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扩展阅读:“奥佩拉”项目

 

 

项目结论:中微子要比光子快60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)【已被证实为实验失误,系 电脑与全球定位系统(GPS)设备之间的光缆连接松动所致】

 

   意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目研究人员使用一套装置,接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束,发现中微子比光子提前60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)到达,即每秒钟多“跑”6公里。“我们感到震惊,”瑞士伯尔尼大学物理学家、“奥佩拉”项目发言人安东尼奥·伊拉蒂塔托说。2011年9月22日英国《自然》杂志网站报道了这一发现。研究人员定于23日向欧洲核子研究中心提交报告。据美国《科学》杂志网站报道,去年有关中微子比光跑得快的发现曾震惊科学界,但这个实验结果实际上是由于操作失误,电脑与全球定位系统(GPS)设备之间的光缆连接松动所致。

   相对论是现代物理学基础理论之一,认为任何物质在真空中的速度无法超过光速。这一最新发现可能推翻爱因斯坦的经典理论。欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·埃利斯评价:“如果这一结果是事实,那的确非同凡响”。法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体,这是“革命性”发现,一旦获得证实,“广义相对论狭义相对论都将打上问号”。他没有参与这一项目,然而查阅过实验数据。比内特吕说,这项实验中,中微子穿过各类物质,包括地壳,“这也许会减慢它们的速度,但绝不会增加它们的速度,让它们超过光速”。

 

有待检验

 

    这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战。2007年,美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果,但对实验的精确性存疑。

  “奥佩拉”项目发言人伊拉蒂塔托说,项目组充分相信实验结果,继而公开发表。“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方,却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查。”

   这一项目使用一套复杂的电子和照相装置,重1800吨,位于格兰萨索国家实验室地下1400米深处。项目研究人员说,这套接收装置与欧洲核子研究中心之间的距离精度为20厘米以内,测速精度为10纳秒以内。过去两年,他们观测到超过1.6万次“超光速”现象。依据这些数据,他们认定,实验结果达到六西格玛或六标准差,即确定正确。

   欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑。科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲。如果最新观测结果适用于所有中微子,这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球。然而,观测显示,这些中微子仅早到数小时。“这难以符合‘欧佩拉’项目观测结果,”埃利斯说。

   美国费米实验室中微子项目专家阿尔方斯·韦伯认为,“欧佩拉”实验“仍存在测量误差可能”。费米实验室女发言人珍妮·托马斯说,“欧佩拉”项目结果公布前,费米实验室研究人员就打算继续做更多精确实验,可能今后一年或两年开始。

   伊拉蒂塔托欢迎同行对实验数据提出怀疑,同样态度谨慎。他告诉路透社记者:“这一发现如此让人吃惊,以至于眼下所有人都需要非常慎重”。

   就韦伯而言,即使实验结果获得确认,相对论“仍是优秀理论”,只不过“需要做一些扩充或修正”。他说,艾萨克·牛顿的重力理论不完美,但并不妨碍人类借助它飞向太空。

 

更新后的检验

 

   9月份发布“中微子超光速”消息的机构是欧核中心(CERN)与大型中微子振荡实验(OPERA)项目组。实验发现,位于日内瓦边境的CERN发射出的中微子束,“翻山越岭”来到732公里外的意大利,在实验误差不超过10纳秒的情况下,中微子的行进速度竟比光快了58纳秒。 这一有可能颠覆当前物理学研究根基的结果震撼了整个学界,也招致了世界上绝大部分物理学家的集体质疑。在当初的各种疑问当中,科学家特别指出,整个实验开始时中微子被质子束产生所需的时间,都比完成实验行进距离后所耗费的时间要久得多。有鉴于此,欧核中心在10月份更换了设备,使中微子的生成时间缩短到了3纳秒,以此来更好地与到达意大利格兰萨索的中微子做比较。第二次重复性实验的结果表明,中微子依旧比光提前到达了62纳秒。这在与第一次实验结论完全吻合的同时,也否定了关于中微子脉冲的持续性与实验结果有关的猜测。

   11月17日,该研究团队再次发布报告称,已通过二次检验,获得了与第一次实验相同的结果,且以此排除了实验过程存在错误的可能性。该实验发言人、合作参与研究的瑞士伯尔尼大学安东尼奥·埃里蒂塔图博士表示,本次结果要“稍好点”。其他研究人员亦认为,本次在实验精确性、统计分析等多方面得到改进,且虽说都是OPERA的人,但却是由不同的小组来完成重复实验。

 

  图中左边为欧核中心,右边为格兰萨索

 

   据《纽约时报》在线版、《华盛顿邮报》在线版等多家媒体11月20日消息称,来自OPERA的研究人员当地时间17日发布了新产生的实验数据,再次确认了此前轰动一时的“中微子超光速”实验结果,且这是针对前一次的部分质疑进行了设备修正后再次实验得出的结论。不过,鉴于该实验的“原始”制造方和再次验证都是同机构中人,各地科学家们普遍希望能有独立实验予以复制分析,否则对理论的怀疑都是后话,因为对实验自身的怀疑尚还不能平息。

   这一结果给科学界带来了巨大困惑,因为这与爱因斯坦狭义相对论中光速是宇宙速度的极限,没有任何物质的速度可以超越光速的理论相悖。

   10月份,欧洲核子研究中心优化了实验方案并开始复核中微子超光速实验,最终“新的测量方法没有改变最初的结论”。但欧洲核子研究中心也表示,在中微子速度超越光速这一结论被驳倒或者被证实前,还需要进行更多的实验观察和独立测试。

 

物理学家解释

 

   北京时间10月18日消息,超光速中微子存在意味着爱因斯坦的推测是错误的。至少自从科研人员在意大利通过OPERA试验提出中微子比我们认为的早到60纳秒后,这就一直是一些非常受欢迎的新闻媒体喜欢谈论的话题。对这一异常结果非常感兴趣的科学家从此开始寻找更准确的答案。该消息宣布3周后,arxiv网站的预印版上粘贴出80多种解释。虽然一些人提出新物理学的可能性,例如中微子在额外维中穿行,或者特定能量的中微子的运行速度比光更快,但是很多人为这项试验提出创新性更少的解释。

   有关超光速的解释,最早出现的一个反对理由来自一项天体物理学研究。1987年,一颗强大的超新星产生的大量光和中微子涌向地球。虽然中微子探测器观察到这种微粒比光早到大约3小时,但是很有可能是这种超轻粒子先开始向地球方向飞来。中微子很难与物质产生互动,它相对比较容易从爆炸的恒星核里逃逸出来,而光子会被多种元素吸收并重新发射出来,它从恒星核里逃逸出来需要更长时间。如果OPERA试验得出的结果与观测结果一样,科学家认为中微子应该比光早到超过4年时间。

   其他科学家已经把这一超光速结果应用到采用标准物理模型的任务中,这种模型用来描述所有亚原子粒子以及它们之间的互动。据标准物理模型显示,能量足够高的中微子应该能够通过被称作科恩-格拉肖喷射(Cohen-Glashow emission)的过程产生虚拟电子对。正如诺贝尔奖得主格拉肖和他的同事们在一篇论文里的解释,这些喷射物将会逐渐耗尽超光速中微子产生的能量,导致它们的运行速度放慢下来。

   理论物理学家马特-施特拉斯勒也在他的博客上说,标准物理模型的特性表明,要让中微子的运行速度比光快,电子也要这样。但是如果电子中微子以OPERA试验提出的速度运行,那么电子至少也应该比光速快十亿分之一。很多试验已经确定电子的理论极限,这很好地排除了上述假设。OPERA科研组利用GPS卫星精确测量探测器与欧洲粒子物理研究所的粒子束之间的730公里的距离,该研究所正是产生中微子的地方。然而根据狭义相对论,如果两名观察员向彼此靠近,将会得出略微不同的结论。

   由于卫星是在围绕地球运行,中微子源和探测器的位置会不断发生变化。据该论文说,卫星运动会导致64纳秒的误差,几乎与OPERA科研组的观察结果接近。最终,物理学界还需要花费大量时间,并获得大量学术知识,才能为该科研组得出的结果提供真正的解释。在此之前,激烈的争论可能会一直持续下去。

 

质疑者的声音

 

   在OPERA实验结果发表后,除了科学家口头表达的看法外,几天内就出现了几十篇论文,探讨实验的结果。不少知名科学家包括诺贝尔奖获得者,都斩钉截铁地说,肯定是OPERA实验错了。

   从概率上来说,最大的可能性是这个实验本身有漏洞,只不过现在还没有被发现。有人指出了实验的几个测量环节有可能会出问题。诺贝尔奖获得者格拉肖发表论文,说明如果真的超了光速,中微子的能量会在地下飞行过程中损失,实验结果会自相矛盾。因此,当务之急是重复实验结果。诺贝尔奖获得者鲁比亚在参加北京诺贝尔奖论坛时表示,另外两个意大利中微子实验BOREXINO和ICARUS可以用来验证。美国MINOS实验也表示,他们会马上分析数据,给出一个初步结果,然后再改进测量设备,验证OPERA实验的结果。

   第二种可能是中微子具有特殊性质,这样相对论也是对的,这个实验结果也是对的。比如说,欧洲核子研究中心发出的中微子有可能振荡到一种惰性中微子,而惰性中微子可以在多维空间中“抄近路”,然后再振荡回普通中微子,这样看起来中微子就跑得比光快了。也有人认为中微子的质量不是固定的,与暗能量有关联,会随环境变化,这样在飞行过程中看起来比光速快。诸如此类的理论很多,不过这些理论本身就需要大量实验来证实。

   第三种可能就是相对论错了,光速是可以超过的。包含两次实验的具体内容的论文已经公布到互联网上供公众查阅,并已提交给《高能物理学》杂志。相对于9月份实验之后部分OPERA成员不愿在报告草案上署名并希望有更多时间进行检验的状况,埃里蒂塔图向新闻界表示,人们会在第二次实验报告上看到全体研究成员的签名。

   论文公布后,反对派的物理学家们指出,尽管回答了一些关于实验的质疑,但OPERA的报告依然回避了以下信息:日内瓦与格兰萨索的时间如何保持同步?两地之间的距离如何得到精确测量?夏威夷马诺大学的中微子物理学家约翰·莱纳德表示,尽管研究者的构想与努力独具创新,但该实验在时差测算中依然存在深层次的系统错误。与许多其他物理学家一样,莱纳德承认绝对可信的理论实际上并不存在。但他们看到了此事件的另外一面——关于中微子的研究正因为那种它所可能带来的深入、广泛的影响而愈具吸引力。而回到物理学理论上,即便该实验结论最终得到证实,那也“将是非常有趣的事”。

   欧核中心的理论物理学家阿尔瓦罗·卢居拉认为,中微子实验的结果只能有两种解释:其一,实验者尽管偶然但确实完成了一项革命性的伟大发现;其二,也是他自己选择相信的,是这两次实验都存在着相同的却没有被认识到的错误。

   目前,其他大部分物理学家对于这种颠覆规律的结论依旧持怀疑和保留态度。

   而《纽约时报》的报道在全文开篇就指出:尽管已有一小撮儿科学家开始敢于质疑爱因斯坦的经典理论,但OPERA的那些“魍魉粒子”目前仍缺乏解释。

 

中微子速度

 

   据著名期刊美国《科学》杂志网站报道,接近CERN实验者的消息来源透露,去年9月意大利实验室所作的中微子速度超光速结果终于有了解释:GPS信号接收器和PC之间的光缆没接好导致的系统误差造成了这一假象。

   此前已经有更多的研究人员站出来称这一与相对论矛盾的实验结果是由于某种还未发现的系统误差所导致,并且相对论在“发现”之后至今的近一百年间已经为多个实验所证实。这次正是如此:研究人员发现检查连接用来校正中微子飞行时间的GPS信号接收器和PC的光缆后,此前中微子比光速快60ns的实验结果就可得到解释。具体进展还需等待进一步证实以及发表正式文章之后。

   2012年6月8日,正在日本京都召开的国际中微子物理和天体物理学国际会议上,研究人员们向国际科学界报告了这项研究的最新进展情况。物理学家们宣布,之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误。世界上多个独立的研究小组进行的后续验证实验都已经证明,和所有其它事物一样,中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则。同时,欧洲核子研究中心的科学家们已经做出了澄清:之前的实验结果是错误的,实验设备的线缆接口出现问题导致了误差的发生。

 

 

 

资料来源:中国新闻网、中国科学院院网、百度名片、腾讯科技、新浪科技

 

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