在日常生活中,幾十納秒是一個難以察覺的短暫間隔,但在實驗物理學中卻可能產生天壤之別。一個歐洲物理學合作組織於 9 月 23 日釋出了一項驚人的宣告,稱他們已記錄到被稱為中微子的基本粒子從瑞士的實驗室地下旅行到義大利的實驗室。研究人員發現,中微子的旅行速度比光速快 60 納秒。也就是說,比我們所理解的物理學規則所允許的速度還要快。
如果得到證實,來自 OPERA(乳膠徑跡裝置振盪專案)合作組織的結果將是巨大的,這將是對我們理解宇宙方式的一次千載難逢的革命。但是,有很多理由相信,阿爾伯特·愛因斯坦長期統治的 相對論將經受住這一挑戰,正如它在過去經受住了許多挑戰一樣。(閱讀更多關於相對論挑戰的文章。)
這是我們聯絡的一些物理學家的觀點,他們中的許多人都在大眾科學的顧問委員會任職。他們對 OPERA 公告的回應如下。
天體物理學家和宇宙學家 馬丁·里斯,劍橋大學
非凡的主張需要非凡的證據。我認為,回顧起來,這項主張受到如此多的宣傳將是一件令人尷尬的事情——這是在網路上釋出預印本的必然結果。從中微子在 SN 1987A 中被觀測到,或多或少與爆炸同時發生——而不是像現在聲稱的速度差異那樣,提前四年發生(當然,超新星中微子的能量要低得多)。
理論物理學家 史蒂文·溫伯格,德克薩斯大學奧斯汀分校,1979 年諾貝爾物理學獎得主
這份實驗報告令人印象深刻,但令我困擾的是,有大量證據表明,所有其他型別的粒子都從未以超過光速的速度傳播,而對中微子的觀測異常困難。* 這就像有人說他們的花園底部有仙女,但只能在黑暗、霧濛濛的夜晚才能看到。
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理論物理學家 勞倫斯·克勞斯,亞利桑那州立大學
就我而言,這真是一件令人尷尬的事情。實驗人員提交一份帶有無法解釋結果的論文並非不合理。但在論文經過同行評審之前,就一個極不可能正確的結果召開新聞釋出會,對 CERN 和科學來說都是非常不幸的。一旦它被證明是錯誤的,每個人都會失去信譽。中微子實驗很困難,並且解析度極限處的系統誤差可能非常顯著。此外,由於該實驗似乎違反了洛倫茲不變性,而洛倫茲不變性是如此多已知物理學的核心,因此應該持懷疑態度。人們應該更加懷疑,因為對 SN 1987A 的觀測表明,正如我在 1998 年寫道的那樣,中微子和光子以相同的速度傳播,精度達到十億分之一,比聲稱的效果低幾個數量級。現在,唯一的出路是存在某種能量依賴效應,但所有合理的效應都不適用於此。
物理學家和 MINOS(主注入器中微子振盪搜尋)實驗 聯合發言人 珍妮·托馬斯,倫敦大學學院 肯定有更平凡的解釋來解釋這些結果。讓我們希望我們能找到它。
中微子物理學家 卡斯滕·希格,威斯康星大學麥迪遜分校
我認為可以公平地說,我們中的許多人都感到震驚。這是一個非凡的結果,如果這個結果是真的,我們甚至無法理解所有蘊含的意義。我們所知和教授的所有現代物理學都基於愛因斯坦的狹義和廣義相對論。如果這個效應被證明是真的,我認為這將是本世紀的物理學革命。
作為一名實驗人員,我們都對如此非凡的結果非常謹慎。我觀看了 CERN 的網路直播……並對 OPERA 合作組織在他們的演講中展示的詳細而認真的工作印象深刻。然而,即使對於中微子專家來說,也很難理解所有進入這項測量的技術細節。可能存在尚未考慮的系統效應。需要獨立的實驗測試。
理論物理學家 亞歷山大·庫森科,加州大學洛杉磯分校
雖然這個實驗小組非常出色且勝任,但中微子實驗是出了名的難以進行。這項實驗尤其雄心勃勃。人們必須等待確認。
中微子很快,但科學新聞傳播得更快!
理論物理學家 海因裡希·帕斯,德國多特蒙德工業大學
似乎實驗人員非常謹慎,但這真的是大新聞……
現在有些人非常憤世嫉俗,這其中存在一定的誤解:即使這是真的,這個結果既不能證明愛因斯坦是錯的,也不能暗示因果關係必須被違反,時間旅行是可能的。事物可以以比光速更快的速度移動,而不會違反愛因斯坦的理論,如果光速不是極限速度,就像人們在諸如水之類的介質中觀察到的光傳播速度那樣。這可以用真空中的背景場來建模,正如 [印第安納大學物理學家] 艾倫·科斯特萊基所提出的那樣。
或者時空可能會以某種方式扭曲,從而使中微子可以抄近路,而實際上並沒有比光速更快。由於我們的三個空間維度加上一個時間維度看起來非常平坦,這將需要一個額外的維度(正如 [夏威夷大學馬諾阿分校物理學家] 桑迪普·帕克瓦薩、[範德比爾特大學物理學家] 湯姆·韋勒和我自己所提出的那樣)。
另一方面,如果某物以比光速更快的速度移動,則因果關係違反——又名時間旅行——可能成為一種可能性(例如,在具有兩個扭曲額外維度的模型中,正如 [範德比爾特物理學家] 詹姆斯·登特、帕克瓦薩、韋勒和我自己所提出的那樣)。當然,這將產生非常瘋狂和令人難以置信的後果,但即使在那裡也可能存在相互矛盾的情況。
所以,簡而言之,這真的很令人興奮。但由於它如此令人興奮,我不確定是否應該過於樂觀地認為它能夠經受住其他實驗的檢驗。
* 編者注(2011 年 9 月 27 日): 此回覆的第一句話在釋出後進行了更新,以反映來自溫伯格的新資訊。