中微子超光速实验 将改写人类时空观(图)
中微子超过光速,将改变现有物理学认识。(网络图片)
2011年9月22日下午,意大利格兰‧萨索国家实验室的OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs的缩写)项目组宣布,他们探测到的中微子速度超过了光速;11月19日,欧洲的一个物理学家小组通过实验再次得到了相同的惊人结果——中微子的速度确实超越了光速。这意味着将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论,如果光速真的被超越,那么,时空观将彻底改写。
12月30日,《环球科学杂志》刊登了曾任中国台湾大学和中国科学技术大学客座教授,物理研究员李淼的文章。他说:如果光速真的被超越:时空观或将彻底改写。
英国《自然》杂志网站9月22日报导,意大利格兰萨索(GranSasso)国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置,接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子,两地相距730公里,中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。
并表示,他们反覆检查了所有可能出现的误差,但还是解释不了中微子为何会比预计时间早到了约60纳秒(中微子是从欧洲核子研究所发出,目的地是意大利格兰‧萨索国家实验室,两地相距约730千米。通常来说,中微子应该和光同时到达),因此只得将测量结果公之于众,希望整个物理学界帮助他们找出可能出现的错误。
一纳秒是十亿分之一秒,光速约为每秒30万千米。一纳秒内,光可以前进30厘米,由于中微子速度和光速差不多,因此中微子在60纳秒内比光多跑了18米,说明中微子的速度比光速快了四万分之一倍。这个相对增速并不大,但恰好在OPERA实验可以探测到的范围内。如果将数据统计和实验仪器的不确定性加起来,OPERA实验的误差在10纳秒左右,所以60纳秒这个数字,绝不能简单地用误差来解释。
回顾不可思议的实验
OPERA实验过程:首先,欧洲核子研究所的超级质子同步加速器产生出4,000亿电子伏的质子流。这些质子经过一段管道后,击中一块长为两米的石墨,产生κ介子和π介子,这些介子继续前行一千米,在此过程中衰变成μ子和μ子型中微子。接着,所有这些粒子与一个铁-石墨靶碰撞,除了中微子外,其它粒子都会被阻挡。
由于中微子能穿过任何物体,因此它们直接飞往格兰‧萨索国家实验室。同时,研究人员会测量μ子的数量,所得结果将和格兰.萨索实验室测量到的中微子数相比较。中微子从欧洲核子研究所到格兰‧萨索实验室的旅行都是在地壳中进行,距离是732千米。这个距离是用全球定位系统(GPS)来测量的,两地时钟也是通过这个系统来校准。
OPERA项目组称,距离的测量误差不会超过20厘米,时钟的误差也不超过10纳秒。通过长达半年的数据分析,项目组终于宣布了惊人的初步结果。
把初步结果公布在学术论文网站arXiv后,OPERA项目组又要求欧洲核子研究所提供新的质子流,因为此前的质子流太长,这会引起不必要的误差。新的质子流不到一米长,相当于光速运行3纳秒的距离,远短于60纳秒,这就排除了最可能出现的误差。进行了半个月的重复实验后,研究人员探测到20个中微子,结果中微子的到达时间仍提前了62.1纳秒。
同时,不同的研究人员还重新分析了此前的数据,得到的结果是,中微子的到达时间平均提前了57.8纳秒,这与重复实验的结果是吻合的。经过近两个月的细心检查和重复实验,OPERA项目组把9月23日的那篇文章加长了10页后,终于正式向学术期刊投稿了。
中微子超光速 挑战爱因斯坦相对论
爱因斯坦1905年在狭义相对论中提出的“光速不可超越”的理论,一直被整个物理学界奉为圣经,这一理论构成了现代宇宙学和粒子物理学的基础。
文章中指,测量光速是否变化的一个著名实验是迈克尔逊-莫雷实验。这个实验很简单,让光从一个光源发出,经过两个不同路径后,到达同一个地方,然后发生干涉。
如果光速与方向有关,并与我们的运动速度有关,那么当我们转动迈克尔逊干涉仪,就会看到干涉条纹的移动,或当我们运动起来,也会看到干涉条纹的移动。我们知道,地球相对太阳运动,运动速度大约是每秒30千米,所以冬季和夏季地球有一个每秒60千米的相对运动速度。但在实验中,科学家并没有发现这个相对运动速度,也就是说光速与地球的运动无关。
19世纪末,迈克尔逊和莫雷所做的实验得出了光速变化的范围:不会超出每秒8千米,与30万千米相比,不到三万分之一。到了本世纪,光速的精确度已经达到10~17。现在,光速已成为一个标准,被定义为每秒299,792,458米。又由于铯原子钟非常精准,一天的误差也不会超过一纳秒,因而我们可以用光速和时间来定义距离。在OPERA实验中,欧洲核子研究所到意大利格兰.萨索实验室的距离,就是通过全球定位系统利用光速来测量的。
不是说在相对论中,光速是一个不可超越的极限吗?回答这个问题并不容易。原则上,相对论并没有排除超越光速的可能。超光速的粒子通常被称为快子,相对论告诉我们,快子的行为很古怪,速度越高,能量越低。这种古怪特性加上量子力学,使得人们认为快子不可能存在,因为量子力学允许快子不断地辐射能量,在快子辐射能量之后,它的速度反而加快了。这个现象与不稳定性有关,也就是说,如果存在快子,那么快子会使我们生活的空间很快发生爆炸。
在OPERA实验中,超光速中微子并不简单地意味着它们就是快子。事实上,项目组在4个不同的能量水平上测量了中微子的速度,结果发现中微子的速度是不变的,也就是说,在140亿到400亿电子伏这个能量范围,中微子都超光速,而且超出的部份都大约为光速的四万分之一。快子的能量和速度的关系肯定不是这样的。另外,1987A超新星的中微子能量更低,速度也更低,这也和快子的行为矛盾。
那么我们能得出什么结论?因为快子是相对论允许的,而中微子不是快子,所以,尽管我们肯定光速不变,但相对论还是错了;所以,如果一年后新的实验验证了OPERA实验的结果,我们可以肯定地说,相对论必须修改!
OPERA实验的另一个结果也非常奇特。过去三年中,研究人员在不同的季节统计了中微子速度,速度也与季节无关。也就是说,中微子速度虽然超出光速,但和光速类似,它与季节也就是与地球的运动无关。如果我们假定,一个理论中存在两个不变的速度,这个理论中的时空将是特别怪异的。例如,我们可以利用光速不变定义距离,也可以用中微子速度不变定义距离,但在不同的参照系中,这样定义出来的距离并不一致!这个例子说明,长度的定义不绝对。而比长度定义不绝对更令人惊骇的是,时间这个概念也不绝对了。
总之,中微子超光速的结论很可能经不起其它实验的检验,但是,万一通过了检验,我们的时空观就将彻底改写,物理学的基础理论之一粒子物理也将改写。甚至,爱因斯坦的另一个著名理论——万有引力的时空弯曲理论同样会改写。
假如中微子超光速的实验结果是正确的,一些物理学家猜测,在我们这个空间之外还存在其它未知的空间,这些中微子就是抄了其它空间的“近路”而“跑”得比光还快。有研究人员称,如果中微子超光速,时空旅行将是可能的。中国古人讲的“天上方一日,地上已千年”也就不是奇异的幻想。
中微子
中微子是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,中微子质量非常轻,小于电子的百万分之一。中微子具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质,在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此,中微子也被称为宇宙间的“隐身人”。中微子在发射后不断衰变,质量变得非常小,它是唯一在理论上可以以光速运行的粒子。
来源:大纪元
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