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欧洲科学家曝新实验结果 再次证明中微子超光速

http://www.kexue.com 2011-11-21 13:45:31 新浪科技  发表评论
美国芝加哥附近的费米实验室Minos项目图示,该项目将有望提供对于欧洲实验结果的验证性结论
美国芝加哥附近的费米实验室Minos项目图示,该项目将有望提供对于欧洲实验结果的验证性结论
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)设备
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)设备

  北京时间11月21日消息,欧洲物理学家们现在有了更新的证据来证明亚原子粒子的运行速度确实超越了光速,如果实验得到进一步证实,将打破自爱因斯坦发布其相对论以来一直被整个物理学界奉为圣经的“光速不可超越”原则。

  他们早前于9月份发表的初步论文在全世界范围内引发了轩然大波和广泛的质疑。于是随后他们开始着手进行进一步的验证实验和分析,试图排除之前实验中可能存在的源误差。他们借以测量的目标是从位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)发出,飞行730公里抵达位于意大利格兰·萨索(Gran Sasso)附近的地下实验室的粒子束。

  达里奥·奥蒂罗(Dario Autiero)是格兰·萨索奥普拉(Opera)实验项目的负责人之一,他表示这篇发表于上周五的论文对先前的数据进行了重新分析,并排除了一些可能出现的误差。

  研究人员此次改变了之前的做法,以极短的脉冲发射出中微子,持续间隔仅有3纳秒,而非之前采用的更长的脉冲。这样做可以让物理学家们更精确地确定中微子的确切飞行时间。

  奥蒂罗说:“很多人对于我们的统计分析结果心存疑虑,而现在这种统计分析的误差已经微不足道了。”

  测量结果显示中微子从出发地抵达目的地所用的时间比它们以光速运行所需时间少了60纳秒。尽管这一速度仅比光速值高出大约百万分之二十,但即使是这样的超越也将颠覆整个物理学的基石。

  有待其他科学家独立实验验证

  他们打算明年进行更多的实验来进一步改进实验的精度。但是奥蒂罗本人和他的团队中160名来自全球各地的专家认为最终仍然应当由其他科学家团队在他处进行独立的验证试验才能最终判定这一结果的准确性,也只有这样才能最终打消人们的顾虑,从而赢得科学界的认同。

  其中主要的独立验证试验在芝加哥附近的美国费米实验室进行,这里一项名为“主注入器中微子振荡搜寻”(Minos)的实验中,同样有一束中微子流被射出,运行和欧洲的实验中相似的距离,并最终抵达设立在明尼苏达州的地下探测器。

  事实上早在2007年,Minos实验的科学家们便已经发现这些微粒的运行速度似乎超越了光速,但是他们没有引起重视,认为这一结论不具备统计显著性。

  乔·瓦尔丁(Joe Walding)是Minos项目科学家,他说:“我们现在重新回过头去审视我们当时的数据并尝试改进我们的系统。比如对我们的原子钟进行升级以便获得更高的时间精度。在接下来的4~5个月内我们就将有能力指出欧洲Opera实验的大方向是否是正确的,而在未来一年内我们就将有能力最终判定其实验结果是否是可靠的。”

  而与此同时,这样的结果让理论物理学家们开始了难熬的日子。他们现在正在努力思索,试图解释这种似乎有违光速极限定理的现象,比如他们提出这些中微子是否有可能穿过一些隐藏的额外空间维度而走了捷径?

  不过对于所有这些解释,Opera实验项目的科学家们则不愿过多参与。正如奥蒂罗所说的那样:“我们只想集中精力获得更多高质量的数据。”

  附:超光速问与答

  1、为什么科学家们认为光速是无法超越的?

  在20世纪初,伟大的物理学家爱因斯坦在物理学家麦克斯韦所做工作的基础上进一步发展,指出光速c是一个基本常量,也是任何物质都无法超越的最高速度值。在现实世界中,唯一能真正以光速运行的“物体”是光子,即组成光的“粒子”。它穿越真空时的速度为光速。

  爱因斯坦在狭义相对论中引入了光速概念,并指出不论观察者是谁,也不论观察者的参照系,物理学定律是处处相同的。为了兼容光速不变的基础,爱因斯坦不得不对牛顿运动定律进行修正,这样做的结果便是让时间和空间这样传统意义上的绝对量变成了可变量:一个物体运动的速度越快,它所经历的时间会变慢。狭义相对论还引出了爱因斯坦最著名的质能方程 E = mc2,首次指出质量与能量之间可以相互转换。

  2、“超光速中微子”这一发现的究竟有多重要?

  如果此前意大利加兰·萨索实验室的结果被证实是正确的,那么物理学家们将有理由认为狭义相对论事实上是错误的。这很棘手,因为爱因斯坦的这一理论已经经受了无数次检验并且都被证明是正确的。现在这一理论已经成了人类理解宇宙的基石。

  光速为常量这一点也构成了因果律的基础,即结果总是发生在原因之后。如果光速可以超越,那么因果律也将随之崩溃,整个物理学都将被迫推倒重写。

  3、那么意大利的物理学家们究竟是怎么做的呢?

  这是意大利加兰·萨索的OPERA设备项目组进行的工作,其目标旨在检测中微子振荡现象。但在实验中他们发现欧洲核子中心(CERN)从730公里外发出的中微子射束比他们预料的时间更早抵达了探测器。

  今年9月,欧洲的科学家称,按照理论预计这些中微子应当花费大约2.4毫秒的时间抵达探测器,但是在反复观察3年,对超过1.5万个中微子案例进行检测计时后,科学家们发现这些中微子比理论计算值“早到”了大约600亿分之一秒,误差为大约正负100亿分之一秒。

  光在真空中的传播速度为2,9979,2458米/秒,而根据计算,这些抵达探测器的中微子的运行速度达到2,9979,8454米/秒,这令人震惊。

  4、那究竟什么是中微子呢?

  中微子是一种电中性粒子,拥有质量但极小。它们和正常物质反应非常微弱,这一性质使得它们几乎难以被探测到,因而被赋予了“幽灵粒子”的称号。在你看这篇文章时,正有数百亿个中微子穿过你的眼睛。中微子可以在某些放射性衰变过程中产生,在原子或宇宙射线间的对撞中产生,或是在诸如太阳核心发生的热核聚变等过程中产生。

  5、现在有没有什么理论能解释这种诡异的现象呢?

  如果超光速中微子的实验结果被证实是正确的,那么你可能需要到物理学一些不太主流的角落去寻找可能的答案。其中有一个理论认为中微子可以穿越某种隐藏的维度,并借此走捷径。美国费米国家实验室的乔伊·林肯(Joe Lykken)告诉《纽约时报》的记者说:“爱因斯坦的狭义相对论只对平坦空间有效,因此如果真的存在某种‘卷曲’的第五维度,或许确实有可能光速在那片区域是不同的。”

  美国印第安纳大学教授阿兰·科斯泰勒基(Alan Kostelecky)曾在1985年提出中微子的运行速度可以超过光速,其方法是和一种未知的,隐藏在真空中的场发生相互作用。他告诉记者说:“在这样的大背景之下,光速并非一定是自然界的速度极限,而是很有可能中微子才是运动速度最快得,光紧随其后。”

  6、这是否意味着时间旅行将成为可能?

  先不要激动,我们还不可能一下子就跳到恐龙时代去旅行。尽管如果真的被证实粒子的运行速度可以超越光速,那么根据爱因斯坦的狭义相对论,时空旅行将是可能的。但是以我们目前的技术和材料科技而言,想把一个人送回过去,那还是遥遥无期的事情。

  物理学家们曾经设想过一种虚构的粒子,称为“速子”,它的运行速度快过光速,也因此能回到过去。但是即便是根据这种虚构的“速子”进行的模拟计算也显示,这样的粒子即使存在,也是无法和一般物质发生任何相互作用的。(晨风)

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