【经济学人】“光明”的中微子 运动速度超过光速

发布: | 发布时间:2011-09-26,星期一 | 阅读:2,021
译者: 参差博客 2011年09月25日 | 来源: The Economist

刘奕勍 译

中微子似乎总是令科学家们疑惑不解。首先,人们发现这种难以捉摸的粒子具有质量。理论家相信它和光子一样,在宇宙中含量丰富,但是几乎从不与任何物质发生反应。1998年,日本超级神冈探测器发现中微子具有静止质量,这一发现与粒子物理学的标准模型背道而驰。四十年来,标准模型一直粒子物理学中的重要规则,它预言中微子无静止质量。实验结果改写了这一预言。现在,世界主要粒子物理实验室——欧洲粒子物理研究所的研究人员们报告称,在他们的试验中,中微子似乎将改写一个更为重要的理论,那就是阿尔伯特•爱因斯坦的狭义相对论。因为他们实验发现,中微子的运动速度超过了光速。

欧洲粒子物理研究所OPERA实验的物理学家们从日内瓦市郊的研究所总部发射中微子束,经过地壳,传送至一个地底实验室。该地底实验室距意大利中部亚平宁山脉大萨索山730公里。他们利用了一些精密仪器和技术,例如高精度全球定位系统和原子钟,将测量的中微子运动距离精确至20厘米,运动时间精确至10纳秒(1纳秒即十亿分之一秒)。此次试验中,中微子抵达测量器的速度比光速快了60纳秒。也就是说,中微子运动速度比真空中的光速(299792458米/每秒)快了0.002%。

实验结果是根据三年间在大萨索山探测到的15000个中微子得出的,发表在网络数据库arXiv上。如果该结果站得住脚,狭义相对论将首次被打破。爱因斯坦提出的狭义相对论自1905年发表以来,经受住了实验的考验并一再被证实。狭义相对论提出,当物体速度增加,时间就会变慢;物体速度达到光速时,时间静止。也就是说,只要有物体的速度超过光速,那么就能引起时间倒流,回到过去。

中微子打破了狭义相对论,这一结果的确十分不可思议。更令人疑惑的是,1987年,对一颗超新星爆发所放射出的中微子的观测值显示,中微子在宇宙真空中的运动速度比光速慢。而且当时的测量精度比OPERA实验公布的精度高出四个数量级。这意味着在OPERA实验中,中微子有可能和物质发生了某些奇异的反应,才能超过光速,从而打破狭义相对论。

当然,也可能是实验中的时间测量环节出现了错误,尽管OPERA实验的研究人员已经尽力解释所有可能由仪器产生的误差。实验中的测时长链必须记录中微子在欧洲粒子物理研究所产生的时间(中微子由质子束撞击目标产生),以及在大萨索山被探测到的时间。但是,这个结果并非那么难以置信,因为在2007年美国进行的MINOS实验得到了同样异常的结果。当时,MINOS实验的研究人员没有采用这一结果,将其作为测量失误。不过,四年之后的实验在数据数量上是之前的十倍,计算精度也有所改进。有人提议将进一步实验命名为MINOS+,计划在2013年开始收集数据,有可能能够将运动时间精确至1纳秒以内。

致力于另一项中微子实验——日本T2K实验的科学家们下周将举行会议,OPERA实验的结果无疑将会成为会上的热点。T2K设施在今年三月的日本地震中受到损坏。在此之前的实验中,中微子超过光速的程度可能过于微小,而没有记录在数据中。而且,T2K实验的探测器距离中微子发射装置仅295公里,所以如果中微子速度真的超过光速,也只快了25纳秒。T2K实验有望于2012年再次开始记录数据。

如果日本和美国的科学家得到了同样的结果,物理学领域或将迎来自狭义相对论横空出世以来最伟大的革命。曾有好事者打趣一位名为Bright(光明)的夫人:某种意义上,她走了,然后在前一夜重新来临。也许到时我们也可以这样形容中微子。



 

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