“神奇粒子”中微子能否超光速?它如果超光速会怎么样?

“神奇粒子”中微子能否超光速?它如果超光速会怎么样?
2020年01月18日 13:00 新浪网 作者 输给回忆从蓉

说起中微子的发现,则要追溯到上世纪20年代末。科学家在研究β衰变(即原子核辐射出电子转变成另一种核)时,发现在这个过程中有一部分能量不知去向,这使科学家们不胜困惑:在亚原子过程中能量守恒定律是否还成立?当时年仅30岁的奥地利物理学家泡利对能量守恒定律深信不疑,并以非凡的直觉预言:在此过程中,必定还有一种不带电的,质量极小的,与别的物质相互作用极弱,以至无法探测到的新粒子释放出来,就是它带走了那一部分能量。他把这种未知的粒子叫做“小中子”,就是现在说的“中微子”(意大利语:Neutrino,字面上的意义为“微小的电中性粒子”,又译作微中子)。

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1942年,美国物理学家艾伦按照我国物理学家王淦昌提出的方法,首次通过实验间接证实了中微子的存在。由于中微子与物质的相互作用很弱,要直接探索到中微子是非常困难的,连泡利本人也认为中微子也许永远测不到。然而,困难并不能阻碍科学的进展,在泡利提出中微子假说26年之后,1955年美国洛斯阿拉莫斯实验室的莱因斯和考恩在核反应堆的β衰变过程中,观测到了中微子诱发的反应,这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。他们把400升醋酸镉水溶液作为靶液,放入新投入使用的核反应堆中(作中微子源),每小时测得2.8个中微子,与理论预测完全一致。莱因斯因此荣获了1995年诺贝尔物理学奖。

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莱因斯捕捉到的中微子与泡利预言的中微子一样,都是原子核在β衰变发射电子时放出的,称为电子中微子。1936年μ子发现后新的问题又出现了。μ子主要是由π介子衰变而来的,届时也会产生中微子,那么此中微子与彼中微子是否相同呢?为此美国物理学家莱德曼、施瓦茨和斯泰因贝格尔在布鲁克海文国立实验室,利用300亿电子伏特同步加速装置所提供的高能μ子中微子进行实验,从1960年至1962年间做了300小时的观察,结果证实了这是两种不同的中微子。他们三位也因此荣获了1988年诺贝尔物理学奖。

话分两头,1975到1977年间,美国斯坦福大学教授佩尔在该校的加速器上做电子对撞实验时,又发现了一种寿命很短的新粒子,定名为τ子。τ子也有相对应的中微子,称为τ子中微子。

早在十几年前,美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据。

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现代宇宙学通过理论计算告诉我们:中微子的种类上限为3,即有3种中微子,它们是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。而每一种中微子都有相对应的反中微子。从泡利对中微子存在的预言,到本世纪初对3种不同类型中微子的理论预测,全部都被实验证实。整整历时80年,可谓任重而道远。

探索中微子:路漫漫兮其修远兮

电子中微子被证实之后,围绕着中微子的研究课题就及时展开了。读者也许要问,中微子与物质的相互作用十分微弱,又难以捉摸,研究它有何意义呢?当然一个中微子是无足轻重的,但是,在我们这个宇宙中,中微子的数量极多,充满了宇宙的每个角落,平均每立方厘米就有300个左右的中微子,数量与光子差不多,比其他所有的粒子要多几十亿倍呢!所以中微子对整个宇宙来说有举足轻重的作用。

另外,中微子还有一种本领,它能够在星球的内部畅行无阻,因此它可以把太阳和其他星球的内部信息带给我们。科学家们还想利用中微子的这种特点来做地球的断层扫描,让埋在地球深处的奥秘一览无余;还设想让中微子穿透地球内部传送信息,这样长距离通讯就用不着经过卫星和地面中继站兜圈子了……基于中微子的上述特点,几十年来高能物理学界对中微子的探索和研究一直积极地进行着。然而令人沮丧的是,虽然研究也取得了一些成果,但在几个关键的问题上仍没有确凿的定论。笔者将它们戏称为像风像雨又像雾。大抵说来有3大问题存疑:中微子有没有质量?中微子是暗物质吗?太阳中微子失踪之谜(见下页链接“中微子的三大谜团”)。

中微子超光速:想要信你不容易

从1980年起天文学家就对中微子的速度进行侦测,结果显示中微子的速度就是光速。但是到了1987年,当超新星SN 1987A爆发时,世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是,在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时,中微子就已经被侦测到了。对于这个现象,当时科学家把它解释为:当超新星爆发时,中微子比可见光更早被发射出来,而不是中微子比光速快。当然,这个速度亦与光速十分接近。

2011年9月,位于意大利格兰萨索国家实验室的 OPERA实验小组宣布观测结果:研究人员发现,中微子的移动速度比光速还快。他们的实验装置接收到来自欧洲核子研究中心的中微子,经测算,中微子在跑过这段732公里距离所用的时间,比光还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。这可是非常显著的差异。如果此结果被证实的话,将会引起理论物理学界的大震撼。然而,爱因斯坦的狭义相对论已经经过无数次科学实验和天文观测的证实,也是近代物理学和天体物理学的重要支柱,要想否定它恐怕没有那么容易。

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为此各国科学机构和专家都对此采取慎之又慎的态度,并认为: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。为此,欧洲核子研究中心特地举办了一场网络发布会,详细说明实验的方法以及各种误差的估算,同时邀请其他的实验机构重复相同的实验,来作为此结果的验证。今年2月,欧洲核子研究中心发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象,但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。为此他们将在今年5月重新做试验进行检测。

诺贝尔奖获得者格拉肖发表论文说,如果中微子真的超了光速,那么它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。

当然还有另一种观点,认为中微子可能具有特殊性质,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。

正当笔者行文至此,准备等待新的实验结果时,好消息传来了:据国外媒体报道,爱因斯坦可以安心了,因为最新的实验结果显示,之前有关中微子超光速的消息并不成立,也就是说光速仍旧是不可超越的。这条结果也平息了之前对于这一消息的诸多争论。

欧洲核子中心研究主管赛吉尔·波特鲁西在一份声明中表示:“现有证据开始表明OPERA的实验结果是不正确的。然而不管结果如何,OPERA小组完成了一次完美的科学实验,并将他们的实验结果公之于众,接受最严苛的审查,并欢迎其他科学家对此进行独立测量。”

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