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超光速鸟龙余波荡漾

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:而且,这次实验中的中微子也正是由欧洲核子中心发射的。在他们的实验中,中微子的速度与光速接近,但并没有超过光速。科学家们宣称OPERA实验设备中存在一些技术故障,这种故障可能对他们的实验结果产生了影响。欧洲核子研究中心在3月23日在公报中正式承认,该机构参与的名为“中微子振荡实验”的项目中使用的测速方法存在问题。其中一处问题与为测量工作提供GPS同步服务的振荡器有关,该问题可能导致对中微子运行时间的测量值偏大。

OPERA“中微子光速”实验示意图

OPERA中微子束一下子使世界科学界沸腾了。尽管99%的物理学家持怀疑态度,但是考虑到这确实是世界顶级实验室著名科学家们几年来的精密测量结果,言之凿凿,不由人不得认真思考这个结果。欧洲核子中心和格兰萨索国家实验室都是世界著名的研究机构。其中,欧洲核子中心是国际高能物理领域最大的研究中心,也几乎是最权威的机构。在欧洲核子中心进行的实验获得过两次诺贝尔奖。而且,这次实验中的中微子也正是由欧洲核子中心发射的。这个实验本身的科学性和严谨性应该都是可以相信的。而格兰萨索国家实验室是意大利国家核物理研究院所属的四大国家实验室之一,是世界上对物质稳定性、太阳中微子和原始磁单极研究的重要实验室。格兰萨索国家实验室的这个“奥佩拉”实验是一个非常著名的实验计划,由200多名出色的科学家完成,这些科学家都是很有经验和严谨的科学家。按高能物理的传统,正式发表的结果肯定经过了反复推敲验证,在内部进行了多次独立分析,评审每个环节。从他们的文章中也可以看到,基本上每个重要的数字都采用不同方法检验,或独立验证,他们的数字是经得起推敲的。凭空猜测他们哪里做错了,肯定是更不靠谱的。大多数科学家想,或许是有可能什么地方他们没有想到,更有可能碰巧仪器的系统误差就是这样的。这样出错的概率要比相对论出错的概率大。

欧洲核子研究中心,标明粒子加速器位置

要论证“奥佩拉”实验发现超光速中微子这个结果,最重要的是要对“奥佩拉”实验进行重复实验,必须换实验、换人来进行。不同实验的系统误差不一样,再碰巧一次的可能性就比较低。不过,开展重复实验的难度也不小。这个实验需要大的质子加速器,而产生中微子的代价是非常昂贵的。探测器本身的造价就在亿美元量级,而加速器装置要在几十亿美元以上,然后建好一个实验室一般需要10年左右的时间。目前只有美国、日本有条件重复这个实验。日本的实验装置在2011年的大地震时遭到破坏,但到2012年底大概就恢复使用。当然,仅凭一个实验来挑战相对论,是不可能的,除非有几十次实验都证明同一个结果,科技界才会接受。“奥佩拉”的结果发表后,日本的T2K实验室和美国芝加哥的费米实验室的研究团队已经开始验证这一实验。

然而,人们尚未等到这“最佳检验”的结果,与“奥佩拉”只有咫尺之遥的另一个团队就已经给出了验证结果。同样位于意大利的大萨索山的一个叫做“伊卡洛斯”的项目在2011年10月和11月间探测到了来自欧洲核子研究中心的中微子,而且精度更高。诺贝尔物理学奖获得者、“伊卡洛斯”项目发言人卡罗·鲁比亚说:“我们的结果与爱因斯坦(如果活着的话)给出的结果是一致的。”在他们的实验中,中微子的速度与光速接近,但并没有超过光速。

英国《自然》杂志称,“对于一些物理学家来说,新的测量对这件事起了一锤定音的作用。”但鲁比亚仍然等待看到2012年春天包括“奥佩拉”和“伊卡洛斯”在内的几个项目所做的新的结果。这些项目中也包括另一个叫做“大体积探测器”的中微子观测站对来自欧洲核子研究中心的中微子所做的测速。

“伊卡洛斯”项目实验

在2012年2月,对于OPERA实验的质疑声出现一次高潮。科学家们宣称OPERA实验设备中存在一些技术故障,这种故障可能对他们的实验结果产生了影响。与此同时,《科学》杂志曾爆料称,来自欧洲核子研究中心OPERA项目组内部人士透露,中微子速度的误差可能是由于连接GPS接收器和电脑之间的光缆松了造成的。这可能导致其中一个用于计算中微子运行时间的原子钟产生了具有欺骗性的结果,让中微子比光早60纳秒到达目的地。欧洲核子研究中心随后证实了这一说法,但同时表示还有另外一个因素,即用于将“奥佩拉”的探测器时间与GPS进行同步的一个振荡器可能存在误差。据OPERA的内部人士说,关于GPS误差可能造成,“一是GPS同步可能没有纠正好;二是将外部GPS信号带到OPERA主原子钟的光纤连接可能出现了问题。”这两个误差可能会从不同方向改变中微子的“旅行”时间,从而产生错误的结果。后者的误差效果是与前面那个因素恰恰相反的——它会造成中微子速度被低估。而科学家们暂时无法确定一个高估的因素和一个低估的因素究竟谁占了上风。

欧洲核子研究中心在3月23日在公报中正式承认,该机构参与的名为“中微子振荡实验”的项目中使用的测速方法存在问题。其中一处问题与为测量工作提供GPS同步服务的振荡器有关,该问题可能导致对中微子运行时间的测量值偏大。另一处问题出在为项目主计时器导人GPS信号的光纤连接器上,与上一问题相反,该问题可能导致对中微子运行时间的测量值偏小。

安东尼奥·艾里迪塔托是OPERA小组的成员,也是位于瑞士伯尔尼的爱因斯坦基础物理研究中心主任。他表示自己对最新的实验结果表示欢迎,他说:“这一(否定的)结果在我们预期之内,也证实了我们之前有关设备可能存在故障的说法。”当被问及自己是否对此次并没有出现超光速现象的结果感到失望时,安东尼奥说:“这就是科学进步的方式。重要的是全球的科学事业确实取得了进展。”

“对于‘奥佩拉’第一次发布的结果,有99.99%以上的物理学家都是怀疑的,第二次结果公布以后可能是90%。我估计可能到最后是一场笑话,90%以上的人是这样看的。”李森曾就对南方周末记者做了这样的表述。

在整个事件中,一些编排出来的笑话流传很广,其中一个出自Twitter:在一家酒吧们口,酒保说:“我们不允许比光速还快的中微子进到这儿。”话刚落,他看到一颗中微子来到了酒吧门口。(酒保先对中微子说话,后看到中微子。)

甚至是欧洲核子研究中心的物理学家也加入到编排笑话的行列,研究主管、来自意大利的物理学家赛吉尔·波特鲁西就说,“奥佩拉”的实验结果不可能是正确的,因为它打破了自然界的一条基本法则:在意大利,没有任何事情是准时的。

ICARUS小组的此次实验结果是于2012年5月份启动的一项延续时间更长的实验测试运行。而OPERA实验组本身也正筹划着在排除所有技术故障之后再次进行验证性实验。欧洲核子中心研究主管赛吉尔·波特鲁西在一份声明中表示:“现有证据开始表明OPERA的实验结果是不正确的。然而不管结果如何,OPERA小组完成了一次完美的科学实验,并将他们的实验结果公之子众,接受最严苛的审查,并欢迎其他科学家对此进行独立测量。”正如我们前面说过的,经过ICARUS小组确认,正如爱因斯坦曾经在100多年前预言的那样,中微子的运行速度并未超过光速。鲁比亚说:“爱因斯坦仍然是正确的,对此我并没有什么不快。2012年6月欧洲核子中心宣布格兰萨索的四个实验组(OPERA、ICARUS、Borexino和LVD)的测试结果一致表明,光速和中微子的速度是相等的,从而最终否定了OPERA原来的结果。

就这样意大利的OPERA科学家们关子中微子超光速的“新发现”变成了一场科学笑话、科学的“乌龙”。2012年3月末,历时半年之久的“超光速中微子”事件接近了尾声。作为“尾声”的一个标志性事件是,两名“奥佩拉”研究团队领导人引咎辞职。这件事的喜剧结尾,标志现代物理学的基石是十分牢固的。相对论是正确的,爱因斯坦可以笑了。

爱因斯坦笑了

在整个事件中,人们绝没有想到连接在原子钟的光缆松动这样一个简单的、低级的错误,居然撼动着整个科学大厦。我们被测了吗?理论学家们对这则消息可能只会付之一笑,但是人们无论如何应该从中吸取一些教训:首先是无论是提出新理论或者对原有理论提出挑战必须抱有严肃认真的科学态度。特别是像对狭义相对论这样经过实验检验的现代科学基本原理提出挑战,必须慎之又慎。实验工作必须严谨可靠,反复检查,不轻易发表结果。

需知1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,修正了牛顿时空观中空间、时间、引力三者互相割裂以及运动规律永恒不变的看法,从哲学上根本改变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念。其基础就是“物体运动速度不能大于真空中的光速”,是狭义相对论的基本原则。

超光速中微子的发现,引发了人们的无限遐想:是不是意味着离“穿越时空”不远了?是不是能够制造出“时光机”、物体空间传送机?更大的疑惑还有:因果性还能存在吗?未来会影响过去吗?爱因斯坦的狭义相对论是因果律概念的基石:原因在前、结果在后,不论你身在何处。超光速中微子如果存在,这一理论也将被颠覆。简单地说,也就是我们所熟知的由因到果的次序都将颠倒,可能有了果再有因。比如炮弹,是先打出去,然后落到对方阵地爆炸;因果论被颠覆后,我们看到的将是炮弹已经爆炸,却还没从大炮上被打出去呢!

狭义相对论是现代物理学的基础,也是人们理解空间与时间的理论依据。如果中微子超光速现象被证实,则狭义相对论的基本原则就会受到挑战,将撼动现代物理学的根基,那么今天几乎所有的物理学都要改写。人类现有时空观将会彻底改变,甚至改变人类存在的模式。这一切都使我们联想到了20世纪初经典物理学大厦轰然坍塌前的一幕。同样惊心动魄的事或许也会发生在相对论上。当然,相对论不会被全盘否定,它可能只需要少量改动,它还会是更广阔的理论下的一种特殊形式,就像经典物理是相对论的低速宏观近似一样。但这样的修正或拓展必将产生一种新的里程碑式的理论,物理学大厦的框架将又一次重建。

这一次超光速实验结果尽管是错误的,但是也不是毫无意义的。相对论和量子论是现代物理学的两大基石,证明他们在很大的范围内是相当正确的科学理论。但是这绝不是说它们不可以挑战。现在在量子理论领域,实际上有许多新的现象,例如:量子纠缠、量子隐形传递等,都在考验着我们关于局域因果性等的传统概念。更加确凿无疑的是量子论和相对论在理念上存在不自洽,至今我们无法建立严格的引力量子理论,这就是现在物理的基本理论还需要发展,还必须进行修正和深入探索。因此,在新的实验条件下,新的物理时空中,会有更多更奇异的现象等待着我们去发现。我们需要记住的是,未来的科学理论无论多么完善、美妙、严格,我们今天的科学理论都是他们在一定条件下的近似地描写。绝不存在什么一切推倒重来,一切从头开始。我们记住牛顿的话:“我们是站着前人的肩膀上进行探索的。”

2012年对于中微子的研究来说,真是高潮迭起。如果说超光速中微子事件是一个“悲剧”的话,那么我国大亚湾科研组发现中微子的第三种振荡就是一个大大的喜剧。这种人们早已预料并且一直在期待中的振荡终于被中国人发现了。

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