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关于中微子方面的资料

(2011-10-10 16:24:50)
标签:

物理学

中微子

爱因斯坦

相对论

杂谈

 摘录与资料整理记事:

    近期两个科学方面的新闻,一个是中微子超光速;另一个就是:欧洲核子研究中心称“上帝粒子”可能并不存在,这两个都是关于物理学基础方面的新闻。当我看到这两个信息的时候,并没有太诧异。因为它们符合我们理论的预言。尤其是后一个,前年(2009年12月)我就与中科院理论所的一个老师有一个赌约,我赌“上帝粒子”并不存在。中微子超光速问题看似与“上帝粒子”问题无关,其实不然,它们都是质量与时空怎样矛盾互存问题。

    中微子是什么?光子是什么?量子是什么?物理空间是什么是怎样构成的?粒子如何表现出质量?在什么情况下表现不出质量?这些问题是非常重要的基础问题。这些问题好象没有关系,但在我们的理论中恰恰是在一起的。在已经发表的两篇论文中已经有了部分描述。

     阅读近期关于中微子超光速的资料整理如下:

 

            关于中微子方面的资料

 

    金秋九月,一颗以诡异著名的微小粒子跑出史上最好成绩,比“粒子界的博尔特”光速还快,所有看客惊掉了下巴。科学界和人文学界少见地一起陷入激动的高潮!如果这是真的,“光速不可超越”的物理学界金科玉律将成谬误,以爱因斯坦相对论奠基的现代物理学大厦需要重新构建。接下来呢?时间旅行可能成为现实的狂想,令哲学家和科幻作家夜不能寐。等一下,科学总在证伪中进步没错,但是爱因斯坦真的错了吗?

小粒子的爆炸效应

    意大利科学家发现一种粒子跑得比光还快——中微子。对,电影《2012》中毁灭地球的中微子,不过这次不是忽悠,而是真实的科学数据。这一消息震惊全球。如果真是如此,光速将不再是宇宙的速度极限,爱因斯坦的狭义相对论及整个现代物理学都将重写。半个月来,全球各地的物理学家都在忙着分析这篇研究报告,物理学界少有这么忙活的时刻。

    “一下子出现这么多论文,实在很令人惊讶。”数学家彼得·瓦特说,“这是正常的过程。当有什么让人激动的实验结果出来后,每个人都想第一个做出解释。现在看来,这次还不同以往。”

他指的就是9月23日那个打破物理学界平静的爆炸弹。

    意大利格兰萨索国家实验室OPERA项目研究人员接收730公里外欧洲核子研究中心发射的中微子束。中微子理论上没有质量,几乎可以穿透任何物质,在理论上可以以光速飞行。

因此,在OPERA实验位于地下深处长达730公里的管道中,科学家假定中微子以光速飞行。距离和速度是固定的,那么中微子的飞行时间也应该固定。但是,令人惊讶的是,从日内瓦飞到意大利罗马附近,中微子不仅没有迟到,而且还比预计时间早到了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒),即每秒钟多“跑”了6公里。

这个诡异的实验结果,就目前看来,只有一种解释:中微子飞得比光速更快。

这意味着什么?按照为现代物理学奠基的爱因斯坦狭义相对论,光速恒定,它是宇宙的极限速度,没有任何物质可以超越光速运行。

    “如果OPERA的结果是正确的,那将给整个物理界带来一场观念上的革新。”欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯对本报记者说,“我们构建当前时空观的基本原理就会崩塌,我们得重新思考时空。”

物理学家的狂热分析

    中微子会比光速还快,这个想法太不同寻常,连OPERA实验的科学家也不敢贸然做出猜测。“我们不做出任何猜测。”他们在一份声明中表示。

    然而,如果实验结果正确,这可能是本世纪乃至现代物理学上最惊人的发现了。科学家的态度一贯相当谨慎。他们在还未正式发表这篇研究论文之前,就把研究报告放在一份公开的论文网站上。“我们希望别的科学家能够做出验证。”他们说。

    因为这个结果潜在的巨大影响力,OPERA科学家还不同以往地专门开展了一场网络直播,现场向欧洲核子中心的同行们和全球物理学界的科学家们讲解自己的实验方法和过程。华裔科学家丁肇中在现场夸赞这个实验:“我想祝贺你们做出了一个极其美妙的实验”。

    事实上,欧洲核子研究中心的竞争对手、著名的美国费米实验室早在2007年就观测到了类似的“中微子超光速”现象,但由于该实验对结果估算的误差较大,导致可信度低。如今,费米实验室打算重做实验,验证超光速粒子的实验结果。

    不过,意大利科学家发布的数据是经过三年的时间和15000次左右的计算融和的结论。目前类似实验很难在其他国家予以重复验证,日本的实验室遭受海啸重创,费米实验室无法达到欧洲核子中心的实验精度。

即使如此,在过去的半个月中,这个实验还是成为全球物理学家的热门话题。无数科学家放下了手边的活,涌入在线公开论文网站arxiv.org,逐字逐句地研究OPERA发布的实验数据和过程。很多人在物理博客上发表见解,还有很多人干脆自己也在同一网站上发表了论文,阐释看法。

“超光速”过不去的坎

    在众多的发言中,没有几个物理学家真正相信,中微子会快过光速。

    “反方”阵营大部分来自理论物理学家,最权威的一个解释来自于诺奖获得者、物理学家谢尔顿·格拉斯豪。他和他的同事在发表的论文中指出,如果中微子运行速度快于光速,其反过来会制造出一种“虚粒子”,并同时夺走中微子的能量。假设中微子真的会以超光速飞行,它们丧失的能量也只会让它们飞一会儿,不足以支撑到整个OPERA实验设计的距离。

    欧洲核子研究中心的理论物理学家吉恩·古戴斯也发表了一篇论文,支持格拉斯豪。“如果中微子以超光速飞行,它会释放出一些电子和质子,从而丧失能量,这与OPERA探测的高能中微子结果相悖。

另一个挡在OPERA实验结果前的坎儿,来自于一个20多年前的天文发现。

    1987年,天文学家在银河系伴星系大麦哲伦星云观测到一颗超新星爆发,并且探测到中微子数量突然增加。这是人类首次明确探测到来自银河系外确定来源的中微子,也是迄今为止对中微子速度最准确的测定。

有科学家称,那次发现的中微子源到地球的距离足有十几万光年。如果这次意大利的数据确为超光速现象,这些中微子就应该比光提前好几年抵达地球,而实际上它们只提前了三个小时。“这是意大利的数据无法解释的矛盾。”果壳网频道主编虞骏说。

    还有一些质疑来自设计实验的应用物理学家,他们寻找这个实验中可能存在错误的地方。一些论文指出,可能是原子钟的同步出了问题,或者中微子束的尾部测量上出现差错。

但是,这些鸡蛋里挑骨头的举动,虽然提醒人们实验可能存在错误,但还没有人找到真正的问题所在。

相对论的“黑天鹅”

    中微子这个诡异的粒子,总是能够引起理论界和实验界的争议,但也更能引发物理学家的新的思路。

在另外一些提交的解释论文中,一些人给出了新的答案。这些新见解,就更加前沿,更加科幻了。有一批人认为,某些中微子可以在不同时空中跳来跳去,因此在实验中可能在不同维度中走了“捷径”;有人认为,中微子在穿越固体地球的时候,比穿越空间时飞得更快;有人认为,中微子可能穿透了暗物质,同时,光质子则因为与暗物质的反应而变慢了;还有人认为,中微子的速度在不同的方向和一天中不同的时间而发生变化。

“现在说哪种理论更好,显得过于冒失。”欧洲核子研究中心的理论物理学家约翰·埃利斯对媒体说,“他们可能都是错的,因为这个结果可能最终会蒸发。”

    不过,这些解释还是有用的。“科学定论最初来自实验结果,但之后,就得靠理论物理学家们,就像打字机上的猴子一样,一个个的猛击各种可能。”

    “包括爱因斯坦的相对论在内,所有的科学理论可以说都只是一个到目前为止看起来最合理的假设。”虞骏说,“就好像‘所有的天鹅都是白的’这个说法,在没有发现其他颜色的天鹅之前,就是一个合理的假设,可以拿来指导我们的判断。当然,后来发现了黑天鹅,这个说法自然就被证伪了。”

   “科学家实际上一直在为难他们的理论,会想方设法去检验理论,看它能否经得起最严苛的考验,只不过到目前为止,相对论经受住了所有实验的检验。”

“但这无法排除或许有一天,相对论也会遇到自己的黑天鹅,但这不代表相对论就一无是处了。这在科学上绝对是一件值得欢庆的事情,因为科学又找到了向前突破的方向。”

B10-B11版 本报记者 金煜

■ 释疑

    在物理世界中,没有哪种粒子能够像中微子那样神秘。它个头超小,几乎无质量,不带电荷,理论上会以光速运行,可以轻松穿越几乎一切物质。它也是最难捕捉的粒子,被称为“幽灵粒子”。但它或许可以解开宇宙起源最深的奥秘

    如果你把手放在太阳底下,你知道每秒钟有多少个无形的从太阳里跑出来的中微子会穿透你的手吗?答案是:1兆亿个。

     太阳会发射出可观数量的中微子,这是美国的理论物理学家约翰·巴赫卡尔通过数学计算得出的。

    上世纪60年代,美国科学家雷蒙德·戴维斯在一个可以屏蔽宇宙背景辐射的废弃金矿中设置了中微子捕捉器。到了上世纪80年代,实验不断改进后,也只发现了预计中三分之一的中微子。

中微子不带电荷,它对应的反物质就是它本身,是唯一正反物质为一体的粒子。对中微子的探索,或许可以解开正反物质的谜。

    科学家发现,中微子比电子要小上亿倍,本身不带电荷,不受电磁力与强力的影响,与其它物质之间的作用相当之弱。不过,当大量中微子穿越某个原子核的时候,可能会有少量中微子发生反应,但这种影响微乎其微。对于宇宙中的中微子来说,固体物质就像真空一样,可以毫不费力地穿透其它物质,包括地球。

“中微子的特殊性在于,它和其它物质的互相作用微乎其微。”欧洲核子研究中心的古戴斯对本报记者说,“要挡住一个放射性衰变放射出的中微子,你需要一个厚度有从地球到南门二星系(位处天空南方的半人马座,距离太阳系4.24光年)那么长的铁块。”

    中微子还有其它一些奇特的性能让人好奇。在量子层面,大部分的粒子的自旋都有“右手性”,唯有中微子是一个“左撇子”。一些科学家认为这可能是其它维度的证据,可以用来解释目前听起来还比较玄的多维度理论。

    上世纪30年代,科学家发现在原子核衰变过程中,有一些能量莫名其妙地消失了,不符合能量守恒定律。物理学家泡利据此预言,还有一种未被发现的粒子,带走了能量。物理学家费米将其命名为中微子,意思是“非常小的中性粒子”。

     中微子不会与其它物质“亲密接触”,但当撞入原子时会产生一定的信号。在1956年的一次试验中,年轻的美国物理学家费德里克·瑞恩斯和克劳迪·柯瓦等人清楚地观测到中微子出现后显示出来的脉冲信号。人类第一次验证中微子的存在。

    如今,全球已经有多个昂贵、巨大的探测器在捕捉中微子。这些探测器大都处于地下深处,以最大可能屏蔽其它的放射性粒子。常见的探测器都需要大量的水或油,让中微子与这些水分子或油分子的电子和原子核发生反应,通过脉冲信号得到探测数据。

 

科学家发现中微子超光速现象 违背相对论

http://www.sina.com.cn  2011年09月25日10:19  中国广播网 微博

  中广网北京9月25日消息(记者高萧潇杨洋)据中国之声《新闻纵横》报道,爱因斯坦的狭义相对论可谓众所周知。根据这一理论,光速是宇宙速度的极限,没有任何物质可以超越光速。

  但是,英国《自然》杂志网站22日报道,欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象,如果这一现象属实,那么爱因斯坦的经典理论将被改写,或者说爱因斯坦的相对论可能错了。那么,到底是怎样的发现能够撼动经典?

  无心插柳却撼动经典

  意大利格兰萨索国家实验室“奥佩拉”项目发言人安东尼奥·伊拉蒂塔托表示,对实验结果非常有信心,难道他们真的能够撼动整个物理学的基石吗?中国科学院高能物理研究所所长陈和生院士表示,其实欧洲科学家当初实施这项实验,目的并不是挑战经典。

  陈和生:这个实验本来的目的就是想看看中微子在从日内瓦欧洲核子研究中心射到意大利的格兰萨索实验室的过程当中,有没有一种中微子转成另外一种中微子。这个实验有一个附带的研究题目,看看中微子走了730公里的距离,它的速度是不是像大家过去认为的那样。他们现在就发现这个速度跟原来有微小的差别。

  研究人员们的无心插柳,却震动了整个物理学界,而法国国家科学研究院研究员奥提罗达里奥的解释可以帮助我们更清晰地了解整个实验过程。

  奥提罗达里奥:我们当初并没有预想到会有这样的观测结果,我们测量了中微子在730公里距离中的运行时间,我们的探测器是在实验室的地下,而这和日内瓦实验室所观测到的结果正好相符。在730公里的距离中,我们观测到了中微子的运行速度比光要快了60纳秒,也就是说每秒钟多跑了6公里。

  事实上,由于事关重大,一些专家对观测到的这种超光速现象持谨慎态度。而这次也并不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战。2007年,美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果,但同时也对实验的精确性存疑。

  物理学界存不同意见

  对此,中国科学院高能物理研究所所长陈和生院士表示,物理学界的确存在一些与该实验结果不同的意见。

  陈和生:我们没有理由怀疑这个实验的正确性,但是我们显然是希望其他的实验能够对这个结果进行验证。日本有类似的实验,他们否定中微子的速度超过光速,1987年的时候有一个超行星爆发,之后我们看到光,又看到中微子。如果说中微子的速度快,那么我们就会早于光看到中微子到达我们的探测器,但是当时并没有见到这种现象。

  那么,科学家们口中神秘的中微子,又究竟是怎样一种物质呢?其实在电影《2012》中,我们就曾见识过它的威力。由于太阳活动突然加剧,释放出大量中微子。中微子和地核发生反应,最终引发超级大海啸。陈和生院士也向我们介绍了这位“宇宙中的隐形人”。

  陈和生:中微子是在30年代由一个奥地利的物理学家提出来的,但是一直到50年代才最终被确认存在,中微子的特点是它的质量非常微小,而且相互作用非常微弱。2003年3位物理学家得了诺贝尔奖,其中有两位都是研究中微子的。

  我国的物理学家在这方面也开展了大量的研究,其中最突出的一个就是在深圳大亚湾核电站。我们和美国的科学家合作共同进行了大亚湾的反应堆中微子实验,我们相信对于粒子物理学新的突破很可能来自于我们对中微子的研究。

  挑战爱因斯坦相对论为时尚早

  面对物理学界这一不速之客,英国萨里大学学者帕特里克·里根表示,

  里根:如果可以证明这一结论是正确的话,将是对我们现在所了解的物理学的一次革命性变革,我们所有教科书将需要重新编纂,而这一变革也将使粒子学应用方面有所改变。

  而中科院高能物理研究所所长陈和生表示,科学的研究结果需要大量的科学实验来检验,现在说爱因斯坦相对论受到挑战还为时过早。

  陈和生:关于中微子的速度的物理结果引起了全世界物理学家的重视,现在主要要做的事情是去深入地去研究实验,同时希望其他实验能够对这个结论进行检验,对实验的结果有更多的理解。目前我认为去下结论说这个实验的结果是挑战爱因斯坦的相对论,还为时尚早。

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