论文部分内容阅读
中微子真是奇怪的东西。你以为已经摸透了它们，可它们却要抽走你脚下的毯子，让你一下子回到1905年前，也就是现代物理学建立之前。“中微子超光速”究竟是颠覆性的科学发现，还是某种计算错误？
宇宙中的“小精灵”
在基本粒子家族中，中微子的行为最难以捉摸，是名副其实的宇宙中的“小精灵”。中微子不带电，质量微小到几乎为零。由于它几乎不与任何其他物质作用，可以自由地不费吹灰之力穿过地球，因此，检测中微子非常困难。中微子在自然界广泛存在。太阳内部的核反应产生大量中微子，每秒钟到达我们眼睛的中微子数以十亿计。实际上，大多数粒子的物理过程和核物理过程也都伴随着中微子的产生，例如，天然放射性、核反应堆发电、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，其中大部分为宇宙大爆炸的残留。
“小小中微子震撼全人类”的事曾不止一次地发生。大约100年前，物理学家发现，在一种叫贝塔衰变的放射性现象中能量似乎不守恒。为了“挽救”能量守恒这一最基本的物理学定律，奥地利物理学家泡利在1930年提出了存在中微子的假设；20年后，物理学家在实验中探测到了中微子的存在。于是，宇宙中的“小精灵”成了捍卫能量守恒定律的勇士。
1956年，美籍华裔物理学家杨振宁和李政道在研究某种基本粒子的特性时发现：在中微子参与的弱相互作用的所有实验中，宇称不守恒（即互为镜像的物质如粒子和反粒子的运动存在不对称）。他们的这一创新理论很快得到了实验证明，并因此荣获了1957年的诺贝尔物理学奖。“小精灵”又一次令人刮目相看。
挑战爱因斯坦
真空中的光速为每秒299792千米。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦首次提出，无论观察者的速度有多快，光都以这一恒定的速度前进，而且宇宙中任何其他物质的运动速度都无法超越这一数值。大量的实验结果让这一原理屡战屡胜。一个多世纪以来，它已经成为人类理解宇宙和时间的理论依据，同时也是现代物理学的坚实基石。它被认为是构成宇宙的各种粒子能够保持目前这种状态的核心所在。
物理学家通常认为中微子以光速运动。谁也没想到，2011年9月22日，英国的《自然》杂志报道了意大利格兰萨索国家实验室的一个研究团队探测到了中微子超光速现象。报道说，一个重达1800吨的探测器被安放在1400米的地下深处，探测来自位于日内瓦的欧洲核子研究中心发射的中微子束。在这段穿越坚硬岩石的长达730千米的粒子通道上，利用全球定位系统GPS对两地时间进行了同步校准，对发射装置和接收装置之间的距离进行了精确测定，误差不超过20厘米。一束光跑完这730千米的距离耗时2.4毫秒；但是，来自11个国家的160位科学家，通过3年的不断测试，记录了1.5万个中微子束的耗时后发现，中微子束能比光束提前60纳秒到达探测器。
由于1纳秒等于十亿分之一秒，60纳秒，对于我们周围这个慢吞吞的世界来说也许太微不足道了，但它却意味着中微子束比光束每秒钟多跑了约6千米！这一有待进一步验证的重大发现，立刻在全世界引起轩然大波，光速真的可以被突破吗？“小精灵”这一次的“祸”可闯大了。
难以令人信服
“中微子超光速”非同小可，但“非凡的发现需要非凡的证据”。因此，2011年10月，同一研究团队在进一步提高实验精确性的基础上，又一次进行了同样的实验。结果，中微子束再次比光束提前60纳秒到达目的地。参与这一实验的科学家说，这种现象出现得如此频繁，不可能是歪打正着；鉴于实验结果对物理学具有颠覆性意义，实验过程也不会“敷衍了事”。不过，只有等到世界上的其他科研机构进行相似的测量后，才能得出最终的定论。
尽管如此，大多数科学家仍然对宇宙速度极限是否真的被打破了持怀疑态度。有人担心，实验中用来精确测定中微子束出发和到达时刻的时钟，是使用全球定位系统GPS来校准的；而GPS此前并未在高能粒子物理学领域经受过考验，例如，这一全球定位系统可能没有考虑相对运动效应。为此，曾于2007年发现中微子的速度与光速一致的美国费米国家实验室发表声明说，他们正在对自己的计时系统进行升级，以达到进行该实验所必需的精确度；他们可能最早于2012年初利用现有系统完成对这一实验结果的初步核对。
来自美国波士顿大学的两位物理学家，没有理会一个基本粒子是否可能超过光速的争论，他们关注的是这一实验中使用的中微子本身。他们发现，发射地和目的地的中微子都具有相同的高能量。他们认为，如果这些中微子超过了光速，这是不可能发生的；因为一个超光速中微子在运行中会发射出其他低能量微粒，并损失大量的自身能量；因此，到达目的地的中微子束应该是“丧失大量能量的”中微子。但实际情况并非如此，这意味着这些中微子实际上并没有获得超光速。这种异常现象可能是数据或测量错误，也可能是某种误解或计算错误。而且，由于仅比光束早到60纳秒，这些受到质疑的中微子的速度也不是光速的两倍，而只是光速的1.0025倍。这很可能是由于某种误差产生的。
时间会向后走吗
在很多时候，科学并不总是通过逐渐地经常地修正而发展，更常见的情况是：科学家在数十年甚至数百年里一直像疯子似的沿着死胡同挖掘，直到某一天突然冒出一个天才，或者一个偶然的发现，把最初的假设及其确定性彻底推翻。如果这些既可爱又可怕的中微子果真跑得比光还快，那就意味着它们发出的信号可能送回到“过去”；人类理解的“原因先于结果”的自然法则将被彻底颠覆。
“先因后果”是人类建设物质世界的绝对基础，如果“因果关系”不存在，人类世界将陷入极大的混乱。因为如果信息可以送回到“过去”，从理论上来说，人就可以回到“从前”。这毫无疑问会带来一系列令人难以想象的问题。
如果你对此感到难以理解，就倾听一位英国物理学家的解释吧。他说，你可以把超光速中微子想象成一个时钟，我们根据这个中微子钟发出的光子来判断时间。中微子钟滴答滴答地释放出光子。比如，它在中午12点正发出一个光子，这一光子花了一些时间以光速来到你面前，你看到它后会说，现在是12点。但是考虑到中微子钟本身比它释放的光子跑得还快，所以在半路上就超过了它在12点正发出的光子，并释放出12点零1秒的光子，于是12点零1秒的光子会在12点的光子之前到达你面前。因此，你就会看到时间在向后走，也就是说，你看到的钟从12点零1秒到12点再到11点59分59秒，以此类推。
完全可以理解的是，这样的事如果真的发生，总会有一定程度的不理解和抗拒；不仅咱们普通老百姓会如此，科学家也免不了。英国萨里大学的一位物理学家甚至比大多数人都要坦率而唐突：“让我以实际行动做出表示：如果欧洲核子研究中心的实验证明是对的，中微子打破了光速，我会在电视上现场吃掉我的平脚短裤。”
或许，中微子走了捷径
还有人提出，由于超新星会释放大量的中微子，因此，如果“中微子超光速”适用于所有类型的中微子，那么，科学家先前曾研究的代号为“1987a”的超新星发出的中微子脉冲，应该比它发出的光提前3年到达地球。然而，实际观测显示，这些中微子仅仅早到了数小时。这与“颠覆性”的实验结果难以符合。科学家已经知道，中微子有3种类型：电子中微子、缪中微子和陶中微子。穿越从日内瓦到格兰萨索的缪中微子也许比超新星发出的中微子接受了更大的能量。这意味着，并非所有中微子都能超越光速，只有被我们干扰的才有可能。
另一种解释更有趣，那些中微子大概觉得瑞士太平淡乏味，于是穿近路跑到了意大利；就像运动会400米比赛中，有人突然横穿田径场，少跑一半路程抢先到达终点。这种看法认为，中微子或许在时空中找到了一个洞，走了一条捷径；因此表面看来比光速跑得快，实际上却仍以光速在穿行，只不过距离短得多。这就像在一张纸的两点之间画一条直线，然后把这张纸从中间对折，这两个点就很接近了。或许，中微子真的就是这么做的。
宇宙中的“小精灵”
在基本粒子家族中，中微子的行为最难以捉摸，是名副其实的宇宙中的“小精灵”。中微子不带电，质量微小到几乎为零。由于它几乎不与任何其他物质作用，可以自由地不费吹灰之力穿过地球，因此，检测中微子非常困难。中微子在自然界广泛存在。太阳内部的核反应产生大量中微子，每秒钟到达我们眼睛的中微子数以十亿计。实际上，大多数粒子的物理过程和核物理过程也都伴随着中微子的产生，例如，天然放射性、核反应堆发电、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，其中大部分为宇宙大爆炸的残留。
“小小中微子震撼全人类”的事曾不止一次地发生。大约100年前，物理学家发现，在一种叫贝塔衰变的放射性现象中能量似乎不守恒。为了“挽救”能量守恒这一最基本的物理学定律，奥地利物理学家泡利在1930年提出了存在中微子的假设；20年后，物理学家在实验中探测到了中微子的存在。于是，宇宙中的“小精灵”成了捍卫能量守恒定律的勇士。
1956年，美籍华裔物理学家杨振宁和李政道在研究某种基本粒子的特性时发现：在中微子参与的弱相互作用的所有实验中，宇称不守恒（即互为镜像的物质如粒子和反粒子的运动存在不对称）。他们的这一创新理论很快得到了实验证明，并因此荣获了1957年的诺贝尔物理学奖。“小精灵”又一次令人刮目相看。
挑战爱因斯坦
真空中的光速为每秒299792千米。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦首次提出，无论观察者的速度有多快，光都以这一恒定的速度前进，而且宇宙中任何其他物质的运动速度都无法超越这一数值。大量的实验结果让这一原理屡战屡胜。一个多世纪以来，它已经成为人类理解宇宙和时间的理论依据，同时也是现代物理学的坚实基石。它被认为是构成宇宙的各种粒子能够保持目前这种状态的核心所在。
物理学家通常认为中微子以光速运动。谁也没想到，2011年9月22日，英国的《自然》杂志报道了意大利格兰萨索国家实验室的一个研究团队探测到了中微子超光速现象。报道说，一个重达1800吨的探测器被安放在1400米的地下深处，探测来自位于日内瓦的欧洲核子研究中心发射的中微子束。在这段穿越坚硬岩石的长达730千米的粒子通道上，利用全球定位系统GPS对两地时间进行了同步校准，对发射装置和接收装置之间的距离进行了精确测定，误差不超过20厘米。一束光跑完这730千米的距离耗时2.4毫秒；但是，来自11个国家的160位科学家，通过3年的不断测试，记录了1.5万个中微子束的耗时后发现，中微子束能比光束提前60纳秒到达探测器。
由于1纳秒等于十亿分之一秒，60纳秒，对于我们周围这个慢吞吞的世界来说也许太微不足道了，但它却意味着中微子束比光束每秒钟多跑了约6千米！这一有待进一步验证的重大发现，立刻在全世界引起轩然大波，光速真的可以被突破吗？“小精灵”这一次的“祸”可闯大了。
难以令人信服
“中微子超光速”非同小可，但“非凡的发现需要非凡的证据”。因此，2011年10月，同一研究团队在进一步提高实验精确性的基础上，又一次进行了同样的实验。结果，中微子束再次比光束提前60纳秒到达目的地。参与这一实验的科学家说，这种现象出现得如此频繁，不可能是歪打正着；鉴于实验结果对物理学具有颠覆性意义，实验过程也不会“敷衍了事”。不过，只有等到世界上的其他科研机构进行相似的测量后，才能得出最终的定论。
尽管如此，大多数科学家仍然对宇宙速度极限是否真的被打破了持怀疑态度。有人担心，实验中用来精确测定中微子束出发和到达时刻的时钟，是使用全球定位系统GPS来校准的；而GPS此前并未在高能粒子物理学领域经受过考验，例如，这一全球定位系统可能没有考虑相对运动效应。为此，曾于2007年发现中微子的速度与光速一致的美国费米国家实验室发表声明说，他们正在对自己的计时系统进行升级，以达到进行该实验所必需的精确度；他们可能最早于2012年初利用现有系统完成对这一实验结果的初步核对。
来自美国波士顿大学的两位物理学家，没有理会一个基本粒子是否可能超过光速的争论，他们关注的是这一实验中使用的中微子本身。他们发现，发射地和目的地的中微子都具有相同的高能量。他们认为，如果这些中微子超过了光速，这是不可能发生的；因为一个超光速中微子在运行中会发射出其他低能量微粒，并损失大量的自身能量；因此，到达目的地的中微子束应该是“丧失大量能量的”中微子。但实际情况并非如此，这意味着这些中微子实际上并没有获得超光速。这种异常现象可能是数据或测量错误，也可能是某种误解或计算错误。而且，由于仅比光束早到60纳秒，这些受到质疑的中微子的速度也不是光速的两倍，而只是光速的1.0025倍。这很可能是由于某种误差产生的。
时间会向后走吗
在很多时候，科学并不总是通过逐渐地经常地修正而发展，更常见的情况是：科学家在数十年甚至数百年里一直像疯子似的沿着死胡同挖掘，直到某一天突然冒出一个天才，或者一个偶然的发现，把最初的假设及其确定性彻底推翻。如果这些既可爱又可怕的中微子果真跑得比光还快，那就意味着它们发出的信号可能送回到“过去”；人类理解的“原因先于结果”的自然法则将被彻底颠覆。
“先因后果”是人类建设物质世界的绝对基础，如果“因果关系”不存在，人类世界将陷入极大的混乱。因为如果信息可以送回到“过去”，从理论上来说，人就可以回到“从前”。这毫无疑问会带来一系列令人难以想象的问题。
如果你对此感到难以理解，就倾听一位英国物理学家的解释吧。他说，你可以把超光速中微子想象成一个时钟，我们根据这个中微子钟发出的光子来判断时间。中微子钟滴答滴答地释放出光子。比如，它在中午12点正发出一个光子，这一光子花了一些时间以光速来到你面前，你看到它后会说，现在是12点。但是考虑到中微子钟本身比它释放的光子跑得还快，所以在半路上就超过了它在12点正发出的光子，并释放出12点零1秒的光子，于是12点零1秒的光子会在12点的光子之前到达你面前。因此，你就会看到时间在向后走，也就是说，你看到的钟从12点零1秒到12点再到11点59分59秒，以此类推。
完全可以理解的是，这样的事如果真的发生，总会有一定程度的不理解和抗拒；不仅咱们普通老百姓会如此，科学家也免不了。英国萨里大学的一位物理学家甚至比大多数人都要坦率而唐突：“让我以实际行动做出表示：如果欧洲核子研究中心的实验证明是对的，中微子打破了光速，我会在电视上现场吃掉我的平脚短裤。”
或许，中微子走了捷径
还有人提出，由于超新星会释放大量的中微子，因此，如果“中微子超光速”适用于所有类型的中微子，那么，科学家先前曾研究的代号为“1987a”的超新星发出的中微子脉冲，应该比它发出的光提前3年到达地球。然而，实际观测显示，这些中微子仅仅早到了数小时。这与“颠覆性”的实验结果难以符合。科学家已经知道，中微子有3种类型：电子中微子、缪中微子和陶中微子。穿越从日内瓦到格兰萨索的缪中微子也许比超新星发出的中微子接受了更大的能量。这意味着，并非所有中微子都能超越光速，只有被我们干扰的才有可能。
另一种解释更有趣，那些中微子大概觉得瑞士太平淡乏味，于是穿近路跑到了意大利；就像运动会400米比赛中，有人突然横穿田径场，少跑一半路程抢先到达终点。这种看法认为，中微子或许在时空中找到了一个洞，走了一条捷径；因此表面看来比光速跑得快，实际上却仍以光速在穿行，只不过距离短得多。这就像在一张纸的两点之间画一条直线，然后把这张纸从中间对折，这两个点就很接近了。或许，中微子真的就是这么做的。