出來，就是它帶走了那一部分能量。他把這種未知的粒子叫做“小中子”，就是現在說的“中微子”（義大利語：Neutrino，字面上的意義為“微小的電中性粒子”，又譯作微中子）。
1942年，美國物理學家艾倫按照我國物理學家王淦昌提出的方法，首次透過實驗間接證實了中微子的存在。由於中微子與物質的相互作用很弱，要直接探索到中微子是非常困難的，連泡利本人也認為中微子也許永遠測不到。然而，困難並不能阻礙科學的進展，在泡利提出中微子假說26年之後，1955年美國洛斯阿拉莫斯實驗室的萊因斯和考恩在核反應堆的β衰變過程中，觀測到了中微子誘發的反應，這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據。他們把400升醋酸鎘水溶液作為靶液，放入新投入使用的核反應堆中（作中微子源），每小時測得2。8箇中微子，與理論預測完全一致。萊因斯因此榮獲了1995年諾貝爾物理學獎。
萊因斯捕捉到的中微子與泡利預言的中微子一樣，都是原子核在β衰變發射電子時放出的，稱為電子中微子。1936年μ子發現後新的問題又出現了。μ子主要是由π介子衰變而來的，屆時也會產生中微子，那麼此中微子與彼中微子是否相同呢？為此美國物理學家萊德曼、施瓦茨和斯泰因貝格爾在布魯克海文國立實驗室，利用300億電子伏特同步加速裝置所提供的高能μ子中微子進行實驗，從1960年至1962年間做了300小時的觀察，結果證實了這是兩種不同的中微子。他們三位也因此榮獲了1988年諾貝爾物理學獎。
話分兩頭，1975到1977年間，美國斯坦福大學教授佩爾在該校的加速器上做電子對撞實驗時，又發現了一種壽命很短的新粒子，定名為τ子。τ子也有相對應的中微子，稱為τ子中微子。
早在十幾年前，美國費米國家實驗室宣佈發現了τ子中微子存在的證據。
現代宇宙學透過理論計算告訴我們：中微子的種類上限為3，即有3種中微子，它們是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。而每一種中微子都有相對應的反中微子。從泡利對中微子存在的預言，到本世紀初對3種不同型別中微子的理論預測，全部都被實驗證實。整整歷時80年，可謂任重而道遠。
探索中微子：路漫漫兮其修遠兮
電子中微子被證實之後，圍繞著中微子的研究課題就及時展開了。讀者也許要問，中微子與物質的相互作用十分微弱，又難以捉摸，研究它有何意義呢？當然一箇中微子是無足輕重的，但是，在我們這個宇宙中，中微子的數量極多，充滿了宇宙的每個角落，平均每立方厘米就有300個左右的中微子，數量與光子差不多，比其他所有的粒子要多幾十億倍呢！所以中微子對整個宇宙來說有舉足輕重的作用。
另外，中微子還有一種本領，它能夠在星球的內部暢行無阻，因此它可以把太陽和其他星球的內部資訊帶給我們。科學家們還想利用中微子的這種特點來做地球的斷層掃描，讓埋在地球深處的奧秘一覽無餘；還設想讓中微子穿透地球內部傳送資訊，這樣長距離通訊就用不著經過衛星和地面中繼站兜圈子了……基於中微子的上述特點，幾十年來高能物理學界對中微子的探索和研究一直積極地進行著。然而令人沮喪的是，雖然研究也取得了一些成果，但在幾個關鍵的問題上仍沒有確鑿的定論。筆者將它們戲稱為像風像雨又像霧。大抵說來有3大問題存疑：中微子有沒有質量？中微子是暗物質嗎？太陽中微子失蹤之謎（見下頁連結“中微子的三大謎團”）。
中微子超光速：想要信你不容易
從1980年起天文學家就對中微子的速度進行偵測，結果顯示中微子的速度就是光速。但是到了1987年，當超新星SN 1987A爆發時，世界各地有三臺中微子偵測器各自探測到5到11箇中微子。有趣的是，在SN 1987A爆發的光線來到地球之前3小時，中微子就已經被偵測到了。對於這個現象，當時科學家把它解釋為：當超新星爆發時，中微子比可見光更早被髮射出來，而不是中微子比光速快。當然，這個速度亦與光速十分接近。
2011年9月，位於義大利格蘭薩索國家實驗室的 OPERA實驗小組宣佈觀測結果：研究人員發現，中微子的移動速度比光速還快。他們的實驗裝置接收到來自歐洲核子研究中心的中微子，經測算，中微子在跑過這段732公里距離所用的時間，比光還快了60納秒（1納秒等於十億分之一秒）。這可是非常顯著的差異。如果此結果被證實的話，將會引起理論物理學界的大震撼。然而，愛因斯坦的狹義相對論已經經過無數次科學實驗和天文觀測的證實，也是近代物理學和天體物理學的重要支柱，要想否定它恐怕沒有那麼容易。
為此各國科學機構和專家都對此採取慎之又慎的態度，並認為：從機率上來說，最大的可能性是這個實驗本身有漏洞，只不過現在還沒有被發現。為此，歐洲核子研究中心特地舉辦了一場網路釋出會，詳細說明實驗的方法以及各種誤差的估算，同時邀請其他的實驗機構重複相同的實驗，來作為此結果的驗證。今年2月，歐洲核子研究中心發現是連線GPS和電腦光纖的接頭鬆動造成了中微子超光速的假象，但同時另一個與GPS訊號同步的振盪器故障又可能導致實驗結果低估中微子的速度。為此他們將在今年5月重新做試驗進行檢測。
諾貝爾獎獲得者格拉肖發表論文說，如果中微子真的超了光速，那麼它的能量會在地下飛行過程中損失，實驗結果會自相矛盾。因此，當務之急是重複實驗結果。
當然還有另一種觀點，認為中微子可能具有特殊性質，這樣相對論也是對的，這個實驗結果也是對的。比如說，歐洲核子研究中心發出的中微子有可能振盪到一種惰性中微子，而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”，然後再振盪回普通中微子，這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認為中微子的質量不是固定的，與暗能量有關聯，會隨環境變化，這樣在飛行過程中看起來比光速快。諸如此類的理論很多，不過這些理論本身就需要大量實驗來證實。
正當筆者行文至此，準備等待新的實驗結果時，好訊息傳來了：據國外媒體報道，愛因斯坦可以安心了，因為最新的實驗結果顯示，之前有關中微子超光速的訊息並不成立，也就是說光速仍舊是不可超越的。這條結果也平息了之前對於這一訊息的諸多爭論。
歐洲核子中心研究主管賽吉爾·波特魯西在一份宣告中表示：“現有證據開始表明OPERA的實驗結果是不正確的。然而不管結果如何，OPERA小組完成了一次完美的科學實驗，並將他們的實驗結果公之於眾，接受最嚴苛的審查，並歡迎其他科學家對此進行獨立測量。”
