近日來最具轟動效應的新聞之一當屬十天前歐洲研究人員發布的中微子（neutrino）超光速的實驗結果，該實驗被稱作OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)。在實驗中中微子束由位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心發射出，然後被730公里外的意大利格蘭薩索國家實驗室的一套複雜的電子照相裝置檢測接受，該裝置重1800噸，位於地下1400米深處。在16,111次的試驗統計數據中研究人員發現中微子比光提前60納秒到達目的地（光所用的時間是用真空光速推算出來的），每秒鐘比光多“跑”6-7公里（1納秒等於一秒的10億分之一，或1x10的負9次方秒）。 試驗中速度的計算是用兩地距離與中微子穿過地殼飛行時間之比算得。距離的測量精度是20厘米，時間的測量精度是10納秒。如果按光速300,000公里/秒做一粗略計算，光僅需2.4毫秒就跑完730公里，由此可見該試驗對測量精度的要求之高。2.4毫秒和我們平常所說的“一眨眼”的瞬間是絕對不在一個數量級上的。 這是OPERA試驗論文中的中微子速度v與光速c差別之比的數據： 
由此可推算出中微子速度與光速之比：v / c = 1.0000248。在這兒借用論文中的距離數值也做個粗略計算： （距離730534.61m / 光速299,792,458m/s） – （距離730534.61m /中微子速度）= 60納秒。由此算式可得出中微子與光速之比是1.0000246，與上面比值很接近。 目前科學界對這一驚人發現持謹慎態度，如果一旦超光速粒子被驗證成真，它將顛覆支撐現代物理學的愛因斯坦的相對論，愛因斯坦認為真空光速是速度的極限，所以超光速的結果還需要更多的試驗室去重複驗證。在未來幾年內有條件重複這一試驗的試驗室是美國的費米實驗室和日本的神岡實驗室。人們將會拭目以待。目前有研究人員猜測，宇宙中可能有我們至今還未認識到的維度，中微子可能抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。 中微子屬於構成物質世界的最基本的12種粒子之列，中性不帶電，質量非常輕（小於電子的百萬分之一），以接近光速運動。中微子只參與非常微弱的弱相互作用，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，因此中微子的檢測非常困難，成為物理學界的“宇宙幽靈”。宇宙中充斥着大量的中微子，太陽發光（核聚變）時釋放出中微子，每秒鐘從人眼中穿過的中微子就有上億個。1930年奧地利科學家泡利在研究β衰變中的能量守恆時預測了中微子的存在，但直到1956年中微子才被美國的萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到，萊因斯獲1995年諾貝爾獎。 OPERA的中微子超光速試驗結果與1987年觀測到的SN1987A超新星爆發的研究結果是相互對立的。SN1987A超新星位於163,000光年外的大麥哲倫雲內，它的實際爆發時間是公元前161,000年，不過光線是在1987年抵達地球的。1987年2月23日格林威治時間10點35分，南半球的幾個天文台同時觀測到SN1987A超新星的爆發。消息公布後，幾個有大型地下探測裝置的實驗室立刻查閱了數據記錄，發現在當天格林威治時間7點35分左右總共捕獲了24個來自超新星的中微子（日本的神岡探測器探測到11個中微子，美國 IMB偵測器探測到8個，俄羅斯BAKSAN偵測器則有5個）。中微子比SN 1987A爆發的光線提前3小時來到地球，是因為中微子於超新星爆發時比可見光更早被發射出來，而不是中微子比光速快。（這是網上的詳細解釋：在星球內核引力坍縮的最初階段溫度激增至10^11攝氏度，高溫下質子與電子合成中子而放出大量中微子。該反應所產生的強大激波向外擴散，將星球外層物質加熱到幾十萬度而導致爆發，發出大量的光輻射。這三個小時的時差就是激波從核心傳到星球表面的時間）。如果按OPERA試驗結果推理，中微子應該比光提前好幾年到達地球，所以SN1987A超新星爆發的觀測結果是不支持中微子超光速這一結論的。OPERA試驗論文自己也提到了這一矛盾現象。 在這兒自己再做個粗略計算，按OPERA試驗中的中微子與光速比1.0000248則可推算SN1987A超新星的中微子應比光提前到達地球的年數 = 163000 – 163000/1.0000248 = 4.04 年。顯然4年和3小時在時間上是不一致的。 由於中微子的超強穿透力，中微子的探測裝置多在地下或海底千米深處，此時絕大部分宇宙射線都會被厚厚的地層屏蔽掉，觀測過程中的本底噪音就被大大減少了。譬如日本神岡的探測裝置在地下一公里深處廢棄的礦坑中設置了一個巨大水池，裝了5萬噸水，周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。當中微子通過這個水槽時，由於水中氫原子核的數目極其巨大，兩者發生撞擊的幾率相當高。碰撞發生時產生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，並通過轉換器變成數字信號送入計算機，供科學人員分析。當年領導神岡試驗室的日本科學家小柴昌俊獲得了2002年的諾貝爾獎，部分貢獻是因為首次截獲到超新星SN1987A爆炸釋放的中微子。 中微子在所有基本粒子中是人們目前發現最晚也認識最少的粒子。宇宙中充斥的大量的中微子大部分為宇宙大爆炸的殘留，因為中微子可以穿過大量的物質卻幾乎不發生任何反應，所以它可以提供關於宇宙的最可靠信息，研究中微子有助於人們探索遙遠宇宙的奧秘。也許這就是科學的魅力吧！它的魅力讓人無法抗拒，它吸引着人們不懈地去探索未知世界，隨着人們對中微子認識了解的逐步增多，這一“宇宙幽靈”的神秘面紗也將會被慢慢地揭開。
註：這是在網上找到的OPERA實驗論文原文:Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam（http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf）。該實驗有上千名科研人員參與，歷時數年，涉及許多不同的專業領域。論文中對中微子束的發射裝置、檢測裝置、距離的測量系統、時間的測量系統、數據處理、誤差分析等。。。都有詳盡介紹。（不過很多內容對我來說太深奧了，我只能看看熱鬧順便滿足一下好奇心罷了）。 |
