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权威物理学家解读:中微子真是跑过光速的黑马?

2011年10月17日 14:26 来源:科技日报 参与互动(0)  【字体:↑大 ↓小

  中微子真是跑过光速的黑马?

  国内权威物理学家在本报举办的研讨会上解疑释惑

  记者 张梦然

  物质超过光速意味着什么?鉴于现有物理定律的约束,一旦物质超过光速的现象得到证实,那么,狭义相对论乃至现代物理学体系都将面临修正及扩充,亦由此改变人类对宇宙的认知。这就是何以一条“中微子超光速”的消息,会迅速引起科学界和社会公众广泛关注的原因。

  为探讨这一重大科学事件的影响和后续发展,10月14日上午,科技日报邀请国内权威物理学家举行了一场以“中微子超光速”为主题的座谈研讨会(研讨会专家发言摘要见今日二版)。来自中科院、北京大学、清华大学等单位的6名专家莅临现场,就主题进行解疑释惑,并与报社编辑记者展开互动。

  需审慎对待“中微子超光速”

  发布“中微子超光速”消息的机构是欧洲核子物理研究中心(CERN)与大型中微子震荡实验(OPERA)项目组。实验发现,位于日内瓦边境的CERN发射出的中微子束,“翻山越岭”来到730公里外的意大利,而它们的行进速度竟比光快了60纳秒。

  消息公布后,国内外物理学界对该结果颇多争议——这两大实验机构自有其权威严谨的口碑,但他们的实验过程与手法亦存在普遍受质疑之处。

  对于普遍最“纠结”的超光速的可能性问题,清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授何红建在发言中指出:“如果超光速是真的,标准模型的另一个基本对称性——时空对称性(洛伦兹对称性)就会被破坏。那么洛伦兹对称性破坏预期的能量尺度究竟在哪里?标准模型自身也无法提供这样一个尺度。”这样一来,洛伦兹破坏效应就只能受到普朗克尺度的压低。而对于OPERA实验来说,压低因子就小到10-18量级,远远小于OPERA实验声称的10-5量级的超光速效应。“虽然我们不敢说10-5量级的洛伦兹破坏效应绝对不会发生,但可以肯定,其发生的可能性非常小。因此,如果OPERA结果没有得到其他实验的独立验证,理论家们绝对不会感到任何意外。”

  中科院高能物理所研究员张新民的观点则是,中微子超光速的结果让物理学界许多人都持怀疑的态度。但需注意的是,OPERA实验组的人员也是优秀的中微子专家,对于流传的各种漏洞、误差,很可能已都在他们的计算范围之内。除非这其中有些现阶段还有未被人知的误差情况存在。“因而到目前为止,还只能说实验结果遭受质疑,却不能定论说完全错了,这需要进一步的实验来检验。”

  对于种种学术研究上的疑惑,中科院理论物理所吴岳良院士在发言中总结说,探求超光速事件的可能性,需有突破性的新想法。“虽然,由目前的相互作用和基本粒子而建立的粒子物理标准模型无法解释中微子的超光速现象,但有没有新的相互作用和新的物态?特别是与中微子之间的特殊相互作用,而不是与其他物质?”况且,从某种意义上来讲,“我们所有的研究一直是在挑战能不能超越爱因斯坦、超越现有理论。就好比今年的诺贝尔奖颁给了宇宙加速膨胀的发现,这表明宇宙中存在一种新的物态——所谓的暗能量,它的存在本质上也表明了要超越爱因斯坦”。因此,必须引入突破性的新想法,才有超越狭义相对论的可能。

  冲击相对论言之过早

  如果说有一种理论“一直被挑战,从未被超越”,那必是说相对论了。

  “若此次超光速实验结果被证实,将对现代物理学的一块基石——爱因斯坦狭义相对论带来极大冲击。因为狭义相对论认为,没有任何物质能跑过光速。一石激起千层浪,该说法旋即在科学界以及普通民众中引起极其强烈的反响。”中科院理论物理所研究员李淼介绍称。

  何红建表达了他的怀疑。他指出,只存在弱相互作用的中微子,恰好是包括电子在内的所有高速运动的基本粒子中在实验上最难控制和测量的,因而也最易出错。他进一步描述:“中微子超光速在实质上可以被认为是破坏了洛伦兹对称性,从而违背狭义相对论。”至于人们常说的物理学“标准模型”,自上世纪50年代以来为奠定标准模型所颁发的诺贝尔物理奖已达17次,而洛伦兹对称性就是这个理论包含的重要内容。

  目前,对于标准模型中狭义相对论的洛伦兹时空对称性的检验已经非常广泛而精确了,无数实验基于相对论框架做了大量测量,结果仍然与狭义相对论完全符合。从理论上讲,如果超光速是真的,不光狭义相对论,就连广义相对论也将面临相应的修改。要对整个现代理论物理体系进行如此庞大的修正是非常困难的,而罔论要让这些更改符合之前所有支持相对论的无数实验证据。

  “历史经验表明,一般在理论上完全没有把握的时候,物理学家只能依靠实验;但在实验很容易出错而理论又是如此严密可信的地方,应该正是值得实验家们慎思和反省的时候。显然,现在来谈这个实验对爱因斯坦理论的冲击,还为时过早。这也正是欧洲OPERA实验组的态度。”

  北大物理学院教授马伯强与何红建观点一致:“科学研究不可能保证每个人的看法一致,之后的很长一段时间内可能会涌现出大量不同的理论,或者不同的模型和理解。在反复讨论后,才能最终形成物理学层面上的共识。因此,其是否能撼动狭义相对论,需待进一步研究结果或数据的发布。”

  真正的科学允许犯错

  在探讨中,专家们认为该实验比较受质疑之处,包括两地时钟校对所采用的GPS系统(即天上卫星的铯原子钟)、当年观测到超新星SN1987A的中微子在时间上的反例,以及考虑到高能宇宙线粒子会产生π、K介子,而这些介子又会衰变成中微子给实验带来的数据误差;还有一点,则是超光速中微子的衰变也意味着它们到达探测器的能量和角度分布,以及时间结构都会发生改变,可能远不像OPERA声称的那样简单的测量。

  吴岳良指出,CERN与OPERA的人员自己也表示不排除用系统误差进行解释。“而我要讲的和强调的是,我们所有实验和理论研究都是朝着发现新现象和提出新理论,超越爱因斯坦和前人研究成果这个目标而努力的,爱因斯坦本身就超越了牛顿。我们知道,所有实验都是在一定条件下做的,当实验条件和环境等改变以后,物理现象也可能就会随之发生变化,这是科学家们在研究时的重要出发点和探索目标。”

  马伯强最后一语道出,科研就是为了探索并超出前人,要想澄清事件是荒谬还是正确的,就应对探索中的错误保有宽容度。“物理学家的一个目标就是要发现超出标准模型的新物理,勇于挑战过去的物理规律。从传统来讲,一个实验最终被大家接受不能是一家之言,而需要不同组在不同地方多次重复验证。但即便如此仍有犯错的可能,这在科学史上也很正常。所以如把这件事情当成探索过程来理解的话,就会觉得非常自然,也会发现一些新的东西。”也就是说,“给人们时间来证明到底孰对孰错”。

  颠覆学术传统未必就是大不韪

  CERN与OPERA这次公布实验结果的方式有悖于通常的学术习惯,即未经最终检验,先将文章预印本放在网站上公之于众。而依惯例,文章要向杂志社正式投稿,通过出版做正式的“注册”。这是科学研究的“法律程序”。

  据称,这是欧洲实验组内部投票作出的决定。他们主要希望国际同行们能够帮助他们找错,促进更多实验组进行独立检验。同时,也抢占了公布或注册这一发现的先机。

  中科院高能物理研究所研究员陈国明认为:“意大利的实验室公布的实验数据中,没有提到本底中微子通量和发出的中微子数量的比例,也没有两者相关性的介绍。将这种还未达到正式发表标准的论文公布出来的做法是不严谨的,其实验结果也是值得怀疑的。”

  而马伯强的意见是,尽管有悖传统,但鉴于该实验对物理学的发展也有积极意义,其将推动一大批物理学家对于基础理论进行思考,并吸引更多年轻人加入到探索之中。

  张新民亦从广大民众的关注程度上作了分析。他指出,这一段时间媒体对“中微子超光速”非常关心,影响很大。而近期在CERN举办的一个国际高能物理会议中,也有报告援引“中微子超光速”的例子,来讲述高能物理、粒子物理研究的对外宣传。“这个发现出来以后,科学界、媒体和社会都感到非常新奇,特别是激发了年轻人对物理学的关注。”人们应注意到,“有些新的发现不是事先规划出来的,这一点对于科研管理工作来说非常重要。另外,希望我们国家在制定科学规划的时候,应该鼓励一些看似‘冒失’‘冒险’的项目,在科学前沿探索领域应不怕失败,以有更多创新性的发现。”

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【编辑:张中江】
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直隶巴人的原贴:
我国实施高温补贴政策已有年头了,但是多地标准已数年未涨,高温津贴落实遭遇尴尬。
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