一项意大利实验揭示了基本粒子——中微子可以以超过光速的速度传播的证据。其他研究人员对此结果持谨慎态度,但如果它经受住进一步的审查,这一发现将颠覆现代物理学最基本的规则——没有任何东西的传播速度超过每秒299,792,458米。
该实验名为OPERA(乳胶跟踪装置振荡项目),位于意大利格兰萨索国家实验室地下1400米处。它旨在研究来自欧洲主要高能物理实验室CERN的中微子束,CERN位于瑞士日内瓦附近730公里处。中微子是基本粒子,它们是电中性的,很少与其他物质相互作用,并且具有极小的质量。但它们无处不在——太阳在核反应的副产物中产生如此多的中微子,以至于每秒钟都有数十亿个中微子穿过你的眼睛。[点击这里阅读更多关于CERN大型强子对撞机的信息]
1800吨重的OPERA探测器是一个复杂的电子设备和照相乳胶板阵列,但新结果很简单——中微子的到达速度比光速快60纳秒。“我们感到震惊,”瑞士伯尔尼大学的物理学家、OPERA发言人安东尼奥·埃雷迪塔托说。
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违反定律
在真空中,没有任何东西可以比光速传播得更快,这一观点是阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论的基石,而狭义相对论本身构成了现代物理学的基础。如果中微子的传播速度比光速快,那么科学最基本的一个假设——物理规律对于所有观察者都是相同的——将被推翻。“如果这是真的,那就太非同寻常了,”CERN的理论物理学家约翰·埃利斯说。
埃雷迪塔托说,他对新结果足够有信心,可以将其公之于众。研究人员声称,他们测量了CERN及其探测器之间730公里的行程,误差在20厘米以内。他们可以将行程时间测量到10纳秒以内,并且在过去两年中测量的16,000多个事件中看到了这种效应。鉴于所有这些,他们认为该结果具有六西格玛的显著性——物理学家说这肯定是正确的一种方式。该小组将于9月23日在CERN展示他们的结果,并且他们的结果的预印本将发布在物理网站ArXiv.org上。
至少有一项其他实验之前也看到了类似的效果,尽管置信度要低得多。在2007年,明尼苏达州的主注入器中微子振荡搜索(MINOS)实验发现,来自伊利诺伊州费米实验室的粒子物理设施的中微子提前到达。当时,MINOS团队淡化了这一结果,部分原因是探测器的确切位置存在太多的不确定性,无法确定其显著性,该实验的发言人珍妮·托马斯说。托马斯说,在最新的OPERA结果出来之前,MINOS已经在计划进行更精确的后续实验。“我希望我们能够启动这项工作,并在一年或两年内进行测量,”她说。
合理的怀疑
如果MINOS证实了OPERA的发现,其后果将是巨大的。“如果你放弃光速,那么狭义相对论的构建就会崩溃,”意大利博洛尼亚大学的理论物理学家和名誉教授安东尼诺·齐基基说。齐基基推测,OPERA检测到的“超光速”中微子可能正在穿越空间中的额外维度,正如弦理论等理论所预测的那样。
然而,埃利斯仍然持怀疑态度。他说,过去有很多实验寻找速度快于光速的粒子,但都空手而归。对于OPERA来说,最令人不安的是对附近超新星1987a发出的中微子脉冲的单独分析。如果所有中微子都能达到OPERA所看到的速度,那么超新星的脉冲应该比爆炸恒星的光闪早几年出现;相反,它们在几小时内相继到达。“这很难与OPERA所看到的相协调,”埃利斯说。
埃雷迪塔托说,他欢迎外界的怀疑,但他补充说,研究人员无法找到对其非凡结果的任何其他解释。“当你处于这些情况下时,你必须去社区,”他说。
本文经《自然》杂志许可转载。这篇文章于2011年9月22日首次发表。