中微子為什麼會被認為超光速?

2020-12-03 李論科學

這件事就要說到2011年,歐洲核子研究中心(CERN)的OPERA實驗宣布了一個震驚科學界甚至是整個吃瓜群眾界的消息,他們觀測到中微子的移動速度超過了光速!消息一出輿論譁然,這簡直就是一個科學領域的重磅炸彈!最後也被證實是一次烏龍實驗,相對論大廈的基礎依然堅挺!

那麼OPERA實驗是如何得出超光速這個結論的?讓我們來複習一下。

OPERA實驗中微子超光速事件

讓一束高能質子以非常接近光速的速度(由於愛因斯坦的相對論,不能達到光速)撞向其他粒子,高能量的撞擊會粉碎粒子產生一系列「碎片」。這些「碎片」中有一些是由中微子以及會衰變為中微子的不穩定粒子組成,中微子質量非常輕,比單個電子要輕數百萬倍,但還是有質量的。

因為中微子幾乎不與其他物質發生相互作用,我們發射一個中微子它就可以隨意地穿透地球。當所有其他的粒子都被地面上的粒子阻擋時,中微子卻像自由落體一樣繼續運動,只受周圍物體引力的影響。

從歐洲核子研究中心出發,這些中微子穿越了大約732公裡的地球,直到抵達埋在義大利格蘭薩索山脈下的OPERA探測器。OPERA探測器體積龐大,足以探測到10^16個中微子(即10萬億次)中的一個。

在一年多的時間裡,OPERA探測到大約16000個這樣的中微子,並且測量了這些中微子的一些特性,包括到達時間。當科學家查看數據時,他們的發現絕對令人震驚!根據這些中微子的能量和它們的傳播距離,科學家能夠精確地計算出這些中微子從歐洲核子研究中心產生的地方到到達OPERA探測器所需要的時間。其結果應該是與真空中光速基本上沒有區別!也就是說理論上中微子的速度和光速很接近,可以說沒有區別!

但是科學家發現中微子比光速早到了大約60納秒,也就是快60納秒。這個實驗結果在理論上不論是高能中微子還是低能中微子都不可能發生!當時很多人坐不住了,出來反駁!

但是實驗方聲稱他們的實驗做得很好,完全沒有問題!這種革命性的實驗結果肯定要受到科學界嚴格的審查和調查。主要考慮實驗方是否在用錯誤的結果進行科學欺詐,這個在歷史上也發生過;實驗中是否存在未知的錯誤!或者這真的預示著物理學中一場潛在的革命即將到來。於是其他地方的科學家就開始著手準備進行實驗。

費米實驗室和日本神岡準備著手進行獨立的實驗

在日本的計劃是,科學家以與OPERA實驗相似的高能量製造中微子,並將中微子從東海發送到神岡,距離為295公裡,稱為T2K中微子實驗。

同樣,在美國的計劃是將一束中微子從費米實驗室發射到明尼蘇達州的蘇丹礦井。從費米實驗室到蘇丹礦的距離呢?一個不可思議的距離:732公裡。和OPERA實驗的距離完全一樣!稱為MINOS中微子實驗。

大反轉

在這兩個實驗的終點,巨大的中微子探測器正在等待著中微子的到來。這兩個獨立的實驗會讓我們得到關於中微子大量的信息。如果MINOS中微子準時到達,T2K中微子準時到達。

這兩個結果可能是最無聊的結果,但也是人們最期待的選擇。中微子的移動速度沒有超過光速,而且OPERA實驗之所以能取得超光速的成果,是因為他們的實驗中發生了獨特的錯誤。(最後被證明為線路故障)

OPERA實驗將會面臨同行的嘲諷,項目負責人塞爾吉奧·貝爾託魯奇真的很尷尬,引起這麼大的轟動結果是個烏龍!

就在費米實驗室和日本神岡還沒來得及完成實驗呢,在2012年3月16日OPERA團隊經過自查宣布中微子在實驗中超光速,源於兩處系統錯誤導致:

(1)GPS同步化過程時間誤差;

(2)GPS和計算機的連接存在錯誤;

這就是中微子超光速的始末!那麼中微子能超光速嗎?

在相對論中有質量粒子在真空中只能無限接近光速,而中微子的速度也是和光速無法區分,這裡說的都是在真空中。

如果在介質中很多現象都可以超光速,例如電子在水中就可以被加速到超光速,並且發出切倫科夫輻射的藍色輝光!

還有在恆星中或者超新星爆發時,中微子也可以超光速,因為光在恆星核心產生,向外傳播時會有其他帶電粒子相互作用,運動異常緩慢,一個典型的光子要從恆星核心到達表面需要經過數萬年的時間。而中微子可以輕鬆地穿過任何稠密的物質!

因此我們要正確地理解超光速這種現象,目前我們已知的超光速現象都是在耍賴!

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