本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
[注：10月5日更新和澄清添加在底部] |
中微子超越光速？两位理论物理学家表示，没那么快。
在9月29日在线发表的一篇简明扼要、语气果断的论文中，波士顿大学的安德鲁·科恩和谢尔顿·格拉肖计算出，任何速度超过光速的中微子都会辐射出能量，留下类似于超音速战斗机音爆的较慢粒子尾迹。他们的发现对最近在欧洲核子研究中心 (CERN) 宣布（以及在此处在线发布）的测量结果的真实性产生了怀疑，这些测量结果表明中微子的速度略微超过光速。
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对于可能刚刚帮助拯救了现代物理学大厦（如果它真的面临崩溃的风险）的人来说，科恩并没有特别乐观或宽慰。“相反，我感到悲伤和失望，”他说。毕竟，许多物理学家都希望这个令人震惊的测量结果是正确的。对于做出这一结果的实验物理学家来说，这可能意味着他们做出了世纪发现。对于理论物理学家来说，这可能是激动人心的创造性变革时期的开始。“如果[自然]总是按照你期望的方式运作，那就会变得很无聊，”科恩说。
9月23日在欧洲核子研究中心宣布的结果（尽管消息提前泄露）当然是出乎意料的。到现在，如果你还没听说过，那你一定是二战时从硫磺岛隧道里走出来的日本兵残兵。无论如何，概括来说，太平洋战争已经结束了，一个物理学家团队公布了他们将中微子束穿过地壳，从日内瓦射到罗马附近的格兰萨索地块的数据，这项实验被称为OPERA。根据物理学家的估计，中微子到达目的地的时间快了大约 60 纳秒，违反了阿尔伯特·爱因斯坦的相对论设定的宇宙速度极限。
专家敦促谨慎，尤其因为另一项中微子速度的测量——1987年通过探测来自大麦哲伦星云（就在我们银河系之外）爆发的超新星的粒子完成的——以高精度和准确度表明，中微子的确遵守宇宙速度极限。
然而，来自那颗超新星的中微子相对较弱；相比之下，从欧洲核子研究中心发射的中微子的能量是其1000多倍。如果高能中微子可以超光速，即使能量较低的中微子被限制在我们无聊的相对论世界中，那又会怎样呢？
因此，科恩和格拉肖（后者是诺贝尔奖获得者）研究了在格兰萨索探测到的那种高能中微子。他们从能量和动量守恒等基本原理推断出，如果超光速粒子确实存在，它们可能会衰变为其他速度限制较低的粒子。“当所有粒子都具有相同的最大可达速度时，一个粒子不可能通过发射另一个粒子来损失能量，”科恩解释说。“但是，如果所涉及粒子的最大速度不完全相同，”那么这种情况就可能发生。
在电子具有更高速度限制（光速）而光本身具有较低速度限制的情况下，这种效应是众所周知的。这种情况可能会发生，因为当光在介质（如水、空气或玻璃）中传播时，其速度会大大降低——这种变化是熟悉的折射效应的基础，即半浸在水中的铅笔看起来好像断成了两截。（相对论的普遍速度极限，准确地说，是光在真空中的速度。）
然后，电子可以在介质中以高于光子在该介质中的最大速度的速度移动，并通过发射光子来损失能量。这个过程称为切伦科夫辐射，它使核电站的反应堆池（如图所示）发出蓝色的光芒。它也用于探测高能宇宙射线撞击高层大气后倾泻到地球上的电子。
科恩说，具有不同速度限制的粒子之间能量转移的可能性是众所周知的，他经常将这个事实作为家庭作业问题布置给他的物理学本科生。但在他们的论文中，他和格拉肖更进一步。他们讨论了这种转换可能发生的精确机制，并对中微子衰变为每种粒子的频率进行了精确的定量估计。
作者的结论是，最有可能的发射，到目前为止，是一个电子与其反物质孪生体——正电子配对。 （高能中微子会通过与不断且短暂地从真空中涌出的“虚粒子”之一相互作用来产生它们——在这种情况下，是 Z 玻色子，弱核力的载体之一；格拉肖正是因为理解了这种相互作用，才在 1979 年分享了诺贝尔物理学奖。）
至关重要的是，这些电子-正电子对的产生速率是如此之高，以至于在欧洲核子研究中心发射的典型超光速中微子会在到达格兰萨索之前损失大部分能量。“从欧洲核子研究中心发出的束流将大大减少”高能中微子的数量，科恩说。然而，在意大利实验室接收到的中微子似乎没有损失任何能量。
但也许它们一开始就不是超光速的。
“我认为这为案件盖棺定论，”理论物理学家、亚利桑那州立大学起源项目主任劳伦斯·克劳斯说。“这是一篇非常好的论文。”克劳斯一直是对 OPERA 团队公开其发现的决定最持批评态度的人之一，正如他在《洛杉矶时报》的专栏文章和告诉我的前同事约翰·马特森中所写的那样。
OPERA 合作组织没有回复置评请求。
马赛地中海大学的理论物理学家卡洛·罗韦利说，格拉肖和科恩的结果“似乎是合理的”，并且似乎并没有特别惊讶。“包括我自己在内的大多数物理学家似乎都强烈怀疑 OPERA 的测量存在一些错误。”
一些物理学家提出，中微子可能正在时空中寻找捷径——例如，通过在额外的空间维度中移动——这将使它们能够更快地到达那里，同时仍然遵守速度限制。这种可能性可能不会被中微子的切伦科夫辐射排除，但可能开始显得越来越牵强附会。
“让我们这样说：研究弦理论超过 20 年的物理学家都假设存在额外的维度，但他们中没有人曾经考虑过粒子可以在其他维度中找到捷径并以超光速运行的可能性，”罗韦利说。
至于实验中可能或可能没有出错的地方，科恩不想推测（尽管其他人有：例如，参见理论物理学家卢博斯·莫特尔的博客）。 “我不是说发生了什么的合适人选，”他说，这项任务最好留给其他实验物理学家。
爱因斯坦最终是对的吗？爱因斯坦的相对论取代了艾萨克·牛顿的物理学，也许有一天会有其他东西取代它。物理学家仍将继续在适当的时候使用其中任何一种。“我们所有的科学结果都有一定的适用范围，”科恩说；没有科学理论是绝对的“正确”或“错误”——每种理论只是在或多或少程度上与实验结果准确一致。与此同时，其他人无疑会继续尝试寻找爱因斯坦理论中的漏洞。“我们永不停歇地测试我们的想法，”科恩说。“即使是那些已经确立的想法。”
10月5日更新和澄清
自从帖子发布以来，评论区出现了一场非常有趣的观点交流：感谢所有做出贡献的人。
首先，澄清一下：andrewgdotcom 指出，当我将电子/正电子对的产生描述为衰变时，我很草率。实际上，中微子不会衰变；它们会继续它们的超光速旅程，但能量会减少。
我不同意一些人在下面对科恩和格拉肖的结果的解读，即试图用理论来反驳事实；对我来说，重点似乎是（对作者来说相当于）一个粗略的计算是否可以表明，某个实验结果与大量其他以高精度和准确度完成的实验结果相矛盾。
但是，论文中是否可能存在一些假设（例如量子场论中的基本事实），人们可以想象这些假设在这里不成立？毕竟，本文处理的是超光速粒子的奇异和假设领域：谁知道我们必须抛弃多少“旧”理论。
罗韦利说，在论文中似乎没有任何“隐藏”的假设会在超光速世界中使其失效。
“有很多事情我们不知道，”克劳斯说。“但是有很多事情我们知道。其中一件事情涉及中微子的相互作用。鉴于所有现有的中微子测量结果，格拉肖和科恩提出的过程必然会发生。”
无论如何，看看 OPERA 和其他中微子实验在未来几个月内会做什么，以及他们令人难以置信的发现是否能够站得住脚，这将是令人兴奋的。
我也将进行自己的实验。格兰萨索离我住的地方只有两个小时的路程；我将去那里以南徒步旅行，看看我是否能捕捉到一些绕过 OPERA 探测器并浮出地面的中微子。我会随时向您汇报。
论文：“中微子速度的新约束”，作者：安德鲁·G·科恩和谢尔顿·L·格拉肖。
10月11日添加：物理学家马特·斯特拉斯勒 也写博客评论了科恩-格拉肖论文。
图片由意大利国家核物理研究所、澳大利亚核科学与技术组织和维基共享资源提供