电子发烧友网最新前沿技术精彩赏析（二）

　　电子发烧友网讯：一个优秀的技术工程师不可能只是沉浸于一个狭小的技术领域中闭门造车，足够优秀的工程师总是能在工程设计中运用发散思维整合各种最新科技或前沿技术，打开创意产品设计之门，为通往优秀工程师之路上积聚点滴技术精华而添砖加瓦。为供电子发烧友网工程师读者参考之需，电子发烧友网整合了令人拍案叫绝的《电子发烧友网最新前沿技术精彩赏析》系列绝对新科技文章，本文为第二期，后期还将陆续推出其他相关系列，敬请留意。
 

　　1、MIT研发电源转换效率达230%的LED技术

　　据美国媒体近日报导，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员通过一种插座转换设备使发光二极管（LED）能够比其消耗的电功率释放出更多光功率，电源转换效率可达到100%以上。

　　LED发光原理是将电能转换为光。目前，设计出既明亮又高效的LED灯的最大障碍之一，是增加LED灯的输出功率反而导致其效率下降。而麻省理工学院的研究人员解释说，他们的研究成果大大降低了外施的电压。根据计算，当电压减少到一半，输入功率降低了4倍，而发出的光功率与电压保持一致，也达到一半。换言之，当输出功率下降时LED发光率却在增加。

　　

　　在实验中，研究人员减少了LED的输入功率，仅30皮瓦，而测量到输出达69皮瓦的光量，效率高达230%。将相同的物理机制作用于任何LED，在外施电压作用下，电子和空穴有一定的概率产生光子。研究人员并没有像其他的研究一样试图增加这种概率，而是利用发生于设备里原子晶格的振动所散发的少量余热产生更多电力。

　　这种利用余热发光的过程可使LED稍微冷却，其操作类似一个热电冷却器。虽然在室温条件下，冷却不足以提供实用性的温度，但它有可能被用于设计不产生热量的灯。当作为热泵时，该设备可有助于固态冷却应用程式，甚至是发电机设备。

　　理论上，这个低压策略能够在低电压下产生任意高效的光子，研究人员希望该技术能提供一种新的测试节能极限电磁波通讯的方法。虽然在科学上这个方法很有趣，但其还不会立即促使超效率的LED商业化，因为示范项目仅能用很低的输入功率产生少量的光。

　　2、机器人绘制大脑图谱成功，类人脑计算机有望实现

　　机器人的存在使得人类基因组图谱有望在12年内完成绘制，但在机器人的协助下，由微软联合创始人Paul Allen赞助、上月底完成的大脑图谱项目只花了四年时间。麻省理工学院和乔治亚理工学院的研究人员现在希望利用机器人绘制大脑组成表和线路图，帮助 IBM这样的公司研发未来的感知计算机。

　　佐治亚理工学院工程教授Craig Forest表示：“通过机器人实现脑内活动自动测量以后，我们现在开始真正理解人脑的运作原理。想象一下，能够模拟脑内的任何细胞、记录它的反应以决定每种神经元的具体电子功能。再想象一下自动测量神经元之间的交流，比如学习过程中丘脑和大脑皮层之间的交流，或者手从热炉灶缩回时海马体和皮层之间的交流。”

　　过去三十年间，大脑科学的进展一直受需要手动方法锁定、记录神经元活动的限制。但新的机器人与智能计算机算法能够实现自动化，根据电子属性为神经元分类。研究人员有望完成大脑必备器官及其内联方法的类目，并据此打造未来的类人脑计算机。

　　发展顺利的佐治亚理工学院在读博士Suhasa Kodandaramaiah在Forest的实验室工作，与麻省理工教授Ed Boyden合作用机器臂在活体大脑里引导微管。该探测器以两微米的步距接近、触碰神经元，测量电阻抗。

　　和几乎每次都会在接触中致使神经元破裂的手动方法不同，机器人可以在伤害神经元之前立刻停止。紧接着开始吸气，然后将细小的电子探针插入、在动物依然存活时记录下它的正常电子活动。记录完成后，一组细胞基因构成样本可以被取出以分析哪种基因当前正被激活。研究人员将在大脑各区域重复此流程，以期获得大脑神经器官列表，包括它们的电子属性。接下来研究人员计划采用多尖端探针让机器人同时在多点测量电子活动，从而获得大脑不同区域交互的接线图。

　　
　　MIT和佐治亚理工学院发明了一种机械探针（中间）。它被用来创建大脑器官列表和接线图，以供芯片生产商模拟

　　Forest表示：“目前我们只在实验室动物身上进行过实验，但我们最终希望能将此技术用于人脑手术，以替代通过试错判断哪些神经元受损、需要移除。”

　　研究人员希望能够判断多种大脑病变的电子迹象，比如帕金森综合症、自闭症和癫痫。这不只是用来移除病变的神经元，还要帮助发现能够让神经元重归正常的药物。

　　研究人员还期望微芯片生产商能够使用他们的大脑器官表和接线图辅助类大脑的感知计算机项目，例如美国防务高级研究项目局（DARPA）的SyNAPSE（神经形态自适应塑料规模可控电子系统）。

　　这两所实验室希望新型机械探针方法能够用于AutoPatcher.org提供的自制设备，或者直接从Kodandaramaiah、Forest和Boyden成立的新公司Neuromatic Devices购买完整机器人解决方案。

　　项目研究资金来自美国国家卫生研究所（NIH）、国家科学基金会（NSF）以及麻省理工媒体实验室。项目的其他贡献者还包括麻省理工在读博士Giovanni Talei Franzesi以及麻省理工博士后Brian Chow。

　　3、MIT成功制造液态金属电池，可产生可再生能源

　　据国外媒体报导，美国麻州理工大学（MIT）教授DonaldSadoway及其学生团队，已经成功地制造了液态金属电池。在将来某一天，液态金属电池将可以产生像太阳能这样的可再生能源，并建造更可靠的电网。液态金属电池的构造其实很简单，两边为液态金属电极，中间夹着熔盐。

　　事实上，这一液态金属电池是“借助现有材料，创建更廉价产品”项目的产物。DonaldSadoway带领自己的学生团队参与了这一项目，并决定研发一块巨大的廉价电池。

　　“拥有一块巨大的电池，我们就可以解决间歇性问题，以现煤、气体和核所使用的方式，保护电网不受风、太阳的影响。”DonaldSadoway在今年年初时曾解释道。液态金属电池的第一个原型还没有镜头玻璃大，而最近的产品足有6英寸宽，电量存储容量上升了200倍。更大的电池，其工作效率最终可能会使太阳能电池板和风力涡轮机上的能量存储变得更容易。

　　

　　据悉，Sadoway和他的学生DavidBradwell近日已经成立了液态金属电池公司（LiquidMetalBatteryCorp），也许不久后，我们就能在市场上看到了。



 

　　4、石墨烯再曝“神奇材料”特质：可自我修复

　　石墨烯是曾给研究者带来诺贝尔奖的热门材料，它有着多种奇特性质。英国一项最新研究又发现，这种“神奇材料”还具有自我修复的能力。

　　

　　石墨烯是只有一层碳原子的世界上最薄的材料，英国曼彻斯特大学科学家诺沃肖洛夫和同事因为在世界上最早制成石墨烯而荣获2010年诺贝尔物理学奖，有他参与的一个研究小组在新一期英国《纳米通讯》杂志上报告了本次最新发现。

　　为进一步探索石墨烯在电学方面的特性，诺沃肖洛夫等人尝试让石墨烯薄层与金属不断接触，这个过程在石墨烯薄层上造成了许多孔洞。研究人员用电子显微镜观察这些孔洞发现，孔洞中可能会嵌入金属原子，但如果孔洞周围还存在额外的碳原子，这些碳原子会将金属原子“赶”出来，自己嵌入孔洞之中，并与石墨烯薄层中原有的碳原子相连接，使整个石墨烯薄层修复如初。

　　研究人员认为，这一现象说明石墨烯具有良好的自我修复能力，这将可以提高石墨烯的应用价值，进一步拓宽这种“神奇材料”展示身手的舞台。

　　5、“时间隐形斗篷”研发成功，40皮秒仅是开始

　　据英国每日邮报报道，在诸多科幻电影中曾出现时空穿越的故事，但现实生活中人们是无法穿越时间，让时间消失。然而，美国科学家使用一种非常先进的高科技技术，能够精确地做到这一点。

　　科学家现已研制出一种“暂时隐形”装置可以从视野中隐藏物体的活动过程，演示中通过加速和减速光束的不同部分，可隐藏物体的活动过程40皮秒。光束的不同部分之后反馈在一起，因此任何观测者不能探测到“隐藏时间段”所发生的事情。被隐藏的信息和活动过程不能被读取或者重建。

　　

　　科学家现研制一种“时间隐形斗篷”，能够从视觉上隐藏事件活动过程。现已示范通过加速和缓慢光束不同部分能够隐藏40皮秒的时间

　　迄今为止，这项技术仅能隐藏40皮秒的短暂时间。或许未来警察将无事可做，做恶的犯罪分子会巧妙地利用这项技术，将他们做案的过程从时间上隐藏消失。同时，这项技术还可应用于超级保密通信。科学家认为这项技术甚至能与近期改进的“光学隐形斗篷”结合在一起，从空间和时间上隐藏事物的活动过程。

　　美国纽约罗彻斯特大学的罗伯特-博伊德和施志敏（音译）指出，这就好像一个装置能够悄无声息地使一个物体处于隐形状态，研究人员目前证实这个系统能够在时间上将一个事件隐藏起来。由于空间和时间隐形斗篷能在不同物理尺度下（空间和时间）分别生效，没有根本的原因使这两项技术无法结合在一起，未来有望出现一个完全的空间-时间斗篷。

　　

　　如图，这是美国康乃尔大学提供的一张插图，科学家现已证实一种新型隐形技术，能够遮掩短暂时间内发生的事件整体经过

　　尽管如此，博伊德等研究人员现已证实首个单向暂时隐形装置可投入多项应用，例如：增强光导纤维系统的安全通讯。未来可增大物体的隐形时间，从微秒等级提高至毫秒等级，并建造一种装置能够在不同方向入射光线下实现同步操作。

　　科学家通过加速和减慢光束的不同部分，能够隐藏40皮秒的时间。从理论上进，在该时间空隙发生的任何事情都将隐形和无法探测，因此它并不存在于我们的时间感知能力。这项装置可以用于超级保密通信，或者在科幻情节中，甚至能够与光学隐形装置结合起来，在空间和时间内实现隐形。

　　这种隐形效应可通过使用分裂时间透镜，将光线分为较慢和较快“部分”，从而建立一个较小的时间间隙。不同于其他隐形装置的折射物体周围光线原理，这种时间隐形装置是使用特殊透镜压缩穿过光缆的光线，从而使光线分成加速部分和减缓部分。这一过程使光线分离，而另一个透镜则将分离的光线部分再次结合在一起，最终结果是光缆末端的光线未被改变，意味着两个透镜之间的空间并未发生任何事情。美国康乃尔大学莫蒂-弗雷德曼教授和同事称，从观测者角度，探测光束中隐藏着一个“时间洞”。他们指出，这项基于加速探测光束前端部分和减缓探测光束后端部分的实验，将建立一个在事件活动过程中充分受控的时间间隙，这个探测光束在实验中并未出现任何形式的改变。

　　之后这个探测光束通过逆向弥散控制存储在它的原始形态中，总的来讲，我们完成了第一个暂时隐形时间斗篷实验，在时间域中成功地隐藏了一个探测光束的活动过程。我们的实验结果表明现将向获得一种复杂时间和空间隐形斗篷迈出重要的一步，科学家现已发现通过扭曲电磁场和操控一定空间体积周围光线，来实现制造隐形斗篷的途径，最终在空间内的任何事物都将消失。

　　研究人员使用叫做光电调幅器的两个透镜建造这个时间隐形装置，他们发送一束光线穿过透镜，第一个透镜压缩光线，第二个透镜解压光线，从而在时间域上产生一个短暂的间隙或者洞，从时间上这个短暂间隙并未记录任何事件。对于人类肉眼，来自第二个时间透镜的光线处于不间断状态，就好像未被扭曲变形。

　　从本质上，当光线穿过两个透镜时，透镜之间将存在着一个空间-时间空隙，能够遮掩这一短暂时间内发生的事件。如果编码信息能够隐藏在这个时间间隙，则很难被解码，从而形成非常安全的保密通信信号。

　　另一方面，如果像这样的隐藏时间间隙能够脉冲式开启和关闭，则可以用于拦截未被记录的信号数据。研究人员在《自然》杂志撰文指出，未来此项技术有望突破隐形40皮秒的时间，或许未来这种时间隐形斗篷能够隐藏任何事物的活动过程。

　　6、英国新型锂电池储能效率达95%，大幅降低光伏系统成本

　　英国南安普敦大学（University of Southampton）和REAPsystems合作研究发现了一种新型锂电池，作为光伏系统的储能装置，储能效率可提高至95%，可大幅度降低太阳能发电成本。

　　目前的大部分光伏系统还采用铅酸电池作为储能装置，但相比而言，磷酸锂铁电池替换能充分发挥其优势，包括提高储能效率，延长使用寿命，降低单位成本等等。该 类型锂电池用作储能装置，可把能源效率提高至95%，远超过传统铅酸电池的80%，并且拥有1600次充放电使用寿命。

　　该项目由REAPsystems赞助，由MSc可持续能源技术院的学生岳武（Y***和他的主管Carlos Ponce de Leon博士，Tom Markvart教授，John Low博士领导。该项目特地研究使用锂电池作为光伏系统的储能装置。

　　学生岳武说，“铅酸电池是传统用于大多数光伏系统的储能装置。然而，作为储能装置，锂电池，特别是我们使用的LiFePO4电池，拥有更有利的特点。”

　　

　　这些数据的收集，需要连接磷酸锂铁电池（lithium iron phosphate battery）和光伏系统，光伏系统安装在大学的建筑物上，使用由REAPsystems提供的特别设计的电池管理系统。

　　岳补充说，“研究表明，这种锂电池有95％的能源效率，而目前常用的铅酸电池，只有80％左右。而锂电池的重量较轻，且有比铅酸电池更长的使用寿命。充放电次数能达到1600个周期，这意味着他们不需要经常更换。”

　　虽然在投入商业光伏发电系统之前，电池还需要进一步的测试。但研究已经表明，LiFePO4电池有望提高太阳能发电系统的效率，并有助于降低其安装和保养费用。Carlos Ponce de Leon博士和John Low 博士正计划和一群新的学生做进一步项目研究。

　　REAPsystems 的创始人和南安普敦大学的前研究员Dennis Doerffel博士说：“对于各种能源（可再生或不可再生），储能装置，如电池，在能源利用方面起着重要作用，与传统的铅酸电池相比，LiFePO4电 池具有更高的效率，更长的使用寿命，重量更轻，成本更小。我们有望能看到这种电池被广泛用于光伏系统用，以及其他可再生能源系统。”

　　7、微软人机交互模式颠覆出世，Kinect将具备读唇“神功”（图）

　　导语：科技网站TechCrunch 2月6日发表评论文章指出，微软正在开发颠覆性的人机交互模式，希望通过自然用户交互模式来帮助电子产品识别人类用户的各种动作表情，彻底改变传统的电脑输入输出模式。

　　

　　微软正努力将Kinect融入PC

　　以下为文章全文：

　　在西雅图的某个地方，微软研究实验室部门正投入一项创新研发中，希望彻底重塑人机互动方式。虽然该研究还未公开，研究仅停留在原型形式阶段，但该项工作毫无疑问正在大力推进过程中。

　　上周有消息显示微软正致力于将Kinect植入笔记本电脑上，之后还有可能引入到平板和手机中。此举不仅仅是让产品可以提高游戏体验，还使电子产品具有下一代的识别特性。 iPhone 开创了触摸式智能机的新时代，而微软正致力于开辟下一个新时代，那就是产品能够全方位感知用户的时代。

　　作为人类的一个个体，你如何体验周围的世界呢？通常是通过观察和听觉，还可以通过触觉、味觉、嗅觉感知环境。但目前的产品却被严重限制在极其有限的触觉识别性能中，它们为什么不能具有人类一样的识别性能呢？

　　这方面实际上有一个不错的理由，那就是电脑不需要像人类，因为电脑不是人类。多年来人们都是这样认为的。数十年来，电脑的主要作用即是安静地摆放在那里，从事人类无法完成的计算工作，与一部电脑展开的互动完全仅限于输入和输出。

　　但是手机、触摸屏和笔记本电脑的出现使人类开始改变对电脑的看法，电脑变得更人性化、交互式更强、更强调双向交流。科技的存在使电子产品变得更像人类。

　　交互颠覆

　　这与微软的想法不谋而合。尽管在科技发烧友心目中，微软只是一家平庸的大型科技公司，凭借1990年代末、21世纪初的PC大发展一跃而起，但是微软的研发部门却是世界一流的，一直致力于创新思想的构建及创新产品的研发。但要将创新思想转变成适应微软生态系统的产品并非易事，即使这不难，微软也不具备这样的天赋。

　　而致力于自然用户交互（NUI）方面的研发前景更广阔。人们通过游戏接受这种概念：Wii开创了这种模式，而 Kinect 将这种模式引入了家庭。虽然这种模式在应用中反应不太灵敏，音控表现欠佳，人们只是对能与内容和产品进行互动的新方式感到好奇。多年来，人们总是对互动兴趣不减，在互动实现方面做出了各种尝试，通常以科幻电影和电视的方式。

　　因此，人们需要互动，而微软想要实现创新的互动，微软也掌握着技术。收购Kinect知识产权是极其聪明的举动，可能比微软想到的更聪明。Wii先是创造了这个新的市场，随后这种模式迅速发展成为一种与电脑交互的全新形式，一种使微软在将来显得与众不同的新方式。

　　读唇“神功”

　　据报道，新型Kinect及深度红外传感器能读唇语。乍一听起来这种想法有些愚蠢，但为什么想到开发这种模式呢？也许是因为让电子产品在整个房间或在嘈杂的环境中都能更好地识读用户指令，这样用户不必关掉音乐也可在电视或平板电脑上搜索信息和浏览网页。

　　这足以看出，它只是产品所具有的整体感官系统的一部分。这些新型设备将具备面部及语音识别功能，因此设备只接受用户本人口述的密码输入，而不会接受其他人的密码口述。他们能在拥挤的人群中或嘈杂的环境中识别出用户，并能感知用户何时下达指令，因为他们能识别用户的眼神交流或唇语。这听起来似乎荒谬至极，但却是一种完全自然的方式。

　　这种模式的另一个特性是3D桌面，支持用户用手抓取文件并随意放置。这个功能以前曾试验过。当然，Windows 8正在研发二维显示性能，因此3D更可能是一项研究项目，但仍具有趣味性。试想你可能做的基本姿势。其中描述的一个姿势是拉开抽屉。在富有活力的文件和文件夹桌面中，下列哪种模式更加自然呢：是手掌向上展示任务列表，还是手指沿逆时针方向是取消操作，而顺时针则是下达重做指令？

　　用户体验反映了用户需求及设备能力。数年来，人们满足于用手指触摸玻璃屏幕发送电子信号的性能，主要是因为电容式屏幕性能好且便宜，没有人希望在手机里插入鼠标进行操作。但是，与新移动产品及信息交互的方式很多。很快，玻璃触摸屏将与命令行界面一样离我们越来越远。

　　然而，一些人无疑会想，目前一些命令行界面仍在使用。当然，鼠标与键盘便于提高生产率，笔和纸更利于于勾画想法，耳机便于在公共场所听音乐。虽然此类应用不计其数，但需要认识到的是，一种模式可能需要让路给新模式，或干脆就是这种模式已不再适用。

　　微软正在此方向努力研发，而苹果很可能并没有袖手旁观，只不过是没有公开相关信息而已。这次，苹果在这方面似乎错失了先机。微软在NUI领域抢先起步，至少两年来已经收购并研发了深度的个人传感器产品。虽然苹果在这方面完全有能力加大投入，但无疑微软已经发觉了这个先机，并将尽力维持这种先发优势。

　　8、RIM燃料电池专利可望突破移动设备续航能力瓶颈

　　虽然RIM最近少有新的产品推出，但是远在滑铁卢的RIM工程师们并没有停下手中的工作。最近在美国专利局又通过了一项RIM申请的专利，内容就是燃料电池。该技术试图将燃料电池引入移动设备，来帮助设备在续航方面有所改善和突破。

　　

　　电池放置的位置位于键盘与主板之间。专利说明原文如下：

　　A mobile device having： a keyboard; a printed circuit board having at least one contact responsive to the keyboard; and a fuel cell assembly having： a fuel cell located between the keyboard and the printed circuit board， the fuel cell having a membrane and at least one aperture corresponding with the at least one contact; a tank adapted to store a fuel for the fuel cell; and piping connecting the tank with the fuel cell， where the fuel cell ventilates through the keyboard. Alternatively， the fuel cell acts as the printed circuit board and at least one contact for the keyboard is printed onto the fuel cell.

　　据了解，燃料电池和锂离子（聚合物）电池的区别是，前者将化学能转为电能，需要补充反应物。

　　燃料电池（FuelCell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。简单地说就是利用化学反应电荷转移发电。这样应该就能解决容量问题，但问题是反应物的填充，就像需要加油站作支持一样，好处就是，用完补充就可以了。不用等待充电。

　　9、22纳米Ivy Bridge处理器芯片拆解分析

　　研究机构UBM TechInsights已着手进行英特尔最新一代处理器Ivy Bridge的拆解分析；该款芯片是英特尔首款采用22纳米工艺以及3D晶体管技术的产品，尚未正式上市。有一些媒体猜测，英特尔可能最快会在4月29日发表该款产品，也有传言指出，该芯片的上市时程可能会延迟至7月。

　　一位英特尔发言人表示，Ivy Bridge处理器“很快”就会正式发表，他补充：“我们从去年底开始就已经进行该芯片的生产。”他的意思应该是指该芯片样本，而UBM TechInsights已经取得了一颗在马来西亚封装，标记为3.3GHz Core i5-3550的Ivy Bridge处理器芯片，其裸晶面积尺寸为170mm2，小于目前Sandy Bridge i7 2600K处理器的208mm2。

　　在初步测试中，UBM TechInsights发现该处理器芯片内含栅极间距（gate pitch）为90纳米的嵌入式SRAM阵列，还发现栅极长度为22纳米的逻辑区块。半导体产业界大多认为，下一个重要工艺节点是28纳米；包括 Altera与Xilinx都已经推出28纳米工艺FPGA，AMD与高通（Qualcomm）也正在委托GlobalFoundries 、台积电等晶圆代工厂生产28纳米芯片。

　　英特尔的独特22纳米工艺技术是采用了又称为FinFET的3D晶体管，该种技术号称可降低漏电──这也是目前尖端工艺芯片最大的问题。其他芯片厂商也表示，他们将在次20纳米工艺采用类似的技术。

　　UBM TechInsights将于5月分两阶段公布对Ivy Bridge芯片的拆解报告，第一阶段将包含详细的逻辑架构分析，包括该芯片的制程技术、嵌入式存储器、逻辑栅与I/O晶体管，并有高分辨率的芯片内部图像；第二阶段的报告则将分析该款处理器的晶体管特性，包括其NMOS、PMOS晶体管的DC电气特性分析、栅极数据与沟道泄漏电流。

　　此外该报告还将显示在三个温度阶层的处理器性能测试结果；分析师将采用扫描与隧穿电子显微镜、扩展电阻测试（Spreading Resistance Profiling）以及X光等技术。以下先披露报告中的几张精彩图片：

　　
　　图为Ivy Bridge的隧穿电子显微镜断面图，可看到内部的3D晶体管

　　　　　　较上方的图片是Ivy Bridge的裸晶，下方则是Sandy Bridge i7 2600K

　　10、实验证明中微子超光速？爱因斯坦时代将会结束（图）

　　李淼是中国科学院理论物理研究所的研究员， 曾任中国***大学和中国科学技术大学客座教授。他主要研究量子场论、超弦理论以及宇宙学， 最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。

　　如果OPERA 实验的结果得到其他实验的验证，相对论，这个已经被检验了无数次的物理学基础之一将被动摇，后果和影响将是巨大的。

　　撰文李淼

　　2011 年9月22 日下午，意大利格兰· 萨索国家实验室的 OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs 的缩写）项目组宣布，他们探测到的中微子速度超过了光速，同时将一篇学术论文发布在著名学术论文网站arXiv 上。

　　

　　意大利格兰萨索国家实验室底下的中微子探测器。

　　在文章中，项目组谨慎地表示，他们反复检查了所有可能出现的误差，但还是解释不了中微子为何会比预计时间早到了约60 纳秒（中微子是从欧洲核子研究所发出，目的地是意大利格兰· 萨索国家实验室，两地相距约730 千米。通常来说，中微子应该和光同时到达），因此只得将测量结果公之于众，希望整个物理学界帮助他们找出可能出现的错误。

　　一纳秒是十亿分之一秒，光速约为每秒30 万千米。一纳秒内，光可以前进30 厘米，由于中微子速度和光速差不多，因此中微子在60 纳秒内比光多跑了18 米，说明中微子的速度比光速快了四万分之一倍。这个相对增速并不大，但恰好在OPERA 实验可以探测到的范围内。如果将数据统计和实验仪器的不确定性加起来，OPERA 实验的误差在10 纳秒左右，所以60 纳秒这个数字，绝不能简单地用误差来解释。

　　如果该结果得到验证，相对论，这个已被检验了无数次的物理学基础理论将被动摇，后果和影响将是巨大的。所以，物理学家在采取谨慎态度对待这个实验结果的同时，还怀着强烈的期待——不论这期待是什么。

　　不可思议的实验

　　我们来回顾一下OPERA 实验的过程。首先，欧洲核子研究所的超级质子同步加速器产生出4 000 亿电子伏的质子流。这些质子经过一段管道后，击中一块长为两米的石墨，产生κ介子和π介子，这些介子继续前行一千米，在此过程中衰变成μ子和μ子型中微子。接着，所有这些粒子与一个铁－石墨靶碰撞，除了中微子外，其他粒子都会被阻挡。

　　由于中微子能穿过任何物体，因此它们直接飞往格兰· 萨索国家实验室。同时，研究人员会测量μ子的数量，所得结果将和格兰· 萨索实验室测量到的中微子数相比较。中微子从欧洲核子研究所到格兰· 萨索实验室的旅行都是在地壳中进行，距离是732 千米。这个距离是用全球定位系统（GPS ）来测量的，两地时钟也是通过这个系统来校准。OPERA 项目组称，距离的测量误差不会超过20 厘米，时钟的误差也不超过10 纳秒。通过长达半年的数据分析，项目组终于宣布了惊人的初步结果。

　　把初步结果公布在arXiv 上之后，OPERA 项目组又要求欧 洲核子研究所提供新的质子流，因为此前的质子流太长，这会引起不必要的误差。新的质子流不到一米长，相当于光速运行 3纳秒的距离，远短于60 纳秒，这就排除了最可能出现的误差。进行了半个月的重复实验后，研究人员探测到20 个中微子，结果中微子的到达时间仍提前了62.1 纳秒。同时，不同的研究人员还重新分析了此前的数据，得到的结果是，中微子的到达时间平均提前了57.8 纳秒，这与重复实验的结果是吻合的。经过近两个月的细心检查和重复实验，OPERA 项目组把9月23 日的那篇文章加长了10 页后，终于正式向学术期刊投稿了。

　　质疑

　　尽管经过长时间的数据分析和重复实验，OPERA 项目组自认已经排除了所有可能出现的误差，但在学术界，大多数科学家仍对OPERA 实验持怀疑态度。要判断这个结果到底有多大可信度，我们首先要考虑它是否与以前的高能物理实验相矛盾。

　　在此之前，科学家就做过与中微子速度相关的实验。比如，美国费米实验室就曾做过这类实验，给能量在300 亿到2 000 亿电子伏之间的中微子定一个速度范围——不论低于还是超过光速，它们与光速的速度偏差都不应该超过两万五千分之一（也就是说，这是误差允许的范围）。这个范围与OPERA 实验并不矛盾，因为在该实验中，中微子的速度只超过光速四万分之一。不过在2007 年，费米实验室的一个研究组在实验中发现，30 亿电子伏的中微子的速度似乎比光速快了两万分之一倍，明显超出上述速度范围，但在当时，这个结果没有引起物理学界的重视，主要原因是误差太大，实际结果可能低于光速。

　　看上去直接与OPERA 实验相矛盾的，是在1987 年针对一颗超新星的观测实验。这颗超新星被命名为1987A ，当时，科学家观测到这颗距离我们近17 万光年的超新星的同时，也观测到了大约20 个中微子。比较光子和中微子到达地球的时间，研究人员得出的中微子的速度范围是，与光速的偏差不会超过五亿分之一，这远小于四万分之一，因此与意大利实验相矛盾。但是，该观测实验却与OPERA 实验有几个不同之处：第一，超新星辐射出的中微子中，绝大多数是反电子型中微子；第二，地球上探测到的中微子的能量只有1 000 万电子伏，远远小于 OPERA 实验探测到的中微子能量——后者的能量范围是140 亿到400 亿电子伏；最后，超新星发出的中微子绝大多数是在太空中旅行，而OPERA 的中微子则是在地壳中前行。因此，超新星观测实验与OPERA 实验的结果是否真的矛盾，还值得商榷。

　　在网上，9月23 日的那篇论文已经被引用160 多次，而引用该论文的文章，半数以上都是研究超光速中微子相关问题的。这些文章中，多数是用不同的理论来解释中微子的超光速现象，少数是质疑这个实验结果的。而在众多质疑的文章中，美国科学家安德鲁· 科恩（Andrew Cohen ）和1979 年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow ）的文章最引人注意（参见本期前沿扫描《超光速中微子》）。他们指出，根据弱相互作用理论，如果中微子的速度超过真空光速，中微子会辐射电子和正电子，损失能量。不论欧洲核子研究所发出的中微子起始能量有多大，到达格兰· 萨索的中微子的能量都不能超过125 亿电子伏，这显然与OPERA 的测量结果相矛盾。当然，在科恩和格拉肖的计算中，他们假设了中微子的能量与速度存在依赖关系，很多人认为，如果改变能量与速度的依赖关系，中微子也许就不会损失能量。但我们的计算发现，不论如何改变这种的依赖关系，中微子都不可避免地会损失很多能量。

　　为了规避“科恩－格拉肖问题”，有些极端的理论物理学家提出，超光速中微子如果发生弱相互作用，能量不再严格守恒，取而代之的是一种新的能量守恒定律。在这种新的守恒定律中，中微子的能量要乘以一个“破坏因子”，这样就彻底规避了“科恩－格拉肖问题”。这种观点看上去很有吸引力。

　　当然，更多的物理学家选择无视OPERA 实验的结果，例如 1979 年诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）说： “这个实验令人印象深刻，但更多的粒子并没有超光速，而涉及中微子的实验通常又极端困难。就像有人说，在花园深处有一些小仙女，但我们只能在漆黑和有浓雾的夜晚才能看到。”

　　我也在很多场合谈论过中微子超光速现象，但我也一直表示，这个结果正确的可能性并不高，即使OPERA 项目组做了重复实验后，我也没有彻底改变我的态度。因为如果这个不可思议的结果被证实，将会给物理学界带来一场“大地震”。

　　修改相对论？

　　很多人都知道，爱因斯坦相对论，特别是狭义相对论，是建立在光速不变基础上的。不论我们以什么速度匀速运动，我们测得的光速总是一样。另外，无论光源相对我们做什么运动，我们测得的光速也是一样。测量光速是否变化的一个著名实验是迈克尔逊－莫雷实验。这个实验很简单，让光从一个光源发出，经过两个不同路径后，到达同一个地方，然后发生干涉。

　　如果光速与方向有关，并与我们的运动速度有关，那么当我们转动迈克尔逊干涉仪，就会看到干涉条纹的移动，或当我们运动起来，也会看到干涉条纹的移动。我们知道，地球相对太阳运动，运动速度大约是每秒30 千米，所以冬季和夏季地球有一个每秒60 千米的相对运动速度。但在实验中，科学家并没有发现这个相对运动速度，也就是说光速与地球的运动无关。

　　19 世纪末，迈克尔逊和莫雷所做的实验得出了光速变化的范围：不会超出每秒8千米，与30 万千米相比，不到三万分之一。到了本世纪，光速的精确度已经达到10 -17 。现在，光速已成为一个标准，被定义为每秒299 792 458 米。又由于*原子钟非常精准，一天的误差也不会超过一纳秒，因而我们可以用光速和时间来定义距离。在OPERA 实验中，欧洲核子研究所到意大利格兰·萨索实验室的距离，就是通过全球定位系统利用光速来测量的。

　　因此，爱因斯坦并没有错，至少，光速是不变的。那么我们就会问，不是说在相对论中，光速是一个不可超越的极限吗？回答这个问题并不容易。原则上，相对论并没有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被称为快子，相对论告诉我们，快子的行为很古怪，速度越高，能量越低。这种古怪特性加上量子力学，使得人们认为快子不可能存在，因为量子力学允许快子不断地辐射能量，在快子辐射能量之后，它的速度反而加快了。这个现象与不稳定性有关，也就是说，如果存在快子，那么快子会使我们生活的空间很快发生爆炸。

　　在OPERA 实验中，超光速中微子并不简单地意味着它们就是快子。事实上，项目组在4个不同的能量水平上测量了中微子的速度，结果发现中微子的速度是不变的，也就是说，在140 亿到400 亿电子伏这个能量范围，中微子都超光速，而且超出的部分都大约为光速的四万分之一。快子的能量和速度的关系肯定不是这样的。另外，1987A 超新星的中微子能量更低，速度也更低，这也和快子的行为矛盾。

　　那么我们能得出什么结论？因为快子是相对论允许的，而中微子不是快子，所以，尽管我们肯定光速不变，但相对论还是错了；所以，如果一年后新的实验验证了OPERA 实验的结果，我们可以肯定地说，相对论必须修改！

　　OPERA 实验的另一个结果也非常奇特。过去三年中，研究人员在不同的季节统计了中微子速度，速度也与季节无关。也就是说，中微子速度虽然超出光速，但和光速类似，它与季节也就是与地球的运动无关。如果我们假定，一个理论中存在两个不变的速度，这个理论中的时空将是特别怪异的。例如，我们可以利用光速不变定义距离，也可以用中微子速度不变定义距离，但在不同的参照系中，这样定义出来的距离并不一致！这个例子说明，长度的定义不绝对。而比长度定义不绝对更令人惊骇的是，事件这个概念也不绝对了。

　　总之，中微子超光速的结论很可能经不起其他实验的检验，但是，万一通过了检验，我们的时空观就将彻底改写，物理学的基础理论之一粒子物理也将改写。甚至，爱因斯坦的另一个著名理论——万有引力的时空弯曲理论同样会改写。