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wbcui至尊木蟲 (知名作家)
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中微子真的是超光速么？ 已有45人參與
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中國科學(xué)報(bào)：中微子公案 加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái) 這些“我行我素”的中微子，在人類逐漸認(rèn)識(shí)它的歷史中，曾制造了不少公案。而人類也似乎對(duì)它特別垂青，在電影《2012》中，它甚至被人類假想成世界的“毀滅者”。 ■本報(bào)記者 吳昊 自從被發(fā)現(xiàn)至今，中微子一直“不安分”。2011年，它著實(shí)又火了一把，燒得讓許多人既興奮又緊張。 在這場(chǎng)與光速的賽跑中，中微子以微弱的優(yōu)勢(shì)“贏”了。盡管它并沒有和光速“同臺(tái)競技”，盡管大多數(shù)科學(xué)家都持質(zhì)疑態(tài)度。 “然而，中微子速度如果真的超過光速，那么該如何將這些淘氣的微粒納入物理學(xué)？”新年伊始，英國《新科學(xué)家》雜志在展望2012年時(shí)，把對(duì)它的期待放在首位。 這些淘氣的微粒子，在被人類逐漸認(rèn)識(shí)的歷史中，就曾制造了不少公案。而人類也似乎對(duì)它有特別的垂青，在電影《2012》中，它甚至被人類假想成世界的“毀滅者”。 神龍見首不見尾 它叫中微子，英文名Neutrino。它與宇宙同齡，是物質(zhì)世界最基本的粒子之一；它無所不在，任何物質(zhì)都有它一份；它靜止質(zhì)量幾乎為零，還不帶電荷；它性情孤僻，從不與一般物質(zhì)打交道；它跑得和光不相上下，穿透力極強(qiáng)，甚至可以輕而易舉穿過地球。 如果告訴你，每一秒鐘就有50萬億個(gè)中微子穿過你的身體，你可千萬別被數(shù)字嚇倒，要知道，太陽中心的熱核反應(yīng)每秒鐘會(huì)生產(chǎn)約2×1030個(gè)中微子；你同樣也別擔(dān)心，它雖然可以自由進(jìn)出你的身體，卻不會(huì)帶來任何危害。 我們的身體和大部分宏觀物體一樣由分子組成，而分子由原子構(gòu)成，原子中又有原子核和電子，原子核再細(xì)分，包含了質(zhì)子中子，質(zhì)子和中子的基本單位是夸克。 夸克是強(qiáng)子，參與已知的所有相互作用——強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。同樣是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子，電子的地位略低一些，不參加強(qiáng)相互作用；而和電子一道被稱為輕子的中微子，更“微不足道”，質(zhì)量只有電子的百萬分之一，只參加弱相互作用和引力作用。 正因?yàn)橹形⒆訕O其微小，又不與其它物質(zhì)反應(yīng)，它的發(fā)現(xiàn)可是頗費(fèi)周章。 上世紀(jì)20年代末，科學(xué)家觀測(cè)到，物質(zhì)在β衰變過程中，電子只帶走了一部分能量，還有一部分能量失蹤了。 1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個(gè)假說，認(rèn)為這部分能量被一種不被人們認(rèn)知的粒子帶走了，這種粒子靜止質(zhì)量為零、電中性，與物質(zhì)的相互作用極弱，以至儀器都很難探測(cè)得到。 1932年，它被意大利物理學(xué)家費(fèi)米正式命名為“中微子”。然而，這個(gè)神龍見首不見尾的家伙，雖然令科學(xué)家費(fèi)心勞神，但仍然無人能夠抓住它。 這個(gè)調(diào)皮鬼甚至一度讓泡利都陷入悲觀，認(rèn)為它無法被檢測(cè)。直到26年后，美國物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯才利用核反應(yīng)堆中β衰變時(shí)中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞，間接地證明了它的存在。 因?yàn)檫@個(gè)功勞，弗雷德里克·萊因斯與發(fā)現(xiàn)輕子的美國物理學(xué)家馬丁·珀?duì)柗窒砹?995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1962年，美國科學(xué)家萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格發(fā)現(xiàn)了繆中微子，證實(shí)不止一種中微子存在，并獲1988年的諾貝爾獎(jiǎng)；1998年，日本科學(xué)家小柴昌俊等人發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，分享了2002年的諾貝爾獎(jiǎng)。 中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，多少打破了其給人既酷又神秘的形象，世界上不少實(shí)驗(yàn)室都展開對(duì)這種現(xiàn)象的進(jìn)一步追蹤。 然而，不安分的它在2011又給我們投下了一顆重磅炸彈。 欲與光速試比高 2011年9月22日，位于意大利的OPERA（采用乳膠徑跡裝置的中微子振蕩項(xiàng)目）研究小組宣布，實(shí)驗(yàn)表明，中微子快于光速。 其實(shí)，這個(gè)研究小組的初衷仍是研究中微子的振蕩現(xiàn)象，這從該小組的名字便可見一斑。 這個(gè)設(shè)在意大利的實(shí)驗(yàn)室為了防止干擾，深入地下1400米，曾以進(jìn)行過多個(gè)標(biāo)志性的深地實(shí)驗(yàn)而聞名。和以往一樣，這次實(shí)驗(yàn)它仍負(fù)責(zé)接收來自產(chǎn)生于瑞士與法國邊境的中微子。 實(shí)驗(yàn)中的中微子產(chǎn)生于歐洲核子研究中心。在這個(gè)機(jī)構(gòu)里，科學(xué)家們把氫原子的電子除去，便它變成質(zhì)子，然后被一系列加速器接力加速，進(jìn)入大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。在經(jīng)歷一系列變化后，衰變了的中微子穿越地層抵達(dá)730公里外的意大利，OPERA的探測(cè)器可以捕捉中微子的抵達(dá)。 然而，經(jīng)檢測(cè)，這些粒子到達(dá)OPERA傳感器的時(shí)間比按光速運(yùn)動(dòng)的預(yù)定時(shí)間提前了60.7納秒。除去誤差，中微子每秒能比光速多跑大約7.44公里。也就是說通過計(jì)算，中微子的速度是299798454米/秒，比真空中光速的299792458米/秒，要快5996米/秒。 據(jù)OPERA主頁上的文章介紹，中微子速度是距離除以時(shí)間，距離是通過GPS測(cè)量，誤差是20厘米；而時(shí)間則通過GPS和銫原子鐘測(cè)量，精度為2.3納秒。 雖然超越光速只是實(shí)驗(yàn)副產(chǎn)品，但中微子卻給人們出了一道難題，令科學(xué)家左右為難，又驚又喜。在仔細(xì)考慮了實(shí)驗(yàn)中各種因素的影響之后，來自O(shè)PERA的研究者決定將其公開，懇請(qǐng)全球同行共同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 然而，第一次試驗(yàn)后，不少參與者拒絕在文章上簽字，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的精度存在問題。兩個(gè)月后，修正后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次公布。這回，文章上新增加了9名作者，但同時(shí)也減少了4名原作者。 意大利國家核物理研究所所長費(fèi)爾南多·費(fèi)羅尼說，根據(jù)學(xué)界提出的可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意見，他們利用新方案進(jìn)行了多達(dá)20次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所得到結(jié)果與先前的發(fā)現(xiàn)完全一致。 這不禁讓人們想起1987年在對(duì)SN1987A超新星進(jìn)行的研究中，也曾一度得出過“中微子比光跑得快”的結(jié)論，只是彼時(shí)反響沒有如此巨大罷了。 吹皺一池春水 “我打賭他們是錯(cuò)的�！甭牭竭@個(gè)消息，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者喬治·斯穆特作出了第一反應(yīng)。他認(rèn)為光速被打破的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可信。 同為諾獎(jiǎng)獲得者、來自歐洲核子研究中心的卡羅·盧比亞則顯得比較謹(jǐn)慎，“這是我們第一次這么長距離地傳輸中微子，有很多新情況發(fā)生，很多在目前看來都是異常的�！� 一石激起千層浪，“超越光速”使中微子又一次成為科學(xué)界和媒體的寵兒。 在OPERA第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布的2個(gè)多月間，就至少涌現(xiàn)了不少于140篇的學(xué)術(shù)論文，討論這一現(xiàn)象的可能解釋，但同時(shí)也不乏質(zhì)疑和反對(duì)者。 中科院高能物理研究所研究員曹俊就曾援引諾貝爾獎(jiǎng)獲得者格拉肖與合作者安德魯·科恩教授的文章稱，在一個(gè)比較合理的假定前提下，如果中微子真的超了光速，將會(huì)導(dǎo)致輻射損失能量，OPERA的實(shí)驗(yàn)也就不會(huì)得到現(xiàn)在的能譜。 英國《每日電訊報(bào)》則報(bào)道，同樣來自意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)研究小組獨(dú)立重復(fù)了OPERA實(shí)驗(yàn)。研究人員認(rèn)為，中微子即使只比光快一點(diǎn)點(diǎn)，將會(huì)在行進(jìn)過程中失去大部分能量。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中微子在行進(jìn)中并無能量損失。 不少科學(xué)家認(rèn)為實(shí)驗(yàn)本身的系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，例如距離和時(shí)鐘是測(cè)準(zhǔn)、校準(zhǔn)，或者其他一些效應(yīng)造成。 德國電子同步加速器研究中心研究人員克里斯蒂安·施皮林面對(duì)媒體說：“我非常、非常、非常確信，（實(shí)驗(yàn)）測(cè)量數(shù)據(jù)里存在迄今尚未發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)性錯(cuò)誤。” 科學(xué)家們?nèi)绱酥?jǐn)慎的原因在于，如果光速被超越成為確鑿的事實(shí)，現(xiàn)代量子物理基石會(huì)被打破。一般認(rèn)為，狹義相對(duì)論有兩個(gè)基礎(chǔ)：一個(gè)是相對(duì)性原理，一個(gè)是光速不變?cè)��！爸形⒆映馑佟痹趯?shí)質(zhì)上可以被認(rèn)為是破壞了時(shí)空對(duì)稱性（洛倫茲對(duì)稱性），從而違背狹義相對(duì)論。 “如果（中微子）超光速是真的，不光狹義相對(duì)論，就連廣義相對(duì)論也將面臨相應(yīng)的修改�！鼻迦A大學(xué)高能物理研究中心和工程物理系教授何紅建在一次研討會(huì)上說。 史上又一樁公案？ 撇開此次的超光速事件，中微子還曾引起另一樁科學(xué)公案——太陽中微子失蹤迷案。 上世紀(jì)60年代，為了捕捉到來自太陽核聚變中產(chǎn)生的中微子，物理學(xué)家戴維斯來到位于美國南達(dá)科他州的一個(gè)深1500米的礦井中，安置了一個(gè)大約長15米，直徑達(dá)6米的容器，并在里面裝滿約40萬升的無水純四氯乙烯。 戴維斯和同事就在這里守株待兔，坐等中微子與溶液中氯原子的碰撞，從而對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。 為了得到大量令人信服的數(shù)據(jù)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)一做就是25年。利用這套裝置，戴維斯和同事們每天能觀測(cè)到0.5個(gè)來自太陽的中微子。 然而，長達(dá)25年的數(shù)據(jù)，卻越來越讓科學(xué)家疑惑：根據(jù)對(duì)太陽模型的理論計(jì)算，中微子的吸收率應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)值的3倍左右。那么，剩下的2/3哪里去了？這就是著名的太陽中微子失蹤之謎。 在經(jīng)歷了對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的懷疑之后，物理學(xué)家們首先想到的是修改太陽模型，但很快便宣告失敗。原來，一旦太陽模型被修改，就與很多其他的觀測(cè)結(jié)果無法對(duì)應(yīng)。 2001年6月，這樁持續(xù)30年的公案在加拿大安大略省得到了昭雪：中微子沒錯(cuò)，太陽模型也沒錯(cuò)。只是，太陽釋放出的電子中微子在旅途中有一部分轉(zhuǎn)變成了其他類型的中微子。 原來，這種不同中微子間的轉(zhuǎn)變，正是來源于中微子的振蕩�？茖W(xué)家先是發(fā)現(xiàn)大氣中微子發(fā)生了代與代之間的振蕩，進(jìn)而延伸到太陽中微子中。 與今天中微子“超越光速”相比，后者或許還算不上一樁公案。物理大師霍金就認(rèn)為：“對(duì)中微子發(fā)表評(píng)論還言之過早，必須進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)及澄清工作�！� 霍金也許不必過于著急，研究人員早已行動(dòng)起來。2011年9月30日，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室稱，將轉(zhuǎn)而研究“超光速”中微子，日本的T2K研究組也可能將重復(fù)OPERA的實(shí)驗(yàn)。 同時(shí)，對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)室的“主業(yè)”——測(cè)量第三種中微子振蕩模式的實(shí)驗(yàn)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。而被寄予厚望的中國大亞灣中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，在2012年就將全部投入運(yùn)行。不知道中微子這個(gè)“搗蛋鬼”，還會(huì)不會(huì)帶給我們別樣的驚喜。 “超越光速”能否成為另一樁公案，也許很快便有分曉。 |
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