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):如果光速真的被超越:時空觀或將徹底改寫

  如果OPERA 實驗的結果得到其他實驗的驗證,相對論,這個已經被檢驗瞭無數次的物理學基礎之一將被動搖,後果和影響將是巨大的。

  2011 年9月22 日下午,意大利格蘭· 薩索國傢實驗室的 OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparaturs 的縮寫)項目組宣佈,他們探測到的中微子速度超過瞭光速,同時將一篇學術論文發佈在著名學術論文網站arXiv 上。

  在文章中,項目組謹慎地表示,他們反復檢查瞭所有可能出現的誤差,但還是解釋不瞭中微子為何會比預計時間早到瞭約60 納秒(中微子是從歐洲核子研究所發出,目的地是意大利格蘭· 薩索國傢實驗室,兩地相距約730 千米。通常來說,中微子應該和光同時到達),因此隻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 納秒內比光多跑瞭18 米,說明中微子的速度比光速快瞭四萬分之一倍。這個相對增速並不大,但恰好在OPERA 實驗可以探測到的范圍內。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。

  如果該結果得到驗證,相對論,這個已被檢驗瞭無數次的物理學基礎理論將被動搖,後果和影響將是巨大的。所以,物理學傢在采取謹慎態度對待這個實驗結果的同時,還懷著強烈的期待——不論這期待是什麼。


  不可思議的實驗

  我們來回顧一下OPERA 實驗的過程。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,除瞭中微子外,其他粒子都會被阻擋。

  由於中微子能穿過任何物體,因此它們直接飛往格蘭· 薩索國傢實驗室。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,項目組終於宣佈瞭驚人的初步結果。

  把初步結果公佈在arXiv 上之後,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,這就排除瞭最可能出現的誤差。進行瞭半個月的重復實驗後,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瞭62.1 納秒。同時,不同的研究人員還重新分析瞭此前的數據,得到的結果是,中微子的到達時間平均提前瞭57.8 納秒,這與重復實驗的結果是吻合的。經過近兩個月的細心檢查和重復實驗,OPERA 項目組把9月23 日的那篇文章加長瞭10 頁後,終於正式向學術期刊投稿瞭。

  質疑

  盡管經過長時間的數據分析和重復實驗,OPERA 項目組自認已經排除瞭所有可能出現的誤差,但在學術界,大多數科學傢仍對OPERA 實驗持懷疑態度。要判斷這個結果到底有多大可信度,我們首先要考慮它是否與以前的高能物理實驗相矛盾。

  在此之前,科學傢就做過與中微子速度相關的實驗。比如,美國費米實驗室就曾做過這類實驗,給能量在300 億到2 000 億電子伏之間的中微子定一個速度范圍——不論低於還是超過光速,它們與光速的速度偏差都不應該超過兩萬五千分之一(也就是說,這是誤差允許的范圍)。這個范圍與OPERA 實驗並不矛盾,因為在該實驗中,中微子的速度隻超過光速四萬分之一。不過在2007 年,費米實驗室的一個研究組在實驗中發現,30 億電子伏的中微子的速度似乎比光速快瞭兩萬分之一倍,明顯超出上述速度范圍,但在當時,這個結果沒有引起物理學界的重視,主要原因是誤差太大,實際結果可能低於光速。

  看上去直接與OPERA 實驗相矛盾的,是在1987 年針對一顆超新星的觀測實驗。這顆超新星被命名為1987A ,當時,科學傢觀測到這顆距離我們近17 萬光年的超新星的同時,也觀測到瞭大約20 個中微子。比較光子和中微子到達地球的時間,研究人員得出的中微子的速度范圍是,與光速的偏差不會超過五億分之一,這遠小於四萬分之一,因此與意大利實驗相矛盾。但是,該觀測實驗卻與OPERA 實驗有幾個不同之處:第一,超新星輻射出的中微子中,絕大多數是反電子型中微子;第二,地球上探測到的中微子的能量隻有1 000 萬電子伏,遠遠小於 OPERA 實驗探測到的中微子能量——後者的能量范圍是140 億到400 億電子伏;最後,超新星發出的中微子絕大多數是在太空中旅行,而OPERA 的中微子則是在地殼中前行。因此,超新星觀測實驗與OPERA 實驗的結果是否真的矛盾,還值得商榷。

  在網上,9月23 日的那篇論文已經被引用160 多次,而引用該論文的文章,半數以上都是研究超光速中微子相關問題的。這些文章中,多數是用不同的理論來解釋中微子的超光速現象,少數是質疑這個實驗結果的。而在眾多質疑的文章中,美國科學傢安德魯· 科恩(Andrew Cohen )和1979 年諾貝爾物理學獎得主謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow )的文章最引人註意(參見本期前沿掃描《超光速中微子》)。他們指出,根據弱相互作用理論,如果中微子的速度超過真空光速,中微子會輻射電子和正電子,損失能量。不論歐洲核子研究所發出的中微子起始能量有多大,到達格蘭· 薩索的中微子的能量都不能超過125 億電子伏,這顯然與OPERA 的測量結果相矛盾。當然,在科恩和格拉肖的計算中,他們假設瞭中微子的能量與速度存在依賴關系,很多人認為,如果改變能量與速度的依賴關系,中微子也許就不會損失能量。但我們的計算發現,不論如何改變這種的依賴關系,中微子都不可避免地會損失很多能量。

  為瞭規避“科恩-格拉肖問題”,有些極端的理論物理學傢提出,超光速中微子如果發生弱相互作用,能量不再嚴格守恒,取而代之的是一種新的能量守恒定律。在這種新的守恒定律中,中微子的能量要乘以一個“破壞因子”,這樣就徹底規避瞭“科恩-格拉肖問題”。這種觀點看上去很有吸引力。

  當然,更多的物理學傢選擇無視OPERA 實驗的結果,例如 1979 年諾貝爾物理學獎得主史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)說: “這個實驗令人印象深刻,但更多的粒子並沒有超光速,而涉及中微子的實驗通常又極端困難。就像有人說,在花園深處有一些小仙女,但我們隻能在漆黑和有濃霧的夜晚才能看到。”

  我也在很多場合談論過中微子超光速現象,但我也一直表示,這個結果正確的可能性並不高,即使OPERA 項目組做瞭重復實驗後,我也沒有徹底改變我的態度。因為如果這個不可思議的結果被證實,將會給物理學界帶來一場“大地震”。

  修改相對論?

  很多人都知道,愛因斯坦相對論,特別是狹義相對論,是建立在光速不變基礎上的。不論我們以什麼速度勻速運動,我們測得的光速總是一樣。另外,無論光源相對我們做什麼運動,我們測得的光速也是一樣。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,然後發生幹涉。

  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幹涉儀,就會看到幹涉條紋的移動,或當我們運動起來,也會看到幹涉條紋的移動。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,科學傢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瞭光速變化的范圍:不會超出每秒8千米,與30 萬千米相比,不到三萬分之一。到瞭本世紀,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,歐洲核子研究所到意大利格蘭·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。

  因此,愛因斯坦並沒有錯,至少,光速是不變的。那麼我們就會問,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,它的速度反而加快瞭。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瞭中微子的速度,結果發現中微子的速度是不變的,也就是說,在140 億到400 億電子伏這個能量范圍,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系肯定不是這樣的。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,盡管我們肯定光速不變,但相對論還是錯瞭;所以,如果一年後新的實驗驗證瞭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瞭中微子速度,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,事件這個概念也不絕對瞭。

  總之,中微子超光速的結論很可能經不起其他實驗的檢驗,但是,萬一通過瞭檢驗,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。

  作者簡介:李淼是中國科學院理論物理研究所的研究員, 曾任中國臺灣大學和中國科學技術大學客座教授。他主要研究量子場論、超弦理論以及宇宙學, 最近致力於研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙學以及暗能量。



Orignal From: 如果光速真的被超越:時空觀或將徹底改寫

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