中微子是非常有趣的家伙。尽管它们属于物质粒子，但它们几乎不与任何东西相互作用，不带电荷，也没有质量。没有质量？好吧，是几乎没有质量。物理学家知道，它们至少得有很小的质量才能进行被称为“中微子振**”的活动。这是一种让人难以置信的效应，但我们很快就可以了解它的原理了。不过，还是让我们从中微子奇特之处的源头开始讲吧。

到达我们地球的中微子，最大的提供者是太阳。每秒钟经过我们每平方厘米身体表面的中微子大约有7 000万个。中微子不与我们相互作用，那我们是怎么知道有这么多的呢？科学家们计算出了一个太阳的模型。太阳有多大？释放的能量有多少？里面又发生了哪些过程？所有这些信息都包含在所谓的“标准太阳模型”中。太阳内部的许多过程都涉及核聚变：两个质子结合并形成一个氘核，之后其中一个质子通过弱相互作用过程转变为中子。质子的正电荷被一个正电子“带走”，这个正电子将与电子中微子一起发射出来。大部分到达我们身边的太阳中微子都来自这些聚变的质子。到这一步为止还没出现什么问题。人们计算出应该到达我们地球的中微子数量，并将其与实际测量结果进行比较。

计算中微子

当然，第一次对太阳中微子通量的测量并没那么容易。测量首次取得成功是在南达科他州的霍姆斯特克矿区。在地表下约1500米处，人们将大约40万升的四氯乙烯与其他辐射源隔离开，专门用于中微子的探测。你从未听说过四氯乙烯？没关系。我们只需要知道它含有大量氯元素就可以了。这正是太阳电子中微子喜欢的：它们会把氯转化为较轻的气体——氩。一方面，这个反应中产生的氩原子很轻，会往探测器外跑，但我们可以中途拦截住它；另一方面，该反应中产生的特殊的氩同位素会发生放射性衰变。因此我们很容易借此测量氩原子。别指望我们能发现太多氩原子。每隔一天，进行实验的物理学家只能数出1个氩原子。鉴于实验中用的氯原子数量超过了2·1030个，1个氩原子着实不算多。所以你看，计算中微子的数量的确不是一件容易的事。

我们使出浑身解数为原子计数，只为了证实太阳中微子模型。可我们并没有成功，只观测到了预期的来自太阳的中微子数量的三分之一。我们不由得立即产生了一个问题：这该怪谁呢？这事该怪去数中微子数量的实验者（如麦克斯韦），还是该怪计算中微子预期数量的理论家（如埃尔温）？

中微子怎么了？

理论家和实验者们都做出了努力，可最后他们得出了同样的结论：中微子一定是在从太阳到地球的途中消失了。于是，关于来自太阳的电子中微子是如何消失的，理论家们开始提出新的解释了。有一种相当晦涩的说法，那就是中微子可以振**。我们知道，中微子有三种类型：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。如果它们能相互转化呢？这就是振**理论的意思。让我们想一想这样的振**若是出现在日常生活中会有什么后果。想象一下，麦克斯韦在他的冰箱里装了20瓶他最喜欢喝的苹果汁。第二天，他发现冰箱里冒出来一瓶橙汁，他可从来没把这东西放进去过。几天后，他的苹果汁有半数都变成了橙汁。再过一段时间，冰箱里全是橙汁了。好吧，我们都知道冰箱里会发生类似的“魔法事件”，比如好端端的食物发了霉。虽然这没有什么特别之处，但麦克斯韦那些振**的橙汁不一样，它们会变回苹果汁！这种振**的特点是，它会一次又一次地重复。粒子的振**可以在量子力学的背景下进行数学解释；而且在量子力学中，粒子被描述成传播的波，不同中微子状态的波函数振**时，好似两个耦合的钟摆。

如果人们不只观察到了失踪的电子中微子，还能观察到来自同一方向的额外的μ子中微子，中微子振**就可以证实了。为了搞清楚这一点，人们必须进行更先进的实验。霍姆斯特克实验无法说明中微子到来的方向，但其他实验可以，如超级神冈中微子探测实验（参见“中微子”一节）。该实验使用了5万吨的水，很厉害吧？

超级神冈中微子探测实验确实能够证实中微子振**理论。随后，其他实验也相继展开。这些实验不仅关注从电子中微子到μ子中微子的振**，还证实了包括τ子中微子和所有相应反中微子的振**，而且其中大部分中微子还在测量阶段。

图29 位于上千米深地下的日本超级神冈中微子探测器，由东京大学建造，使用了5万吨的超纯水。 图像提供：东京大学宇宙射线研究所（ICRR）

中微子振**实验还是非常有趣的，因为我们可以通过测量三种中微子之间的振**确定中微子的质量。目前人们知道中微子是有质量的，也知道不同中微子之间的质量差异。但我们仍然缺少准确的数值。为此，我们需要研究不同类型的中微子。除太阳之外，其他强大的中微子源有核电站和粒子加速器。后者产生的是μ子中微子。许多实验对它们振**为τ子中微子的现象展开了研究，OPERA实验就是其中之一。该实验位于意大利中部的大萨索山，通过SPS粒子加速器接收μ子中微子。这个加速器位于约720公里外的CERN，靠近瑞士的日内瓦。当人们听到中微子要走720公里的路程时，往往会感到惊讶，询问中微子是否要通过一条很长的管道。但我们知道，中微子几乎不发生任何相互作用，因此它们其实直接穿过了CERN和大萨索山之间的土壤和岩石。

超越光速？

OPERA实验最了不起的成果，其实出自一个不怎么重要的附带测量项目。实验人员为了好玩，决定测量中微子的速度。他们已知中微子出发的时间，也知道它们要走多长距离才能在大萨索山被探测到；所以，他们可以立即计算出它们的速度。说到做到！然而2011年公布的计算结果……嗯……令人震惊。最后测得的速度比真空中的光速还高。如果爱因斯坦的狭义相对论是真的，我们绝对不可能得到这个结果。这意味着这个磐石般屹立了几十年的理论遇上大麻烦了。但物理学界并没有因此掀起革命。一方面，物理学家并非那种动不动就发动革命的人，除此之外，还有很多人都不相信OPERA实验的结果。就连参与OPERA实验的人员都并非全部相信该结果。于是，他们尽最大努力在所有的测量和计算中寻找错误。他们的所有时钟都必须同步到纳秒级的绝对精度。事实上他们也做到了这点。可他们还是没有发现任何错误。2012年3月，错误终于发现了，是一个微小的细节导致了计算错误。这个原因简单到你听了不知道该笑还是该哭，看看你能不能猜到：如果有人跟你说他的显示器打不开了，你问他的第一个问题会是什么？没错，你会问：“你插好电源了吗？”错误出在连接到计算机的一根光纤电缆上，它没有完全插入插座。实验用的光纤电缆与传统的铜线电缆不同，你需要真的让插头和插座之间紧密连接才行，因为哪怕你留下了一小点间隙，穿过光纤电缆的光都会溜出去。这就是人们没有立即意识到这一点的原因。该间隙引起了反射，从而导致光信号的飞行时间发生了变化，让人们在测量中微子速度时得到了错误的结果。所以你一定要记住：如果你想证明爱因斯坦是错的，请先检查你有没有插好电源。