【科學新知】突破光速的粒子

■ 微中子實驗結果，挑戰現代物理學的基石。

編譯 | 高英哲

      義大利科學家進行微中子實驗，得到證據顯示，這種基本粒子可以跑得比光速還快。其他研究者對此結果持保留態度，但倘若驗證為真，現代物理學最基本的規則——也就是沒有任何事物，能夠以超過每秒兩億九千九百七十九萬兩千四百五十八公尺的速度運行——就會被推翻。

      這項實驗叫做「乳劑追蹤儀器振盪計畫」，簡稱 OPERA ，在義大利葛藍薩索國家實驗室地下一千四百公尺處進行。實驗是設計用來研究從七百三十公里外，瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織 (CERN) 高能物理實驗室，所發射出來的微中子束。微中子是不帶電的基本粒子，跟其它物質鮮有互動，質量極小，卻無所不在，因為太陽的核融合反應會製造出非常多的微中子副產物。每秒鐘都有成億上兆的微中子，在穿透你的眼珠。

      重達一千八百噸的 OPERA 偵測器，是由一系列複雜的電子與光學感光盤陣列所組成。不過這台複雜的儀器，測得的結果卻很簡單：微中子抵達偵測器的速度，比光速還要快上六十奈秒。擔任 OPERA 發言人的瑞士伯恩大學物理學家伊瑞迪塔托 (Antonio Ereditato) 表示，他們對實驗結果都感到很訝異。

      在真空狀態下，沒有東西能夠跑得比光還要快，這是愛因斯坦狹義相對論的基礎，也是造就現代物理學的根本。倘若微中子跑得比光速還要快，那麼科學最基本的假設之一，也就是對於所有觀察者來說，物理規則都一體適用的假設，就不再有效。

      伊瑞迪塔托表示，他對於新的實驗結果很有信心，可以將其公諸於世。計畫研究員聲稱，他們測量從 CERN 到 OPERA 偵測器，中間這段七百三十公里的距離，誤差在二十公分以內；測量微中子跑這段距離所費的時間，誤差可在十奈秒以內。而且他們在過去兩年內，已經在一萬六千多個微中子事件中，測量到這個效應。有鑒於此，他們認為實驗結果具有六個標準差的顯著性——這是物理學家在說一件事情確實如此的方式。研究小組將實驗結果呈報給 CERN ，並發表在物理學論文網站 ArXiv.org 伺服器。

      其實以前就有過實驗，也得到類似的結果，不過信賴區間低得多了。二〇〇七年時，在美國明尼蘇達州進行的「主要發射器微中子振盪搜尋實驗」 (MINOS) ，就發現從伊利諾州的費米實驗室射出的微中子，抵達的時間比預期稍微提前了些。當時 MINOS 的研究團隊低調處理實驗結果，部份是因為偵測器的確實位置，有太多不確定性，無法確定實驗結果的顯著性。計畫發言人湯瑪絲 (Jenny Thomas) 表示， MINOS 研究團隊在 OPERA 最新的實驗結果出爐前，就已有進行更精確的後續實驗的計畫，期望能夠在一兩年內得到新的測量數據。

      假如 MINOS 的後續實驗，能夠證實 OPERA 的新發現，其後續影響相當可觀。義大利波羅那大學理論物理學家吉齊奇 (Antonino Zichichi) 表示，一旦放棄了光速的限制，狹義相對論就會分崩離析。他推測 OPERA 偵測到的那些「超光速」微中子，可能是從太空裡的額外向度溜出來的，像是弦論之類的理論所預測的那樣。

      服務於 CERN 的理論物理學家艾利斯 (John Ellis) ，對此持保留態度。他說過去有很多實驗想要找到超光速的粒子，卻空手而歸。附近一顆編號為 1987a 的超新星，所射出的微中子脈衝，就與 OPERA 的實驗結果不一致：倘若 OPERA 所發現的超光速，對於所有的微中子都一體適用的話，那麼這顆超新星所發出的微中子脈衝，就該搶先於星體爆炸的光線好幾年抵達地球，但事實上他們抵達地球的時間，相隔卻不過幾小時。艾利斯認為，由此很難確認 OPERA 所觀察到的超光速現象。

      伊瑞迪塔托表示歡迎外界批評指教，但他也說這個驚人的實驗結果，研究者迄今還無法找到任何其他可能的解釋。他們也不是隨便在公佈實驗結果的，但是已經研究到這個地步，就該是讓整個社群來公評的時候了。

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研究出處：Particles break light-speed limit (nature news)

責任編輯：Nita Hsu