中微子超光速

2012-03-24  红花绿叶园
中微子超光速
发布时间: 2011-10-14  |  
    9月23日,欧洲核子研究中心OPERA项目研究人员向媒体披露,他们在实验中观测发现中微子的速度超过光速。目前,物理学界对此仍以质疑态度为主。

本周全世界陷入一片争论,原因是一组科学家宣称他们探测到从CERN设备发出的中微子束的运行速度似乎超越了光速

    Opera试验结果称中微子束的运行速度似乎超越了光速,让物理学再度进入公众关注的视野

    实验发现

    9月23日,整个物理学界的目光投向法国里昂核物理研究所的达里奥·奥蒂耶罗身上。当时,奥蒂耶罗当着一群心存怀疑的物理学家的面,介绍一个全新的“速度怪兽”——亚原子粒子微中子。根据他描述的最近进行的一项实验,微中子的速度超过光速。1905年,爱因斯坦的相对论将光速定为宇宙速度极限。

    奥蒂耶罗的研究小组表示,日内瓦欧洲核子研究组织(以下简称CERN)一台粒子加速器发射的微中子以超过光速的速度抵达意大利格兰萨索的一个地下实验室,二者之间的距离为454英里(约合730公里)。计算结果显示微中子的速度比光快60纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)。奥蒂耶罗对CERN的物理学家表示:“我们无法用系统误差解释这一发现。测算结果表明微中子的速度超过光速。”

    据奥蒂耶罗透露,他的研究小组用了6个月时间试图解释微中子超光速的发现,但最终以无果告终。鉴于这一发现将撼动物理学的基石,试图用任何理论解释这一实验结果都是一种不适当的做法。他说:“今天,我们只是将这一异常发现告诉你们。”

    在爱因斯坦描绘的物理世界,光速是一切物质的速度极限。超光速意味着时间旅行将成为一种可能,但这又是绝大多数物理学家认为的不可能之事。一个世纪以来,爱因斯坦的相对论一次又一次得到验证。已故康奈尔大学天文学家卡尔·萨根曾说过:“非凡的结论需要非凡的证据。”CERN理论家阿尔瓦罗·德·鲁尤拉表示:“这是一项令人震惊的结论。我们应该自问什么地方出现纰漏,这才是一种正确的态度。”

    实验介绍

    Opera实验,全称是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus(采用乳胶径迹装置的(中微子)振荡项目),位于意大利Gran Sasso国家实验室。这个实验室位于地下1400米,以多个深地实验闻名于世。OPERA实验探测来自欧洲核子研究中心CERN的中微子,其物理目标是直接寻找从缪中微子到陶中微子的振荡。位于瑞士与法国边境的CERN通过高能质子打靶产生缪中微子束流,对准730公里外的Gran Sasso。为了留下陶中微子出现的确凿无疑的证据,实验采用了复古的核探测技术:乳胶照相。

    不过“超光速”这个副产品的测量原理非常简单:测量距离,测量时间,算出速度!实验的难点在于精确地测准距离和时间。距离是通过GPS测量的,误差是20厘米。这20厘米的误差还不是来自从瑞士到意大利的730公里,而是主要来自从进入地下实验室的高速公路隧道门口的GPS基准到探测器的10公里。时间也是通过GPS和铯原子钟测量,精度是2.3纳秒。

    实验过程

    整个实验从CERN一座建筑内的一罐氢气开始。来自这个罐子的氢原子被剥离电子,成为裸质子,而后借助一系列粒子加速器加速,最近进入大型强子对撞机的主环。形象地说,大型强子对撞机就是所有这些粒子加速器的母亲。在Opera实验中,一些质子的能量状态变成居间能量态,以10微秒脉冲的形式轰击一个石墨目标,产生脉冲介子。介子随后衰变成微中子,微中子朝着格兰萨索的方向消失在地球中,最后抵达格兰萨索实验室的微中子穿过铅砖和照相乳剂。

    从理论上说,在这段用时几毫秒的旅途中,一些微中子会从μ介子微中子变成τ介子微中子。Opera实验的目标就是研究这种形态变化。3年时间里,研究人员在探测器的帮助下记录下大约1.6万个微中子,但其中的τ介子微中子只有一个。伯尔尼大学的安东尼奥·埃雷迪塔托表示,测量微中子速度只是一个次要目的。他说:“我们希望发现一些τ介子微中子,以博得观众的掌声。”

    业界反应

    中微子会比光速还快,这个想法太不同寻常,连OPERA实验的科学家也不敢贸然做出猜测。“我们不做出任何猜测。”他们在一份声明中表示。

    然而,如果实验结果正确,这可能是本世纪乃至现代物理学上最惊人的发现了。科学家的态度一贯相当谨慎。他们在还未正式发表这篇研究论文之前,就把研究报告放在一份公开的论文网站上。“我们希望别的科学家能够做出验证。”他们说。

    因为这个结果潜在的巨大影响力,OPERA科学家还不同以往地专门开展了一场网络直播,现场向欧洲核子中心的同行们和全球物理学界的科学家们讲解自己的实验方法和过程。华裔科学家丁肇中在现场夸赞这个实验:“我想祝贺你们做出了一个极其美妙的实验”。

    事实上,欧洲核子研究中心的竞争对手、著名的美国费米实验室早在2007年就观测到了类似的“中微子超光速”现象,但由于该实验对结果估算的误差较大,导致可信度低。如今,费米实验室打算重做实验,验证超光速粒子的实验结果。

    不过,意大利科学家发布的数据是经过三年的时间和15000次左右的计算融和的结论。目前类似实验很难在其他国家予以重复验证,日本的实验室遭受海啸重创,费米实验室无法达到欧洲核子中心的实验精度。

    在众多的发言中,没有几个物理学家真正相信,中微子会快过光速。

    “反方”阵营大部分来自理论物理学家,最权威的一个解释来自于诺奖获得者、物理学家谢尔顿·格拉斯豪。他和他的同事在发表的论文中指出,如果中微子运行速度快于光速,其反过来会制造出一种“虚粒子”,并同时夺走中微子的能量。假设中微子真的会以超光速飞行,它们丧失的能量也只会让它们飞一会儿,不足以支撑到整个OPERA实验设计的距离。

    欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯也发表了一篇论文,支持格拉斯豪。“如果中微子以超光速飞行,它会释放出一些电子和质子,从而丧失能量,这与OPERA探测的高能中微子结果相悖。

    另一个挡在OPERA实验结果前的坎儿,来自于一个20多年前的天文发现。1987年,天文学家在银河系伴星系大麦哲伦星云观测到一颗超新星爆发,并且探测到中微子数量突然增加。这是人类首次明确探测到来自银河系外确定来源的中微子,也是迄今为止对中微子速度最准确的测定。有科学家称,那次发现的中微子源到地球的距离足有十几万光年。如果这次意大利的数据确为超光速现象,这些中微子就应该比光提前好几年抵达地球,而实际上它们只提前了三个小时。

    还有一些质疑来自设计实验的应用物理学家,他们寻找这个实验中可能存在错误的地方。一些论文指出,可能是原子钟的同步出了问题,或者中微子束的尾部测量上出现差错。

    在另外一些提交的解释论文中,一些人给出了新的答案。这些新见解,就更加前沿,更加科幻了。有一批人认为,某些中微子可以在不同时空中跳来跳去,因此在实验中可能在不同维度中走了“捷径”;有人认为,中微子在穿越固体地球的时候,比穿越空间时飞得更快;有人认为,中微子可能穿透了暗物质,同时,光质子则因为与暗物质的反应而变慢了;还有人认为,中微子的速度在不同的方向和一天中不同的时间而发生变化。

    “现在说哪种理论更好,显得过于冒失。”欧洲核子研究中心的理论物理学家约翰·埃利斯对媒体说,“他们可能都是错的,因为这个结果可能最终会蒸发。”

    不过,这些解释还是有用的。“科学定论最初来自实验结果,但之后,就得靠理论物理学家们,就像打字机上的猴子一样,一个个的猛击各种可能。”

 

    背景知识

    中微子

中微子(Neutrino)又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号v表示。中微子不带电,自旋为1/2,像中子一样不带电,质量小于电子的百万分之一。

中微子有3种类型,即电子中微子、μ中微子(缪中微子)和τ中微子(陶中微子)。它们可以通过振荡从一种类型转变成另一种类型。

由于中微子既“中”又“微”,几乎不与物质发生相互作用,因此尽管中微子广泛存在于宇宙中,包括太阳内部、宇宙射线以及核反应堆都能产生大量中微子,但难以被实验仪器捕捉和探测,被称为宇宙间的“隐身人”。曾有科学家打比方说:“即便用我们整个太阳系那么大的一块铅,也不可能把一个宇宙中微子拦下。”

20世纪30年代,科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。物理学家泡利对此提出假设,有种粒子“窃走了”能量。这一假说在1956年终被证实,这个窃走能量的“小偷”就是中微子。

中微子可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘。这种粒子与宇宙发展和“暗物质”的存在有直接关系,有可能成为人类打开新物理学之门的钥匙。除理论研究外,中微子的特性还有可能被应用于远程通讯、地球断层扫描等领域。特别是中微子穿透力强、损耗少、难捕捉的特点,常在科幻作品中作为直穿地球甚至穿越宇宙实现星际通信的手段。

中微子是近年来物理研究中的一个热点。2002年,美国和日本物理学家因“宇宙中微子探测”方面的成就摘得当年的诺贝尔物理学奖。

狭义相对论

    相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理,相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。

    相对论是本世纪初由爱因斯坦等在总结实验事实(如迈克尔逊-莫雷实验)的基础上所建立和发展。在这以前,人们根据经典时空观(集中表现为伽利略变换)解释光的传播等问题时,导致一系列尖锐的矛盾。相对论针对这些问题,建立了物理学中新的时空现和高速物体的运动规律,对以后物理学的发展有重大作用。

    1905年9月和11月,爱因斯坦发表了两部论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》,狭义相对论(special relativity)从此诞生。狭义相对论的基本原理为:

    (1)在任何惯性参考系中,自然规律都相同,称为相对性原理。

(2)在任何惯性系中,真空光速c都相同,即光速不变原理。

    其中第一条就是相对性原理,第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时,应该满足洛伦兹变换,而不是满足伽利略变换。

    在狭义相对论提出以前,人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在。而爱因斯坦的相对论首次提出了时空的概念,它认为时间和空间各自都不是绝对的,而绝对的是一个它们的整体——时空,在时空中运动的观者可以建立“自己的”参照系,可以定义“自己的”时间和空间(即对四维时空做“3+1分解”),而不同的观者所定义的时间和空间可以是不同的。具体的来说,在闵氏时空中,而如果一个惯性观者(G)相对于另一个惯性观者(G')在做匀速运动,则他们所定义的时间(t与t')和空间({x,y,z}与{x',y',z'})之间满足洛伦兹变换。而在这一变换关系下就可以推导出“尺缩”、“钟慢”等效应。

 

(科技日报)

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