Opera試驗(yàn)結(jié)果稱中微子束的運(yùn)行速度似乎超越了光速，讓物理學(xué)再度進(jìn)入公眾關(guān)注的視野

    實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

    9月23日，整個(gè)物理學(xué)界的目光投向法國里昂核物理研究所的達(dá)里奧·奧蒂耶羅身上。當(dāng)時(shí)，奧蒂耶羅當(dāng)著一群心存懷疑的物理學(xué)家的面，介紹一個(gè)全新的“速度怪獸”——亞原子粒子微中子。根據(jù)他描述的最近進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，微中子的速度超過光速。1905年，愛因斯坦的相對論將光速定為宇宙速度極限。

    奧蒂耶羅的研究小組表示，日內(nèi)瓦歐洲核子研究組織（以下簡稱CERN）一臺粒子加速器發(fā)射的微中子以超過光速的速度抵達(dá)意大利格蘭薩索的一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，二者之間的距離為454英里（約合730公里）。計(jì)算結(jié)果顯示微中子的速度比光快60納秒（1納秒等于10億分之一秒）。奧蒂耶羅對CERN的物理學(xué)家表示：“我們無法用系統(tǒng)誤差解釋這一發(fā)現(xiàn)。測算結(jié)果表明微中子的速度超過光速?！?/P>

    據(jù)奧蒂耶羅透露，他的研究小組用了6個(gè)月時(shí)間試圖解釋微中子超光速的發(fā)現(xiàn)，但最終以無果告終。鑒于這一發(fā)現(xiàn)將撼動物理學(xué)的基石，試圖用任何理論解釋這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是一種不適當(dāng)?shù)淖龇āＫf：“今天，我們只是將這一異常發(fā)現(xiàn)告訴你們?！?/P>

    在愛因斯坦描繪的物理世界，光速是一切物質(zhì)的速度極限。超光速意味著時(shí)間旅行將成為一種可能，但這又是絕大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為的不可能之事。一個(gè)世紀(jì)以來，愛因斯坦的相對論一次又一次得到驗(yàn)證。已故康奈爾大學(xué)天文學(xué)家卡爾·薩根曾說過：“非凡的結(jié)論需要非凡的證據(jù)?！盋ERN理論家阿爾瓦羅·德·魯尤拉表示：“這是一項(xiàng)令人震驚的結(jié)論。我們應(yīng)該自問什么地方出現(xiàn)紕漏，這才是一種正確的態(tài)度?！?/P>

    實(shí)驗(yàn)介紹

    Opera實(shí)驗(yàn)，全稱是Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus（采用乳膠徑跡裝置的（中微子）振蕩項(xiàng)目），位于意大利Gran Sasso國家實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室位于地下1400米，以多個(gè)深地實(shí)驗(yàn)聞名于世。OPERA實(shí)驗(yàn)探測來自歐洲核子研究中心CERN的中微子，其物理目標(biāo)是直接尋找從繆中微子到陶中微子的振蕩。位于瑞士與法國邊境的CERN通過高能質(zhì)子打靶產(chǎn)生繆中微子束流，對準(zhǔn)730公里外的Gran Sasso。為了留下陶中微子出現(xiàn)的確鑿無疑的證據(jù)，實(shí)驗(yàn)采用了復(fù)古的核探測技術(shù)：乳膠照相。

    實(shí)驗(yàn)過程

    整個(gè)實(shí)驗(yàn)從CERN一座建筑內(nèi)的一罐氫氣開始。來自這個(gè)罐子的氫原子被剝離電子，成為裸質(zhì)子，而后借助一系列粒子加速器加速，最近進(jìn)入大型強(qiáng)子對撞機(jī)的主環(huán)。形象地說，大型強(qiáng)子對撞機(jī)就是所有這些粒子加速器的母親。在Opera實(shí)驗(yàn)中，一些質(zhì)子的能量狀態(tài)變成居間能量態(tài)，以10微秒脈沖的形式轟擊一個(gè)石墨目標(biāo)，產(chǎn)生脈沖介子。介子隨后衰變成微中子，微中子朝著格蘭薩索的方向消失在地球中，最后抵達(dá)格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室的微中子穿過鉛磚和照相乳劑。

    從理論上說，在這段用時(shí)幾毫秒的旅途中，一些微中子會從μ介子微中子變成τ介子微中子。Opera實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)就是研究這種形態(tài)變化。3年時(shí)間里，研究人員在探測器的幫助下記錄下大約1.6萬個(gè)微中子，但其中的τ介子微中子只有一個(gè)。伯爾尼大學(xué)的安東尼奧·埃雷迪塔托表示，測量微中子速度只是一個(gè)次要目的。他說：“我們希望發(fā)現(xiàn)一些τ介子微中子，以博得觀眾的掌聲?！?/P>

    業(yè)界反應(yīng)

    中微子會比光速還快，這個(gè)想法太不同尋常，連OPERA實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家也不敢貿(mào)然做出猜測?！拔覀儾蛔龀鋈魏尾聹y?！彼麄冊谝环萋暶髦斜硎尽?/P>

    然而，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，這可能是本世紀(jì)乃至現(xiàn)代物理學(xué)上最驚人的發(fā)現(xiàn)了?？茖W(xué)家的態(tài)度一貫相當(dāng)謹(jǐn)慎。他們在還未正式發(fā)表這篇研究論文之前，就把研究報(bào)告放在一份公開的論文網(wǎng)站上。“我們希望別的科學(xué)家能夠做出驗(yàn)證。”他們說。

    因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果潛在的巨大影響力，OPERA科學(xué)家還不同以往地專門開展了一場網(wǎng)絡(luò)直播，現(xiàn)場向歐洲核子中心的同行們和全球物理學(xué)界的科學(xué)家們講解自己的實(shí)驗(yàn)方法和過程。華裔科學(xué)家丁肇中在現(xiàn)場夸贊這個(gè)實(shí)驗(yàn)：“我想祝賀你們做出了一個(gè)極其美妙的實(shí)驗(yàn)”。

    事實(shí)上，歐洲核子研究中心的競爭對手、著名的美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室早在2007年就觀測到了類似的“中微子超光速”現(xiàn)象，但由于該實(shí)驗(yàn)對結(jié)果估算的誤差較大，導(dǎo)致可信度低。如今，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室打算重做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證超光速粒子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    不過，意大利科學(xué)家發(fā)布的數(shù)據(jù)是經(jīng)過三年的時(shí)間和15000次左右的計(jì)算融和的結(jié)論。目前類似實(shí)驗(yàn)很難在其他國家予以重復(fù)驗(yàn)證，日本的實(shí)驗(yàn)室遭受海嘯重創(chuàng)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室無法達(dá)到歐洲核子中心的實(shí)驗(yàn)精度。

    在眾多的發(fā)言中，沒有幾個(gè)物理學(xué)家真正相信，中微子會快過光速。

    “反方”陣營大部分來自理論物理學(xué)家，最權(quán)威的一個(gè)解釋來自于諾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家謝爾頓·格拉斯豪。他和他的同事在發(fā)表的論文中指出，如果中微子運(yùn)行速度快于光速，其反過來會制造出一種“虛粒子”，并同時(shí)奪走中微子的能量。假設(shè)中微子真的會以超光速飛行，它們喪失的能量也只會讓它們飛一會兒，不足以支撐到整個(gè)OPERA實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的距離。

    歐洲核子研究中心的理論物理學(xué)家吉恩·古戴斯也發(fā)表了一篇論文，支持格拉斯豪?！叭绻形⒆右猿馑亠w行，它會釋放出一些電子和質(zhì)子，從而喪失能量，這與OPERA探測的高能中微子結(jié)果相悖。

    另一個(gè)擋在OPERA實(shí)驗(yàn)結(jié)果前的坎兒，來自于一個(gè)20多年前的天文發(fā)現(xiàn)。1987年，天文學(xué)家在銀河系伴星系大麥哲倫星云觀測到一顆超新星爆發(fā)，并且探測到中微子數(shù)量突然增加。這是人類首次明確探測到來自銀河系外確定來源的中微子，也是迄今為止對中微子速度最準(zhǔn)確的測定。有科學(xué)家稱，那次發(fā)現(xiàn)的中微子源到地球的距離足有十幾萬光年。如果這次意大利的數(shù)據(jù)確為超光速現(xiàn)象，這些中微子就應(yīng)該比光提前好幾年抵達(dá)地球，而實(shí)際上它們只提前了三個(gè)小時(shí)。

    還有一些質(zhì)疑來自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用物理學(xué)家，他們尋找這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可能存在錯(cuò)誤的地方。一些論文指出，可能是原子鐘的同步出了問題，或者中微子束的尾部測量上出現(xiàn)差錯(cuò)。

    在另外一些提交的解釋論文中，一些人給出了新的答案。這些新見解，就更加前沿，更加科幻了。有一批人認(rèn)為，某些中微子可以在不同時(shí)空中跳來跳去，因此在實(shí)驗(yàn)中可能在不同維度中走了“捷徑”；有人認(rèn)為，中微子在穿越固體地球的時(shí)候，比穿越空間時(shí)飛得更快；有人認(rèn)為，中微子可能穿透了暗物質(zhì)，同時(shí)，光質(zhì)子則因?yàn)榕c暗物質(zhì)的反應(yīng)而變慢了；還有人認(rèn)為，中微子的速度在不同的方向和一天中不同的時(shí)間而發(fā)生變化。

    “現(xiàn)在說哪種理論更好，顯得過于冒失。”歐洲核子研究中心的理論物理學(xué)家約翰·埃利斯對媒體說，“他們可能都是錯(cuò)的，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果可能最終會蒸發(fā)?！?/P>

    不過，這些解釋還是有用的?！翱茖W(xué)定論最初來自實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但之后，就得靠理論物理學(xué)家們，就像打字機(jī)上的猴子一樣，一個(gè)個(gè)的猛擊各種可能?！?/P>

    背景知識

    中微子

中微子（Neutrino）又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號v表示。中微子不帶電，自旋為1/2，像中子一樣不帶電，質(zhì)量小于電子的百萬分之一。

中微子有3種類型，即電子中微子、μ中微子（繆中微子）和τ中微子（陶中微子）。它們可以通過振蕩從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型。

由于中微子既“中”又“微”，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此盡管中微子廣泛存在于宇宙中，包括太陽內(nèi)部、宇宙射線以及核反應(yīng)堆都能產(chǎn)生大量中微子，但難以被實(shí)驗(yàn)儀器捕捉和探測，被稱為宇宙間的“隱身人”。曾有科學(xué)家打比方說：“即便用我們整個(gè)太陽系那么大的一塊鉛，也不可能把一個(gè)宇宙中微子攔下?！?/P>

20世紀(jì)30年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子核在衰變前后的能量不一致。物理學(xué)家泡利對此提出假設(shè)，有種粒子“竊走了”能量。這一假說在1956年終被證實(shí)，這個(gè)竊走能量的“小偷”就是中微子。

中微子可以揭示宇宙質(zhì)量及浩瀚太空中各種星體的許多奧秘。這種粒子與宇宙發(fā)展和“暗物質(zhì)”的存在有直接關(guān)系，有可能成為人類打開新物理學(xué)之門的鑰匙。除理論研究外，中微子的特性還有可能被應(yīng)用于遠(yuǎn)程通訊、地球斷層掃描等領(lǐng)域。特別是中微子穿透力強(qiáng)、損耗少、難捕捉的特點(diǎn)，常在科幻作品中作為直穿地球甚至穿越宇宙實(shí)現(xiàn)星際通信的手段。

中微子是近年來物理研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。2002年，美國和日本物理學(xué)家因“宇宙中微子探測”方面的成就摘得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

狹義相對論

    相對論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦創(chuàng)立，分為狹義相對論（特殊相對論）和廣義相對論（一般相對論）。相對論的基本假設(shè)是光速不變原理，相對性原理和等效原理。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動的物體和微觀條件下的物體。

    相對論是本世紀(jì)初由愛因斯坦等在總結(jié)實(shí)驗(yàn)事實(shí)（如邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)）的基礎(chǔ)上所建立和發(fā)展。在這以前，人們根據(jù)經(jīng)典時(shí)空觀（集中表現(xiàn)為伽利略變換）解釋光的傳播等問題時(shí)，導(dǎo)致一系列尖銳的矛盾。相對論針對這些問題，建立了物理學(xué)中新的時(shí)空現(xiàn)和高速物體的運(yùn)動規(guī)律，對以后物理學(xué)的發(fā)展有重大作用。

    1905年9月和11月，愛因斯坦發(fā)表了兩部論文《論動體的電動力學(xué)》和《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》，狹義相對論（special relativity）從此誕生。狹義相對論的基本原理為：

    （1）在任何慣性參考系中，自然規(guī)律都相同，稱為相對性原理。

（2）在任何慣性系中，真空光速c都相同，即光速不變原理。

    其中第一條就是相對性原理，第二條是光速不變性。整個(gè)狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。由此得出時(shí)間和空間各量從一個(gè)慣性系變換到另一慣性系時(shí)，應(yīng)該滿足洛倫茲變換，而不是滿足伽利略變換。

    在狹義相對論提出以前，人們認(rèn)為時(shí)間和空間是各自獨(dú)立的絕對的存在。而愛因斯坦的相對論首次提出了時(shí)空的概念，它認(rèn)為時(shí)間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個(gè)它們的整體——時(shí)空，在時(shí)空中運(yùn)動的觀者可以建立“自己的”參照系，可以定義“自己的”時(shí)間和空間（即對四維時(shí)空做“3＋1分解”），而不同的觀者所定義的時(shí)間和空間可以是不同的。具體的來說，在閔氏時(shí)空中，而如果一個(gè)慣性觀者（G）相對于另一個(gè)慣性觀者（G'）在做勻速運(yùn)動，則他們所定義的時(shí)間（t與t'）和空間({x,y,z}與{x',y',z'})之間滿足洛倫茲變換。而在這一變換關(guān)系下就可以推導(dǎo)出“尺縮”、“鐘慢”等效應(yīng)。