在日常生活中,几十纳秒是一个难以察觉的短暂间隔,但在实验物理学中却可能产生天壤之别。一个欧洲物理学合作组织于 9 月 23 日发布了一项惊人的声明,称他们已记录到被称为中微子的基本粒子从瑞士的实验室地下旅行到意大利的实验室。研究人员发现,中微子的旅行速度比光速快 60 纳秒。也就是说,比我们所理解的物理学规则所允许的速度还要快。
如果得到证实,来自 OPERA(乳胶径迹装置振荡项目)合作组织的结果将是巨大的,这将是对我们理解宇宙方式的一次千载难逢的革命。但是,有很多理由相信,阿尔伯特·爱因斯坦长期统治的 相对论将经受住这一挑战,正如它在过去经受住了许多挑战一样。(阅读更多关于相对论挑战的文章。)
这是我们联系的一些物理学家的观点,他们中的许多人都在大众科学的顾问委员会任职。他们对 OPERA 公告的回应如下。
天体物理学家和宇宙学家 马丁·里斯,剑桥大学
非凡的主张需要非凡的证据。我认为,回顾起来,这项主张受到如此多的宣传将是一件令人尴尬的事情——这是在网络上发布预印本的必然结果。从中微子在 SN 1987A 中被观测到,或多或少与爆炸同时发生——而不是像现在声称的速度差异那样,提前四年发生(当然,超新星中微子的能量要低得多)。
理论物理学家 史蒂文·温伯格,德克萨斯大学奥斯汀分校,1979 年诺贝尔物理学奖得主
这份实验报告令人印象深刻,但令我困扰的是,有大量证据表明,所有其他类型的粒子都从未以超过光速的速度传播,而对中微子的观测异常困难。* 这就像有人说他们的花园底部有仙女,但只能在黑暗、雾蒙蒙的夜晚才能看到。
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理论物理学家 劳伦斯·克劳斯,亚利桑那州立大学
就我而言,这真是一件令人尴尬的事情。实验人员提交一份带有无法解释结果的论文并非不合理。但在论文经过同行评审之前,就一个极不可能正确的结果召开新闻发布会,对 CERN 和科学来说都是非常不幸的。一旦它被证明是错误的,每个人都会失去信誉。中微子实验很困难,并且分辨率极限处的系统误差可能非常显著。此外,由于该实验似乎违反了洛伦兹不变性,而洛伦兹不变性是如此多已知物理学的核心,因此应该持怀疑态度。人们应该更加怀疑,因为对 SN 1987A 的观测表明,正如我在 1998 年写道的那样,中微子和光子以相同的速度传播,精度达到十亿分之一,比声称的效果低几个数量级。现在,唯一的出路是存在某种能量依赖效应,但所有合理的效应都不适用于此。
物理学家和 MINOS(主注入器中微子振荡搜索)实验 联合发言人 珍妮·托马斯,伦敦大学学院 肯定有更平凡的解释来解释这些结果。让我们希望我们能找到它。
中微子物理学家 卡斯滕·希格,威斯康星大学麦迪逊分校
我认为可以公平地说,我们中的许多人都感到震惊。这是一个非凡的结果,如果这个结果是真的,我们甚至无法理解所有蕴含的意义。我们所知和教授的所有现代物理学都基于爱因斯坦的狭义和广义相对论。如果这个效应被证明是真的,我认为这将是本世纪的物理学革命。
作为一名实验人员,我们都对如此非凡的结果非常谨慎。我观看了 CERN 的网络直播……并对 OPERA 合作组织在他们的演讲中展示的详细而认真的工作印象深刻。然而,即使对于中微子专家来说,也很难理解所有进入这项测量的技术细节。可能存在尚未考虑的系统效应。需要独立的实验测试。
理论物理学家 亚历山大·库森科,加州大学洛杉矶分校
虽然这个实验小组非常出色且胜任,但中微子实验是出了名的难以进行。这项实验尤其雄心勃勃。人们必须等待确认。
中微子很快,但科学新闻传播得更快!
理论物理学家 海因里希·帕斯,德国多特蒙德工业大学
似乎实验人员非常谨慎,但这真的是大新闻……
现在有些人非常愤世嫉俗,这其中存在一定的误解:即使这是真的,这个结果既不能证明爱因斯坦是错的,也不能暗示因果关系必须被违反,时间旅行是可能的。事物可以以比光速更快的速度移动,而不会违反爱因斯坦的理论,如果光速不是极限速度,就像人们在诸如水之类的介质中观察到的光传播速度那样。这可以用真空中的背景场来建模,正如 [印第安纳大学物理学家] 艾伦·科斯特莱基所提出的那样。
或者时空可能会以某种方式扭曲,从而使中微子可以抄近路,而实际上并没有比光速更快。由于我们的三个空间维度加上一个时间维度看起来非常平坦,这将需要一个额外的维度(正如 [夏威夷大学马诺阿分校物理学家] 桑迪普·帕克瓦萨、[范德比尔特大学物理学家] 汤姆·韦勒和我自己所提出的那样)。
另一方面,如果某物以比光速更快的速度移动,则因果关系违反——又名时间旅行——可能成为一种可能性(例如,在具有两个扭曲额外维度的模型中,正如 [范德比尔特物理学家] 詹姆斯·登特、帕克瓦萨、韦勒和我自己所提出的那样)。当然,这将产生非常疯狂和令人难以置信的后果,但即使在那里也可能存在相互矛盾的情况。
所以,简而言之,这真的很令人兴奋。但由于它如此令人兴奋,我不确定是否应该过于乐观地认为它能够经受住其他实验的检验。
* 编者注(2011 年 9 月 27 日): 此回复的第一句话在发布后进行了更新,以反映来自温伯格的新信息。