中微子的傳播速度真的很快。我們常用一眨眼來(lái)形容短暫的時(shí)間，而這些小粒子直接穿過(guò)整個(gè)地球，所花時(shí)間比你眨眼時(shí)間還短。在所有有質(zhì)量的粒子中，它們是最快的，幾乎以宇宙中最快的速度光速行進(jìn)。那么，它們到底有多快？

你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，來(lái)自太陽(yáng)的光需要八分鐘才能到達(dá)地球。當(dāng)你仰望太陽(yáng)時(shí)，實(shí)際上看到的是它八分鐘前的樣子，那是在所有這些光子傳播1.496億公里到達(dá)地球之前。

但是以光速行進(jìn)時(shí)，會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情。如果你是一個(gè)光子，那么這段旅程似乎根本不需要時(shí)間。對(duì)于以光速行進(jìn)的光子來(lái)說(shuō)，旅程是瞬間發(fā)生的。與光子相比，我們移動(dòng)得非常慢，因此我們對(duì)時(shí)間的體驗(yàn)截然不同。從愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論中，我們知道物體運(yùn)動(dòng)得越快，時(shí)間就越慢，對(duì)于以光速運(yùn)動(dòng)的光子來(lái)說(shuō)，時(shí)間會(huì)停止。所以一個(gè)光子同時(shí)經(jīng)歷了整個(gè)宇宙的時(shí)間線。

當(dāng)我們討論中微子的速度時(shí)，我們?yōu)槭裁匆務(wù)摴庾幽兀亢?jiǎn)短的回答是，在實(shí)際層面上，中微子的運(yùn)動(dòng)速度非常接近光速。我們?cè)噲D通過(guò)測(cè)量中微子長(zhǎng)距離行進(jìn)所需的時(shí)間來(lái)測(cè)量中微子行進(jìn)的速度。但即使在我們最精確的實(shí)驗(yàn)中，我們也沒(méi)有足夠的分辨率來(lái)測(cè)量中微子速度與光速的明顯不同。

現(xiàn)在，讓我們更具體一點(diǎn)。如果我們知道中微子的質(zhì)量，我們可以使用愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論方程從中微子的能量中計(jì)算出它的速度。但困難的是，我們實(shí)際上并不知道中微子的質(zhì)量，并且無(wú)法測(cè)量它。有一些實(shí)驗(yàn)幫助縮小了中微子質(zhì)量范圍，例如KATRIN實(shí)驗(yàn)最近表明，中微子的質(zhì)量必須小于0.8eV/c2。

因此，假設(shè)中微子質(zhì)量為0.7 eV/c2并給定1GeV的能量，這將告訴我們中微子以光速的0.9999999999999999995倍的速度行進(jìn)。仙女座星系距我們250萬(wàn)光年，這意味著一個(gè)光子需要250萬(wàn)年才能到達(dá)這里。如果一個(gè)光子和一個(gè) 1GeV中微子同時(shí)從仙女座星系出發(fā)，中微子將在光子之后0.0004 秒到達(dá)。到這里我們就可以明白，為什么我們無(wú)法衡量其與光速的差異了。

但是，為什么我們?nèi)绱丝隙ㄖ形⒆舆\(yùn)動(dòng)得比光速更慢呢？我們知道中微子有一個(gè)特別之處，那就是它們?cè)谝苿?dòng)時(shí)會(huì)改變風(fēng)味。這個(gè)事實(shí)告訴我們，與光子不同，中微子會(huì)經(jīng)歷時(shí)間，它們并沒(méi)有以光速行進(jìn)。

中微子的質(zhì)量還有一些量子力學(xué)的怪異之處，它們實(shí)際上是三種不同質(zhì)量狀態(tài)的混合體：質(zhì)量一、質(zhì)量二和質(zhì)量三，這是量子疊加的一個(gè)例子。我們要記住的一件重要事情是粒子也是波，并且波的長(zhǎng)度不是無(wú)限的。因此，可以將粒子視為波的一小部分或“波包”。

當(dāng)中微子在加速器中誕生時(shí)，它開(kāi)始時(shí)是所有三種質(zhì)量狀態(tài)的疊加，這意味著所有三種質(zhì)量狀態(tài)的波包都是重疊的。只要波包重疊，就會(huì)有相干中微子。這些質(zhì)量狀態(tài)中的任何一種都可能在探測(cè)器中發(fā)生相互作用，我們無(wú)法分辨出其中的區(qū)別，這導(dǎo)致了中微子振蕩現(xiàn)象。

質(zhì)量不同的物體應(yīng)該以不同的速度行進(jìn)，如果中微子傳播的時(shí)間足夠長(zhǎng)，三種不同質(zhì)量狀態(tài)的三個(gè)波包會(huì)隨著時(shí)間慢慢散開(kāi)，直到它們不再重疊，這會(huì)導(dǎo)致我們所說(shuō)的退相干。

在那種情況下，我們不會(huì)看到中微子振蕩。我們每次都會(huì)出現(xiàn)相同比例的電子、μ子和τ中微子，但是要獲得這些退相干中微子，它們必須經(jīng)過(guò)一段不可思議的距離，比我們?cè)诘厍蛏线M(jìn)行的任何實(shí)驗(yàn)都遠(yuǎn)得多。

我們所知道的唯一可能經(jīng)歷這種現(xiàn)象的中微子是那些自大爆炸以來(lái)一直在旅行的中微子，不幸的是此時(shí)它們的能量非常低，以至于我們沒(méi)有足夠靈敏的探測(cè)器來(lái)觀察它們。

綜上所述，測(cè)量中微子的速度絕非易事，還有更多的東西有待發(fā)現(xiàn)。2011 年，OPERA實(shí)驗(yàn)報(bào)告了一項(xiàng)測(cè)量結(jié)果，顯示中微子移動(dòng)速度超過(guò)光速。

但隨后的調(diào)查表明，這實(shí)際上是實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備錯(cuò)誤，中微子畢竟服從狹義相對(duì)論。有趣的是，交叉檢查OPERA結(jié)果的實(shí)驗(yàn)之一ICARUS，它使用不同的計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量了與OPERA相同的中微子，但還是沒(méi)有任何重大突破。

審核編輯：劉清