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挑战爱因斯坦-瑞士发现超光速加速粒子

OPERA探测系统位于1400米岩层保护下的格兰萨索实验室里

(Keystone)

发现超光速运动的次原子粒子的可能,令科研人员对现代物理学的一条基本原理产生困惑。

出现这种挑战爱因斯坦的发现结果,导致工作在日内瓦欧洲核子研究中心(Cern)的科学家们向各界同仁发出请求,或确认或驳斥他们的实验资料。

爱因斯坦在自己的相对论中假设,没有任何物体的速度可以超过真空中的光速,而后者的定义值为299,792,458 米/秒。但从事OPERA实验的科学家们发现了似乎打破这一限制的中微子。

该实验是为要观察从欧洲核子研究中心向730公里外、位于意大利格兰萨索实验室(Gran Sasso Laboratory)发射的次原子粒子束穿越水、岩石与空气的情况。

中微子是与电子相似的基本粒子,但它们不负载电荷,这令它们可以长距离穿越物质而不受影响。在本实验中,中微子束是由日内瓦的粒子加速器产生的。

难以置信

9月22日,科学家们在发布结果前对其做了仔细的检查。然而他们仍然难以相信自己,这就是为什么他们现在请求物理学界重复他们的发现结果。

次日在欧洲核子研究中心的讲话中,他们表示自己与持怀疑态度者们一样,对实验结果感到惊讶。这一结果似乎违背了我们所知的自然法则。

“非常出乎意料的是,我们发现了反常现象,”实验发言人、伯尔尼大学的安东尼奥·伊拉蒂塔托(Antonio Ereditato)指出。

“大家都知道,光速c(译者注:c即真空中的光速)是速率的上限值。如果你找到某些超光速运动的物质粒子,例如中微子,就会使所有的人震惊,这也包括我们自己,”伊拉蒂塔托补充道。

科研人员对他们取得的结果非常有信心,并曾再三检查过可能导致测量失误的任何问题。

这些物理学家发现,粒子束在两所实验室间运行所用的时间比光速提前了60纳秒。虽然1纳秒仅为1秒的10亿分之一,即使考虑进误差,这一结果仍可谓重大。

“这是极微小的差别,”伊拉蒂塔托解释说:“但是从概念角度这属于重大差别。结果如此惊人,此时任何人都应该非常谨慎。”

时间旅行?

世界上只有两所实验室可以重复实验结果。一所在日本,但自今年初发生地震与海啸后停止使用。

另一所就是芝加哥附近的费米实验室(Fermilab)。该实验室已宣布将尝试验证或推翻最新的发现结果。唯一的问题是,他们测量系统的精确性赶不上欧洲的这套,而且近期内也不会作设备更新。

费米实验室的一个科研小组在2007年已取得类似结果,但因误差太大,未引起科学界的重视。

学术界对此作出了谨慎的反应。一些科学家称一旦得到证实,这些结果将是“革命性的”;另一些则认为这很可能只是测量失误,或是因很难跟踪中微子而出现的偶然现象。

欧洲核子研究中心的理论物理学家阿尔瓦罗·狄鲁朱拉(Alvaro De Rujula)表示,他把结果归咎于目前尚未发现的人为失误。假如不是这样,当然只是很大的假设,那么将会开启通往某些未知领域的大门。

狄鲁朱拉说道,普通人“可能-从理论上讲-回到过去,在他们出生前杀死他们的母亲”。

可能后果

那么这会把爱因斯坦和他的著名公式E=mc2置于何处呢?

该公式是物理学的所谓标准模型的关键要素之一。标准模型试图描述宇宙与万物的运行方式。

物理学家们倾向于认为,即便中微子结果得到确认,也不必全面批判爱因斯坦。

“我相信你不会废弃爱因斯坦的理论。你做不到,它仍然有效,”印第安纳大学的阿伦·科斯特莱斯基(Alan Kostelecky)指出:“只是有时需要一个补充说明。”

费米实验室的罗布·普伦基特(Rob Plunkett)也不准备立刻抛弃爱因斯坦的理论。

“找爱因斯坦的碴很危险,”他说道:“爱因斯坦的理论已得到了反复地证实。”

OPERA实验

OPERA实验是由来自比利时、克罗地亚、法国、德国、以色列、意大利、日本、南韩、俄罗斯、瑞士和土耳其的科研人员组成的实验小组进行的。

参与这项合作的国家目前有11个,包括了含欧洲核子研究中心在内30多家科研机构的160余名科学家。

意大利和日本承担了实验的主要经费,比利时、法国、德国和瑞士则提供其余经费开支。

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格兰萨索实验室

格兰萨索国家实验室是世界最大的地下实验室,用以进行粒子物理学、粒子天体物理学和核子天体物理学方面的实验。

目前它作为国际科研机构,被来自22个国家的750余名科学家使用。

实验室位于拉奎拉与泰拉莫之间,距罗马约120公里。

实验设施位于穿越格兰萨索山的一条隧道旁,内有3座实验大厅,每座长约100米,宽20米,高18米,还设有服务通道,总容积约为18万立方米。

实验室专用于进行特殊的实验,这些实验要求所受到的外部影响尽可能达到最小。在1,400米深的岩层之下,宇宙射线影响减至100万分之一;由于岩石中所含铀和钍的比例微乎其微,因而放射性矿物产生的中子影响也极少。

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(译自英文:小雷), 瑞士资讯swissinfo.ch及通讯社


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