如果超光速是真的，標準模型的另一個基本對稱性——時空對稱性（洛倫茲對稱性）就會被破壞。那麼，人們要問︰洛倫茲對稱性破壞預期的能量尺度究竟在哪里？標準模型自身無法提供這樣一個尺度

何紅建:現在談沖擊相對論為時過早


http://www.stdaily.com 2011年10月17日來源︰ 科技日報作者︰



何紅建 清華大學高能物理研究中心和工程物理系教授，“中國青年科技獎”和“國家杰出青年科學基金”獲得者，博士生導師。

    “中微子超光速”在實質上可以被認為是破壞了時空對稱性（洛倫茲對稱性），從而違背狹義相對論。狹義相對論有兩個基礎︰一個是相對性原理，一個是光速不變原理。這兩個基礎不是物理學家憑空想象出來的，而是已經隱含在描述電磁相互作用力的麥克斯韋方程之中，愛因斯坦的偉大貢獻在于從中首次揭示了這兩個原理，並由此建立了對電磁學與力學的統一描述——狹義相對論，其中麥克斯韋方程被完整保持，但牛頓力學卻作為相對論的宏觀低速近似而被修改。這個理論成功地經受了一百多年來所有實驗的考驗。

    狹義相對論從本質上說是一種關于自然界時空對稱性的理論。自然界除引力以外的三種基本相互作用力——電磁力、弱力和強力(核力)均遵從狹義相對論。它揭示了基本的時空對稱性，稱之為洛倫茲對稱性。相對性原理的實質就是洛倫茲對稱性的不變性，光速不變的實質就是光速成為洛倫茲對稱性的最基本的不變量。描述自然界電、弱、強這三種基本力的理論被稱為基本粒子物理學的“標準模型”，它非常成功，自上世紀50年代以來為奠定標準模型所頒發的諾貝爾物理獎已達17次。這個理論包含兩大基本對稱性︰時空對稱性（即洛倫茲對稱性）和內部對稱性（即規範對稱性）。但是規範對稱性在弱力中必須被破壞，而且必須被自發破缺(1999年和2008年諾貝爾物理獎)，弱規範對稱性自發破缺的尺度由著名的費米常數GF決定，它帶有質量量綱為-2，從其實驗測定值就可直接推斷出相應的能量尺度為100GeV—1000GeV範圍(1GeV等于1千兆電子伏特)，因此導致弱規範對稱性自發破缺的新粒子——希格斯粒子（或稱“上帝粒子”）的質量必須位于此範圍。目前正在歐洲核子中心運行的大型強子對撞機（LHC）的能量尺度完全覆蓋100GeV—1000GeV範圍，它預期將發現或排除這個“上帝粒子”。若此粒子被排除，標準模型將被一個新的革命性理論所修改。

    如果超光速是真的，標準模型的另一個基本對稱性——時空對稱性（洛倫茲對稱性）就會被破壞。那麼，人們要問︰洛倫茲對稱性破壞預期的能量尺度究竟在哪里？標準模型自身無法提供這樣一個尺度。但我們知道在牛頓萬有引力定律中恰好有一個基本引力常數GN，其質量量綱也為-2，與費米常數GF類似，它提供了整個物理學的另一個基本能量尺度——普朗克尺度MP=1019GeV，在那里量子引力效應變得非常重要；不僅狹義相對論無法描述引力，而且愛因斯坦的廣義相對論也無法完滿描述量子引力，所以這是物理學家們預期產生洛倫茲破壞最自然的能量標度。由于標準模型本身的對稱結構不包含這樣一個尺度，洛倫茲破壞效應就只能作為“高階效應”出現，受到普朗克尺度倒數的壓低，具體講，就是E/MP壓低，這里E是相關過程的能量。對于OPERA實驗來說，E=17GeV，因此這個壓低因子E/MP就小到10－18量級，遠遠小于OPERA實驗聲稱的10－5量級的超光速效應。雖然我們不敢說10－5量級的洛倫茲破壞效應絕對不會發生，但可以肯定，其發生的可能性非常小。因此，如果OPERA結果沒有得到其他實驗的獨立驗證，理論家們絕對不會感到任何意外。

    我想強調的是，半個多世紀以來，對于標準模型中狹義相對論的洛倫茲時空對稱性的檢驗已經非常廣泛而精確了，無數實驗基于相對論框架做了大量測量，能量上從兆電子伏特(MeV)、到千億電子伏特(100GeV)乃至目前的萬億電子伏特（1000GeV）尺度，結果仍然與狹義相對論完全符合。OPERA實驗卻聲稱在17GeV能量發現中微子超光速，而中微子不帶電，只有弱作用，恰好是包括電子在內的所有高速運動的基本粒子中在實驗上最難控制和測量的，因而也最易出錯！為什麼超光速只發生在中微子？也許中微子本身有神秘特性？其實中微子在相對論框架中可以被完滿描述，並不神秘。目前我國大亞灣中微子實驗正在進行測定其關鍵混合角θ13的重大研究。

    從理論上講，如果超光速是真的，不光狹義相對論，就連廣義相對論也將面臨相應的修改。要對整個現代理論物理體系進行如此龐大的修正而又要讓這些更改符合之前所有支持相對論的無數實驗證據是非常困難的。此外，已有理論計算表明︰由顯示洛倫茲破壞引起的超光速中微子在傳播過程中將會發生衰變，這意味著它們到達探測器的能量和角度分布以及時間結構都會發生改變，遠不像OPERA測量聲稱的那樣簡單。

    我們理論家大多對此實驗持嚴重懷疑，因為如我上面所述，沒有任何理論上的可靠證據或者跡象表明在17GeV能量尺度洛倫茲對稱性會遭到破壞，倒是恰恰相反，有很好的理由預期洛倫茲破壞應該發生在普朗克能標1019GeV區域。

    歷史經驗表明，一般在理論上完全沒有把握的時候，物理學家只能主要依靠實驗；但在實驗很容易出錯而理論又是如此嚴密可信的地方，應該正是值得實驗家們慎思和反省的時候。

    很顯然，現在來談意大利這個實驗對愛因斯坦理論的沖擊還為時過早。這也正是OPERA實驗組自己的態度，他們把文章預印本放到網上而沒有正式投稿的一個主要目的，就是希望國際同行們能夠幫助他們找錯，並促進其他實驗組進行獨立檢驗。（本報記者王小龍 整理）
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