何红建 清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授，“中国青年科技奖”和“国家杰出青年科学基金”获得者，博士生导师。
“中微子超光速”在实质上可以被认为是破坏了时空对称性(洛伦兹对称性)，从而违背狭义相对论。狭义相对论有两个基础：一个是相对性原理，一个是光速不变原理。这两个基础不是物理学家凭空想象出来的，而是已经隐含在描述电磁相互作用力的麦克斯韦方程之中，爱因斯坦的伟大贡献在于从中首次揭示了这两个原理，并由此建立了对电磁学与力学的统一描述——狭义相对论，其中麦克斯韦方程被完整保持，但牛顿力学却作为相对论的宏观低速近似而被修改。这个理论成功地经受了一百多年来所有实验的考验。
狭义相对论从本质上说是一种关于自然界时空对称性的理论。自然界除引力以外的三种基本相互作用力——电磁力、弱力和强力(核力)均遵从狭义相对论。它揭示了基本的时空对称性，称之为洛伦兹对称性。相对性原理的实质就是洛伦兹对称性的不变性，光速不变的实质就是光速成为洛伦兹对称性的最基本的不变量。描述自然界电、弱、强这三种基本力的理论被称为基本粒子物理学的“标准模型”，它非常成功，自上世纪50年代以来为奠定标准模型所颁发的诺贝尔物理奖已达17次。这个理论包含两大基本对称性：时空对称性(即洛伦兹对称性)和内部对称性(即规范对称性)。但是规范对称性在弱力中必须被破坏，而且必须被自发破缺(1999年和2008年诺贝尔物理奖)，弱规范对称性自发破缺的尺度由著名的费米常数GF决定，它带有质量量纲为-2，从其实验测定值就可直接推断出相应的能量尺度为100GeV—1000GeV范围(1GeV等于1千兆电子伏特)，因此导致弱规范对称性自发破缺的新粒子——希格斯粒子(或称“上帝粒子”)的质量必须位于此范围。目前正在欧洲核子中心运行的大型强子对撞机(LHC)的能量尺度完全覆盖100GeV—1000GeV范围，它预期将发现或排除这个“上帝粒子”。若此粒子被排除，标准模型将被一个新的革命性理论所修改。
如果超光速是真的，标准模型的另一个基本对称性——时空对称性(洛伦兹对称性)就会被破坏。那么，人们要问：洛伦兹对称性破坏预期的能量尺度究竟在哪里？标准模型自身无法提供这样一个尺度。但我们知道在牛顿万有引力定律中恰好有一个基本引力常数GN，其质量量纲也为-2，与费米常数GF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MP=1019GeV，在那里量子引力效应变得非常重要；不仅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，具体讲，就是E/MP压低，这里E是相关过程的能量。对于OPERA实验来说，E=17GeV，因此这个压低因子E/MP就小到10－18量级，远远小于OPERA实验声称的10－5量级的超光速效应。虽然我们不敢说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，理论家们绝对不会感到任何意外。
我想强调的是，半个多世纪以来，对于标准模型中狭义相对论的洛伦兹时空对称性的检验已经非常广泛而精确了，无数实验基于相对论框架做了大量测量，能量上从兆电子伏特(MeV)、到千亿电子伏特(100GeV)乃至目前的万亿电子伏特(1000GeV)尺度，结果仍然与狭义相对论完全符合。OPERA实验却声称在17GeV能量发现中微子超光速，而中微子不带电，只有弱作用，恰好是包括电子在内的所有高速运动的基本粒子中在实验上最难控制和测量的，因而也最易出错！为什么超光速只发生在中微子？也许中微子本身有神秘特性？其实中微子在相对论框架中可以被完满描述，并不神秘。目前我国大亚湾中微子实验正在进行测定其关键混合角θ13的重大研究。
从理论上讲，如果超光速是真的，不光狭义相对论，就连广义相对论也将面临相应的修改。要对整个现代理论物理体系进行如此庞大的修正而又要让这些更改符合之前所有支持相对论的无数实验证据是非常困难的。此外，已有理论计算表明：由显示洛伦兹破坏引起的超光速中微子在传播过程中将会发生衰变，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测量声称的那样简单。
我们理论家大多对此实验持严重怀疑，因为如我上面所述，没有任何理论上的可靠证据或者迹象表明在17GeV能量尺度洛伦兹对称性会遭到破坏，倒是恰恰相反，有很好的理由预期洛伦兹破坏应该发生在普朗克能标1019GeV区域。
历史经验表明，一般在理论上完全没有把握的时候，物理学家只能主要依靠实验；但在实验很容易出错而理论又是如此严密可信的地方，应该正是值得实验家们慎思和反省的时候。
很显然，现在来谈意大利这个实验对爱因斯坦理论的冲击还为时过早。这也正是OPERA实验组自己的态度，他们把文章预印本放到网上而没有正式投稿的一个主要目的，就是希望国际同行们能够帮助他们找错，并促进其他实验组进行独立检验。(本报记者 王小龙 整理)
