中微子超光速實驗 將改寫人類時空觀(圖)
中微子超過光速,將改變現有物理學認識。(網路圖片)
2011年9月22日下午,義大利格蘭‧薩索國家實驗室的OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs的縮寫)項目組宣布,他們探測到的中微子速度超過了光速;11月19日,歐洲的一個物理學家小組通過實驗再次得到了相同的驚人結果——中微子的速度確實超越了光速。這意味著將顛覆支撐現代物理學的愛因斯坦相對論,如果光速真的被超越,那麼,時空觀將徹底改寫。
12月30日,《環球科學雜誌》刊登了曾任中國臺灣大學和中國科學技術大學客座教授,物理研究員李淼的文章。他說:如果光速真的被超越:時空觀或將徹底改寫。
英國《自然》雜誌網站9月22日報導,義大利格蘭薩索(GranSasso)國家實驗室下屬的一個名為OPERA的實驗裝置,接收了來自著名的歐洲核子研究中心的中微子,兩地相距730公里,中微子「跑」過這段距離的時間比光速還快了60納秒(1納秒等於十億分之一秒)。
並表示,他們反覆檢查了所有可能出現的誤差,但還是解釋不了中微子為何會比預計時間早到了約60納秒(中微子是從歐洲核子研究所發出,目的地是義大利格蘭‧薩索國家實驗室,兩地相距約730千米。通常來說,中微子應該和光同時到達),因此只得將測量結果公之於眾,希望整個物理學界幫助他們找出可能出現的錯誤。
一納秒是十億分之一秒,光速約為每秒30萬千米。一納秒內,光可以前進30厘米,由於中微子速度和光速差不多,因此中微子在60納秒內比光多跑了18米,說明中微子的速度比光速快了四萬分之一倍。這個相對增速並不大,但恰好在OPERA實驗可以探測到的範圍內。如果將數據統計和實驗儀器的不確定性加起來,OPERA實驗的誤差在10納秒左右,所以60納秒這個數字,絕不能簡單地用誤差來解釋。
回顧不可思議的實驗
OPERA實驗過程:首先,歐洲核子研究所的超級質子同步加速器產生出4,000億電子伏的質子流。這些質子經過一段管道後,擊中一塊長為兩米的石墨,產生κ介子和π介子,這些介子繼續前行一千米,在此過程中衰變成μ子和μ子型中微子。接著,所有這些粒子與一個鐵-石墨靶碰撞,除了中微子外,其它粒子都會被阻擋。
由於中微子能穿過任何物體,因此它們直接飛往格蘭‧薩索國家實驗室。同時,研究人員會測量μ子的數量,所得結果將和格蘭.薩索實驗室測量到的中微子數相比較。中微子從歐洲核子研究所到格蘭‧薩索實驗室的旅行都是在地殼中進行,距離是732千米。這個距離是用全球定位系統(GPS)來測量的,兩地時鐘也是通過這個系統來校準。
OPERA項目組稱,距離的測量誤差不會超過20厘米,時鐘的誤差也不超過10納秒。通過長達半年的數據分析,項目組終於宣布了驚人的初步結果。
把初步結果公布在學術論文網站arXiv後,OPERA項目組又要求歐洲核子研究所提供新的質子流,因為此前的質子流太長,這會引起不必要的誤差。新的質子流不到一米長,相當於光速運行3納秒的距離,遠短於60納秒,這就排除了最可能出現的誤差。進行了半個月的重複實驗後,研究人員探測到20個中微子,結果中微子的到達時間仍提前了62.1納秒。
同時,不同的研究人員還重新分析了此前的數據,得到的結果是,中微子的到達時間平均提前了57.8納秒,這與重複實驗的結果是吻合的。經過近兩個月的細心檢查和重複實驗,OPERA項目組把9月23日的那篇文章加長了10頁後,終於正式向學術期刊投稿了。
中微子超光速 挑戰愛因斯坦相對論
愛因斯坦1905年在狹義相對論中提出的「光速不可超越」的理論,一直被整個物理學界奉為聖經,這一理論構成了現代宇宙學和粒子物理學的基礎。
文章中指,測量光速是否變化的一個著名實驗是邁克爾遜-莫雷實驗。這個實驗很簡單,讓光從一個光源發出,經過兩個不同路徑後,到達同一個地方,然後發生干涉。
如果光速與方向有關,並與我們的運動速度有關,那麼當我們轉動邁克爾遜干涉儀,就會看到干涉條紋的移動,或當我們運動起來,也會看到干涉條紋的移動。我們知道,地球相對太陽運動,運動速度大約是每秒30千米,所以冬季和夏季地球有一個每秒60千米的相對運動速度。但在實驗中,科學家並沒有發現這個相對運動速度,也就是說光速與地球的運動無關。
19世紀末,邁克爾遜和莫雷所做的實驗得出了光速變化的範圍:不會超出每秒8千米,與30萬千米相比,不到三萬分之一。到了本世紀,光速的精確度已經達到10∼17。現在,光速已成為一個標準,被定義為每秒299,792,458米。又由於銫原子鐘非常精準,一天的誤差也不會超過一納秒,因而我們可以用光速和時間來定義距離。在OPERA實驗中,歐洲核子研究所到義大利格蘭.薩索實驗室的距離,就是通過全球定位系統利用光速來測量的。
不是說在相對論中,光速是一個不可超越的極限嗎?回答這個問題並不容易。原則上,相對論並沒有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被稱為快子,相對論告訴我們,快子的行為很古怪,速度越高,能量越低。這種古怪特性加上量子力學,使得人們認為快子不可能存在,因為量子力學允許快子不斷地輻射能量,在快子輻射能量之後,它的速度反而加快了。這個現象與不穩定性有關,也就是說,如果存在快子,那麼快子會使我們生活的空間很快發生爆炸。
在OPERA實驗中,超光速中微子並不簡單地意味著它們就是快子。事實上,項目組在4個不同的能量水平上測量了中微子的速度,結果發現中微子的速度是不變的,也就是說,在140億到400億電子伏這個能量範圍,中微子都超光速,而且超出的部分都大約為光速的四萬分之一。快子的能量和速度的關係肯定不是這樣的。另外,1987A超新星的中微子能量更低,速度也更低,這也和快子的行為矛盾。
那麼我們能得出什麼結論?因為快子是相對論允許的,而中微子不是快子,所以,儘管我們肯定光速不變,但相對論還是錯了;所以,如果一年後新的實驗驗證了OPERA實驗的結果,我們可以肯定地說,相對論必須修改!
OPERA實驗的另一個結果也非常奇特。過去三年中,研究人員在不同的季節統計了中微子速度,速度也與季節無關。也就是說,中微子速度雖然超出光速,但和光速類似,它與季節也就是與地球的運動無關。如果我們假定,一個理論中存在兩個不變的速度,這個理論中的時空將是特別怪異的。例如,我們可以利用光速不變定義距離,也可以用中微子速度不變定義距離,但在不同的參照系中,這樣定義出來的距離並不一致!這個例子說明,長度的定義不絕對。而比長度定義不絕對更令人驚駭的是,時間這個概念也不絕對了。
總之,中微子超光速的結論很可能經不起其它實驗的檢驗,但是,萬一通過了檢驗,我們的時空觀就將徹底改寫,物理學的基礎理論之一粒子物理也將改寫。甚至,愛因斯坦的另一個著名理論——萬有引力的時空彎曲理論同樣會改寫。
假如中微子超光速的實驗結果是正確的,一些物理學家猜測,在我們這個空間之外還存在其它未知的空間,這些中微子就是抄了其它空間的「近路」而「跑」得比光還快。有研究人員稱,如果中微子超光速,時空旅行將是可能的。中國古人講的「天上方一日,地上已千年」也就不是奇異的幻想。
中微子
中微子是輕子的一種,是組成自然界的最基本的粒子之一,中微子質量非常輕,小於電子的百萬分之一。中微子具有最強的穿透力。穿越地球直徑那麼厚的物質,在100億個中微子中只有一個會與物質發生反應,因此,中微子也被稱為宇宙間的「隱身人」。中微子在發射後不斷衰變,質量變得非常小,它是唯一在理論上可以以光速運行的粒子。
来源:大紀元
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