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宇宙幽灵 ——“超光速”的中微子 2011-10-03 11:39:32

近日来最具轰动效应的新闻之一当属十天前欧洲研究人员发布的中微子(neutrino)超光速的实验结果,该实验被称作OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)。在实验中中微子束由位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心发射出,然后被730公里外的意大利格兰萨索国家实验室的一套复杂的电子照相装置检测接受,该装置重1800吨,位于地下1400米深处。在16,111次的试验统计数据中研究人员发现中微子比光提前60纳秒到达目的地(光所用的时间是用真空光速推算出来的),每秒钟比光多“跑”6-7公里(1纳秒等于一秒的10亿分之一,或1x10的负9次方秒)。

 

试验中速度的计算是用两地距离与中微子穿过地壳飞行时间之比算得。距离的测量精度是20厘米,时间的测量精度是10纳秒。如果按光速300,000公里/秒做一粗略计算,光仅需2.4毫秒就跑完730公里,由此可见该试验对测量精度的要求之高。2.4毫秒和我们平常所说的“一眨眼”的瞬间是绝对不在一个数量级上的。

 

这是OPERA试验论文中的中微子速度v与光速c差别之比的数据:

由此可推算出中微子速度与光速之比:v / c = 1.0000248。在这儿借用论文中的距离数值也做个粗略计算:

(距离730534.61m / 光速299,792,458m/s(距离730534.61m /中微子速度)= 60纳秒。由此算式可得出中微子与光速之比是1.0000246,与上面比值很接近。

 

目前科学界对这一惊人发现持谨慎态度,如果一旦超光速粒子被验证成真,它将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦的相对论,爱因斯坦认为真空光速是速度的极限,所以超光速的结果还需要更多的试验室去重复验证。在未来几年内有条件重复这一试验的试验室是美国的费米实验室和日本的神冈实验室。人们将会拭目以待。目前有研究人员猜测,宇宙中可能有我们至今还未认识到的维度,中微子可能抄了其他维度的“近路”,才“跑”得比光快。

 

中微子属于构成物质世界的最基本的12种粒子之列,中性不带电,质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动。中微子只参与非常微弱的弱相互作用,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,因此中微子的检测非常困难,成为物理学界的“宇宙幽灵”。宇宙中充斥着大量的中微子,太阳发光(核聚变)时释放出中微子,每秒钟从人眼中穿过的中微子就有上亿个。1930年奥地利科学家泡利在研究β衰变中的能量守恒时预测了中微子的存在,但直到1956年中微子才被美国的莱因斯和柯万在实验中直接观测到,莱因斯获1995年诺贝尔奖。

 

OPERA的中微子超光速试验结果与1987年观测到的SN1987A超新星爆发的研究结果是相互对立的。SN1987A超新星位于163,000光年外的大麦哲伦云内,它的实际爆发时间是公元前161,000年,不过光线是在1987年抵达地球的。1987223日格林威治时间1035分,南半球的几个天文台同时观测到SN1987A超新星的爆发。消息公布后,几个有大型地下探测装置的实验室立刻查阅了数据记录,发现在当天格林威治时间735分左右总共捕获了24个来自超新星的中微子(日本的神冈探测器探测到11个中微子,美国 IMB侦测器探测到8个,俄罗斯BAKSAN侦测器则有5个)。中微子比SN 1987A爆发的光线提前3小时来到地球,是因为中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来,而不是中微子比光速快。(这是网上的详细解释:在星球内核引力坍缩的最初阶段温度激增至10^11摄氏度,高温下质子与电子合成中子而放出大量中微子。该反应所产生的强大激波向外扩散,将星球外层物质加热到几十万度而导致爆发,发出大量的光辐射。这三个小时的时差就是激波从核心传到星球表面的时间)。如果按OPERA试验结果推理,中微子应该比光提前好几年到达地球,所以SN1987A超新星爆发的观测结果是不支持中微子超光速这一结论的。OPERA试验论文自己也提到了这一矛盾现象。

 

在这儿自己再做个粗略计算,按OPERA试验中的中微子与光速比1.0000248则可推算SN1987A超新星的中微子应比光提前到达地球的年数 = 163000 – 163000/1.0000248 = 4.04 年。显然4年和3小时在时间上是不一致的。

 

由于中微子的超强穿透力,中微子的探测装置多在地下或海底千米深处,此时绝大部分宇宙射线都会被厚厚的地层屏蔽掉,观测过程中的本底噪音就被大大减少了。譬如日本神冈的探测装置在地下一公里深处废弃的矿坑中设置了一个巨大水池,装了5万吨水,周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时,由于水中氢原子核的数目极其巨大,两者发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大,并通过转换器变成数字信号送入计算机,供科学人员分析。当年领导神冈试验室的日本科学家小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖,部分贡献是因为首次截获到超新星SN1987A爆炸释放的中微子。

 

中微子在所有基本粒子中是人们目前发现最晚也认识最少的粒子。宇宙中充斥的大量的中微子大部分为宇宙大爆炸的残留,因为中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应,所以它可以提供关于宇宙的最可靠信息,研究中微子有助于人们探索遥远宇宙的奥秘。也许这就是科学的魅力吧!它的魅力让人无法抗拒,它吸引着人们不懈地去探索未知世界,随着人们对中微子认识了解的逐步增多,这一“宇宙幽灵”的神秘面纱也将会被慢慢地揭开。

 

 

注:这是在网上找到的OPERA实验论文原文:Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beamhttp://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf)。该实验有上千名科研人员参与,历时数年,涉及许多不同的专业领域。论文中对中微子束的发射装置、检测装置、距离的测量系统、时间的测量系统、数据处理、误差分析等。。。都有详尽介绍。(不过很多内容对我来说太深奥了,我只能看看热闹顺便满足一下好奇心罢了)。

 

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文章评论
作者:漂移 留言时间:2011-10-04 13:11:25
雨露,哪里哪里,我也是在这儿“瞎掰”呢。
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作者:雨露滋润 留言时间:2011-10-04 13:07:29
漂移,谢谢你的答复。哇,你比学物理的还要懂物理呢!你的答复很全面。我也觉得相对论还是会成立的,只是要做些修正。你的答复肯定了我的认识。
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作者:漂移 留言时间:2011-10-04 09:59:51
雨露你好!

我不是学物理的,只能说点自己的浅显理解。严格的讲应该是指爱因斯坦的狭义相对论,光速不变原理是狭义相对论的基本假设前提和出发点之一,光在真空中的传播速度是一个常数,光子质量为零,真空光速是速度的上限。中微子质量不是零,如果超光速真正存在的话,它就否定了狭义相对论的这一理论前提,建立在其上的其它理论也被划上问号。因此有专家认为,如果真的证实粒子超光速,整个物理学理论体系或许会因此重建。当然也有专家认为,即使实验结果正确,相对论仍然是优秀理论,但需要做一些修正或补充。到目前为止,凡是挑战相对论的人都一无所获。
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作者:雨露滋润 留言时间:2011-10-03 19:58:55
谢谢漂移介绍。长知识了。不太清楚一点,如果中微子超光速的假设被证实了,为什么会颠覆爱因斯坦的相对论呢?只是针对爱因斯坦的光速极限论,还是针对整个相对论(速度变快,时间变缓)而言?
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