本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
[注：10月5日更新和澄清新增在底部] |
中微子超越光速？兩位理論物理學家表示，沒那麼快。
在9月29日線上發表的一篇簡明扼要、語氣果斷的論文中，波士頓大學的安德魯·科恩和謝爾頓·格拉肖計算出，任何速度超過光速的中微子都會輻射出能量，留下類似於超音速戰鬥機音爆的較慢粒子尾跡。他們的發現對最近在歐洲核子研究中心 (CERN) 宣佈（以及在此處線上釋出）的測量結果的真實性產生了懷疑，這些測量結果表明中微子的速度略微超過光速。
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對於可能剛剛幫助拯救了現代物理學大廈（如果它真的面臨崩潰的風險）的人來說，科恩並沒有特別樂觀或寬慰。“相反，我感到悲傷和失望，”他說。畢竟，許多物理學家都希望這個令人震驚的測量結果是正確的。對於做出這一結果的實驗物理學家來說，這可能意味著他們做出了世紀發現。對於理論物理學家來說，這可能是激動人心的創造性變革時期的開始。“如果[自然]總是按照你期望的方式運作，那就會變得很無聊，”科恩說。
9月23日在歐洲核子研究中心宣佈的結果（儘管訊息提前洩露）當然是出乎意料的。到現在，如果你還沒聽說過，那你一定是二戰時從硫磺島隧道里走出來的日本兵殘兵。無論如何，概括來說，太平洋戰爭已經結束了，一個物理學家團隊公佈了他們將中微子束穿過地殼，從日內瓦射到羅馬附近的格蘭薩索地塊的資料，這項實驗被稱為OPERA。根據物理學家的估計，中微子到達目的地的時間快了大約 60 納秒，違反了阿爾伯特·愛因斯坦的相對論設定的宇宙速度極限。
專家敦促謹慎，尤其因為另一項中微子速度的測量——1987年透過探測來自大麥哲倫星雲（就在我們銀河系之外）爆發的超新星的粒子完成的——以高精度和準確度表明，中微子的確遵守宇宙速度極限。
然而，來自那顆超新星的中微子相對較弱；相比之下，從歐洲核子研究中心發射的中微子的能量是其1000多倍。如果高能中微子可以超光速，即使能量較低的中微子被限制在我們無聊的相對論世界中，那又會怎樣呢？
因此，科恩和格拉肖（後者是諾貝爾獎獲得者）研究了在格蘭薩索探測到的那種高能中微子。他們從能量和動量守恆等基本原理推斷出，如果超光速粒子確實存在，它們可能會衰變為其他速度限制較低的粒子。“當所有粒子都具有相同的最大可達速度時，一個粒子不可能透過發射另一個粒子來損失能量，”科恩解釋說。“但是，如果所涉及粒子的最大速度不完全相同，”那麼這種情況就可能發生。
在電子具有更高速度限制（光速）而光本身具有較低速度限制的情況下，這種效應是眾所周知的。這種情況可能會發生，因為當光在介質（如水、空氣或玻璃）中傳播時，其速度會大大降低——這種變化是熟悉的折射效應的基礎，即半浸在水中的鉛筆看起來好像斷成了兩截。（相對論的普遍速度極限，準確地說，是光在真空中的速度。）
然後，電子可以在介質中以高於光子在該介質中的最大速度的速度移動，並透過發射光子來損失能量。這個過程稱為切倫科夫輻射，它使核電站的反應堆池（如圖所示）發出藍色的光芒。它也用於探測高能宇宙射線撞擊高層大氣後傾瀉到地球上的電子。
科恩說，具有不同速度限制的粒子之間能量轉移的可能性是眾所周知的，他經常將這個事實作為家庭作業問題佈置給他的物理學本科生。但在他們的論文中，他和格拉肖更進一步。他們討論了這種轉換可能發生的精確機制，並對中微子衰變為每種粒子的頻率進行了精確的定量估計。
作者的結論是，最有可能的發射，到目前為止，是一個電子與其反物質孿生體——正電子配對。 （高能中微子會透過與不斷且短暫地從真空中湧出的“虛粒子”之一相互作用來產生它們——在這種情況下，是 Z 玻色子，弱核力的載體之一；格拉肖正是因為理解了這種相互作用，才在 1979 年分享了諾貝爾物理學獎。）
至關重要的是，這些電子-正電子對的產生速率是如此之高，以至於在歐洲核子研究中心發射的典型超光速中微子會在到達格蘭薩索之前損失大部分能量。“從歐洲核子研究中心發出的束流將大大減少”高能中微子的數量，科恩說。然而，在義大利實驗室接收到的中微子似乎沒有損失任何能量。
但也許它們一開始就不是超光速的。
“我認為這為案件蓋棺定論，”理論物理學家、亞利桑那州立大學起源專案主任勞倫斯·克勞斯說。“這是一篇非常好的論文。”克勞斯一直是對 OPERA 團隊公開其發現的決定最持批評態度的人之一，正如他在《洛杉磯時報》的專欄文章和告訴我的前同事約翰·馬特森中所寫的那樣。
OPERA 合作組織沒有回覆置評請求。
馬賽地中海大學的理論物理學家卡洛·羅韋利說，格拉肖和科恩的結果“似乎是合理的”，並且似乎並沒有特別驚訝。“包括我自己在內的大多數物理學家似乎都強烈懷疑 OPERA 的測量存在一些錯誤。”
一些物理學家提出，中微子可能正在時空中尋找捷徑——例如，透過在額外的空間維度中移動——這將使它們能夠更快地到達那裡，同時仍然遵守速度限制。這種可能性可能不會被中微子的切倫科夫輻射排除，但可能開始顯得越來越牽強附會。
“讓我們這樣說：研究弦理論超過 20 年的物理學家都假設存在額外的維度，但他們中沒有人曾經考慮過粒子可以在其他維度中找到捷徑並以超光速執行的可能性，”羅韋利說。
至於實驗中可能或可能沒有出錯的地方，科恩不想推測（儘管其他人有：例如，參見理論物理學家盧博斯·莫特爾的部落格）。 “我不是說發生了什麼的合適人選，”他說，這項任務最好留給其他實驗物理學家。
愛因斯坦最終是對的嗎？愛因斯坦的相對論取代了艾薩克·牛頓的物理學，也許有一天會有其他東西取代它。物理學家仍將繼續在適當的時候使用其中任何一種。“我們所有的科學結果都有一定的適用範圍，”科恩說；沒有科學理論是絕對的“正確”或“錯誤”——每種理論只是在或多或少程度上與實驗結果準確一致。與此同時，其他人無疑會繼續嘗試尋找愛因斯坦理論中的漏洞。“我們永不停歇地測試我們的想法，”科恩說。“即使是那些已經確立的想法。”
10月5日更新和澄清
自從帖子釋出以來，評論區出現了一場非常有趣的觀點交流：感謝所有做出貢獻的人。
首先，澄清一下：andrewgdotcom 指出，當我將電子/正電子對的產生描述為衰變時，我很草率。實際上，中微子不會衰變；它們會繼續它們的超光速旅程，但能量會減少。
我不同意一些人在下面對科恩和格拉肖的結果的解讀，即試圖用理論來反駁事實；對我來說，重點似乎是（對作者來說相當於）一個粗略的計算是否可以表明，某個實驗結果與大量其他以高精度和準確度完成的實驗結果相矛盾。
但是，論文中是否可能存在一些假設（例如量子場論中的基本事實），人們可以想象這些假設在這裡不成立？畢竟，本文處理的是超光速粒子的奇異和假設領域：誰知道我們必須拋棄多少“舊”理論。
羅韋利說，在論文中似乎沒有任何“隱藏”的假設會在超光速世界中使其失效。
“有很多事情我們不知道，”克勞斯說。“但是有很多事情我們知道。其中一件事情涉及中微子的相互作用。鑑於所有現有的中微子測量結果，格拉肖和科恩提出的過程必然會發生。”
無論如何，看看 OPERA 和其他中微子實驗在未來幾個月內會做什麼，以及他們令人難以置信的發現是否能夠站得住腳，這將是令人興奮的。
我也將進行自己的實驗。格蘭薩索離我住的地方只有兩個小時的路程；我將去那裡以南徒步旅行，看看我是否能捕捉到一些繞過 OPERA 探測器並浮出地面的中微子。我會隨時向您彙報。
論文：“中微子速度的新約束”，作者：安德魯·G·科恩和謝爾頓·L·格拉肖。
10月11日新增：物理學家馬特·斯特拉斯勒 也寫部落格評論了科恩-格拉肖論文。
圖片由義大利國家核物理研究所、澳大利亞核科學與技術組織和維基共享資源提供