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TBBT.S05E08:不靠谱的“中微子超光速”(附视频)

《生活大爆炸》第 5 季第 8 集的开头,谢耳朵终于忍受不了几位女士总在晚餐时聊些没有营养的话题(说实话,我也快要受不了啦!!),于是他精心准备了一份话题清单。据谢耳朵说,不论是专家还是新手,对这些话题都该感兴趣才对。排名第一的是——“Faster-than-light particles at CERN”(CERN 的超光速粒子)。

这个话题确实到位!实际上,自 2011 年 9 月 23 日所谓的“中微子超光速”被公布以来,我就一直等着看《生活大爆炸》什么时候会提到它呢!确切地说,公布这一结果的 OPERA 实验小组并不隶属于欧洲核子研究中心(CERN),他们的实验装置位于意大利格朗索萨(Gran Sasso)国家实验室地下 1400 米处的山洞里,距离 CERN 足有 730 多千米。不过,谢耳朵把它总结为“CERN 的超光速粒子”也没错,因为实验里涉及到的 μ 中微子确实是从 CERN 发出的。

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意大利格朗索萨(罗马以南 120 公里)国家实验室地下 1400 米处 OPERA 实验室入口 / aspera-eu.org

CERN 的超光速粒子?

中微子是一类非常孤僻的粒子,几乎不与其他物质发生相互作用,哪怕穿透整个地球也极有可能“撞”不上任何东西。在飞行途中,它还会在不同味的中微子之间变来变去,这种特性叫做“中微子振荡”—— OPERA 实验原本就是为了观察这一现象而设计的。运行 3 年来, OPERA 在“本职工作”上尚未得出什么结论,却在其他方面抛出了一枚原子弹。他们发现, μ 中微子从 CERN 跑到 OPERA 所用的时间,竟然比以光速跑完同样距离还少用了 60 纳秒!

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OPERA 实验小组研究“中微子振荡”的实验设施 / aspera-eu.org

在现代物理学的理论框架中,光速是一个独一无二的角色。以真空中光速不变为基础,爱因斯坦建立起了狭义相对论,推出了光速不可超越这一结论。 100 多年来,相对论经受住了物理学家有意设计的无数次越来越苛刻的考验。如今,它已经和量子理论一起,成为了撑起现代物理学天空的两根擎天巨柱。

然而,如果 OPERA 实验没有问题,中微子就超光速了!这将意味着,树立超过百年的相对论这根擎天巨柱,在根基上突然出现了一道裂缝!就算这道裂缝不至于让整根擎天巨柱轰然倒塌,令现代物理学的天空崩塌掉一半,对它的修修补补也势必会改写相对论——总之一句话,相对论这下可就是麻烦大了。所以谢耳朵才会说,超光速粒子可能是“ paradigm-shifting discovery”(改变某一领域大多数人共识的发现)。

OPERA 实验:撼动根本 or 满是漏洞?

但是,这一切都是有前提的,那就是“ OPERA 实验没有问题”。这项实验真的没有问题吗?实验原理看起来非常简单——只要精确测出 μ 中微子飞行的距离,再精确测出它出发和抵达的准确时刻,接下来就是简单的加减乘除了。

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OPERA“中微子超光速”实验示意图。从瑞士日内瓦 CERN 出发的中微子束经过 732 Km 到达意大利格朗索萨的 OPERA 实验室 / uni-muenster.de

然而,不论是精确测量距离,还是精确测量时间,都有大量可能引起误差的因素需要考虑。更重要的是,由于中微子性情孤僻,在 CERN 出发的无数中微子中,根本不可能预先知道哪个中微子会被 OPERA 抓住,就更不可能知道它到底是什么时刻在什么地方产生的了。OPERA 使用了一种看起来很复杂的统计方法来处理这种状况,似乎也存在不少可能出错的疑点。

所以,正如谢耳朵后一句话 “another Swiss export as full of holes as their cheese” 所说,这个结果很有可能 “像瑞士奶酪那样,浑身都是(漏)洞”。事实上,就连 OPERA 实验小组的发言人、瑞士伯尔尼大学的物理学家安东尼奥 · 埃雷蒂达托(Antonio Ereditato)都没敢把话说得太满。他只是谨慎地表示,实验小组穷尽了心思也找不出这个结果到底错在哪里,只能公布出来请大家帮忙来一起挑错了。

超光速:精彩如果继续……

很可惜,如此精彩的一个话题,居然没有引起在座几位女士的兴趣,以至于在她们集体退场之后,谢耳朵忿忿不平地把话题改成了“女人”。如果这个话题继续下去,他们都会说些什么呢?

实验物理学家 Leonard(我记得有一集他摆弄过激光来着……)或许会以挑剔的眼光盘点 OPERA 实验中可能存在的漏洞,也可能会跟工程师 Howard 一起商量,弄出个新的方案来重复这一实验(美国费米实验室的 MINOS 实验小组已经打算这么干了)。理论物理学家谢耳朵和 Raj 则会提出各种稀奇古怪的理论,来解释中微子为什么能够超光速……至于中微子到底有没有超光速——管他呢,反正 Leonard 们和 Howard 们总有一天会弄清楚的。

另外一种可能性(感谢 Ent 汉化~):
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                 来源:www.xkcd.com

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The End

发布于2011-11-16, 本文版权属于凤凰网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系凤凰

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Steed

专业级业余天文爱好者

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