(图文)爱因斯坦错了吗？费米实验室质疑超光速结

据国外媒体报道，上周四，位于瑞士日内瓦与法国边境接壤的欧洲核子研究中心（CERN）宣布了一项惊人的实验结果：在该中心此前进行的中微子振荡（感光）跟踪（仪）实验中，研究人员发现中微子运动的速度超过光速。中微子是轻子的一种，且显电中性（不带电）。对于该实验结果，目前除了欧洲核子研究中心外，还没有任何一个实验室能证实这个实验结论是否正确。而美国费米国家实验室将对中微子超光速实验结果进行验证。

 

 

美国费米国家实验室巨大的环形加速器

毕竟，如果中微子超光速现象得到证实，这就意味着由欧洲核子研究中心中微子振荡跟踪实验（参考图2）中得出的结论将对爱因斯坦的狭义相对论构成重大挑战，这是因为爱因斯坦的狭义相对论中提到：在计算相对论质量时，所采用的公式要求物体的运动速度不可以达到光速，更别说超过光速了，即没有任何物体的运动速度比光速还快。而欧洲核子研究中心的实验结论却是中微子运动速度能超光速，这就是爱因斯坦理论与当前实验结果相矛盾的根本原因。

 

 

欧洲核子研究中心中微子超光速实验（及该中心地下对撞机线路结构）示意图

面对欧洲核子研究中心的实验结果，许多科普作家以及物理学家都对中微子能超光速运动表示质疑。但是，为了明确表明是否有必要对爱因斯坦的理论进行修改，我们就要进行重复性实验。美国费米国家实验室粒子物理实验室正在着手对这个实验结果进行验证。如果实验结果能被复制，也就是说也可以得出中微子超光速运动的结论，那爱因斯坦的狭义相对论很可能要进行部分修改。

事实上，早在2007年时，在美国美(微博)国伊利诺伊斯州巴达维亚与明尼苏达州进行的（主注入式）中微子振荡搜寻（MINOS）高能物理实验中，位于伊利诺伊斯州巴达维亚的美国国家费米实验室的物理学家将主注入器产生的中微子束穿过位于该实验室的近程探测装置，然后击中位于数百英里外的明尼苏达州废铁矿井改造的远程探测装置。该实验当时得出的结论是：首次记录到中微子运动速度超过光速。但是，这个结果并没有引起多大的注意，这是因为实验结果在误差的范围之内。

 

 

使用GPS信号测量中微子振荡跟踪实验原理图

现在，美国国家费米实验室已经准备好了更加精确的测量装置，如果他们能证实欧洲核子研究中心得出的中微子超光速结论，那么这将是最重要的科学发现之一。（主注入式）中微子振荡搜寻（MINOS）高能物理实验的发言人、英国伦敦大学的粒子物理教授珍妮托马斯（Jenny Thomas）在一封电子邮件中提到：（主注入式）中微子振荡搜寻（MINOS）实验计划进行多项改进，以更新2007年进行的初始测量结果，其中包括10倍乃至更多的数据。

费米实验室将在未来的四到六个月期间得出新的实验数据，因为费米实验室进行的验证实验只是在原有基础上进行更新，以便更仔细地核对测量结果。粒子物理教授珍妮托马斯解释道：在费米实验室进行的验证实验中，将有一个小组（大约四到五人组成）负责使用精确的GPS系统（参考图3），即原子钟来测量由费米实验室主注入器产生的中微子流，要保证该束中微子流精确地穿过近程探测装置，而位于明尼苏达州的远程中微子探测装置与其相距450英里远。

从图2欧洲核子研究中心地下结构分布图上可清楚看出：超级质子同步加速器（SPS）产生的质子流经过TT41通道的目标跟踪等确认后，最后进入两个 μ介子探测装置，并前往730公里外的位于意大利中部的格兰萨索（Gran Sasso）国家实验室。而TT41的功能主要是跟踪中微子在目标方向上的相互作用，以及测量中微子抵达意大利实验室的时间。此外，图中从上到下依次分布着：超级质子同步加速器（SPS）通道，大型强子对撞器(LHC)通道和大型电子－正电子对撞器(LEP)通道。

值得注意的是：参与本次验证实验的仅是美国国家费米实验室的一个部分，而费米实验室粒子物理实验室的另一个主要部分将由于资金缺乏的问题而关闭，它就是费米实验室万亿电子伏特加速器(Tevatron)。该加速器被认为是可与欧洲核子研究中心的大型强子对撞机相匹敌的装置。在欧洲大型强子对撞机未问世之前，其一直是世界上最大的粒子加速器。欧洲大型强子对撞机于2008年启动，而费米实验室万亿电子伏特加速器将于9月30日下午2点关闭。

因此，尽管以美国费米国家实验室为代表的研究机构在粒子物理学探索上发挥着自己的作用，但是，在未来谁将会是该领域的主要领导者仍然是一个悬而未决的问题，就如同欧洲核子研究中心的中微子振荡（感光）跟踪（仪）实验结果，依然是个未知数