2011年10月8日 星期六

超光速粒子的來龍去脈

微中子(neutrino)突破光速的消息,經媒體廣泛報導,大家應該「耳熟能詳」。挑戰相對論不是說着玩的,extraordinary claims require extraordinary evidence,今天就讓我們看看有什麼驚人證據支持這驚人結論。

「事發地點」在意大利 Gran Sasso 深山,那裡有個絕不微小的微中子探測器,重量超過一千噸,接收遠在瑞士和法國邊界的 LHC(Large Hadron Collider,大型強子對撞器)發射出來的微中子,兩地相距 730 公里。如此「山長水遠」,大部分粒子會被中間的岩石阻隔,唯獨微中子絕少與正常物質「打交道」,因而才能「直行直過」穿越幾百公里地底。由於微中子這種「孤僻」的特性,探測是極端困難的,現時還未知其質量,只知它非常輕,可能不及電子一百萬分之一。

微中子固然神秘,但計算其速度一點也不神秘,稍懂常識都知道:速度=距離/時間,若對超光速的結論抱懷疑,首先就是懷疑距離和時間的偏差。先看時間,微中子由 LHC 飛到 Gran Sasso 之需時是怎樣量度的呢?LHC 以質子(proton)撞向石墨,產生一大堆其他粒子,這些粒子在衰變過程中再產生微中子。實驗不可能巨細無遺地追蹤每顆粒子,哪顆 LHC 質子衍生哪顆 Gran Sasso 捕捉到的微中子,根本無法追查,情形好像一次混亂的馬拉松賽跑,一批黑影越過起跑線,中途擾攘一番,兩小時後一批黑影衝過終點,怎計時呢?不能逐顆計時,但整體而言有跡可尋,LHC 質子的時間分佈(圖表上一條曲線)跟 Gran Sasso 微中子的時間分佈(另一條曲線)形狀應該相近的,把兩條曲線盡量併合,圖表時間軸的相差便是旅程的時間(好像《信報》投資版羅耕經常玩的拼圖遊戲)。

該實驗的微中子到達 Gran Sasso 比光速早 60 納秒(nanosecond,十億分之一秒),「統計信心值」為六個標準差,即是只有 0.0000002% 機率是運氣使然;從統計學角度,實驗裡的微中子比光速快 60 納秒這個結論是近乎「鐵證如山」的。

為什麼量度的「起點」是質子不是微中子?LHC 不能探測微中子的,質子撞擊石墨之後,微中子可在一公里隧道內任何一處誕生,很明顯這可能導致一些誤差。實驗團隊的說法是,由於質子近乎光速,與微中子相差無幾,微中子在隧道哪處誕生並不重要,根據電腦模擬,這樣引致的誤差少於一納秒,相對微中子比光速早到 60 納秒,影響不大。

另一要點是 LHC 和 Gran Sasso 的時鐘必須是同步的,如何保證呢?運用 GPS 衛星。每顆 GPS 衛星都會廣播自己的時間,兩地同時見到某顆衛星,便可借其廣播來「較準」時鐘了。實驗團隊聲稱,兩地時鐘誤差大約二納秒,相對 60 納秒而言,影響也不大。

兩地的距離又有多準確呢?他們曾以多種方式量度(例如用光纖傳送光束計時),斷言誤差頂多 20 厘米(那是 730 公里裡的 20 厘米),這是少於一納秒的光速旅程。

時間看似十分準確,距離看似十分準確,還有什麼可能出錯?這就是問題,好像再沒什麼可能出錯。據我看過科普網站和博客之評語,實驗本身是紮實可信的,唯一啟人疑竇就是違反相對論,亦與二十多年前一次超新星爆發的觀察相左。

1987 年 2 月 23 日,分別位於日本、美國、俄羅斯的三個微中子探測器偵測到一批外太空飛來的微中子,當時仰望夜空,未有異像。三小時後,一顆超新星爆發的光線終於抵達,肉眼都看得到;這顆超新星命名為 1987A,因為它是 1987 年發現的第一顆。微中子先於光線到達地球,豈非超光速?事情沒有這樣簡單,天文理論預測超新星爆發首先製造微中子,然後才製造可見光,飛得近乎光速(沒有超過)的微中子先於光線抵達,證明了理論的正確。有人算過,如果那些微中子飛得像 LHC 至 Gran Sasso 那樣快,應該早四年抵達地球,並非早三小時。

很多人執着這點否定超光速微中子的可能,但這種質疑也不見得深思熟慮,超新星的微中子與 LHC 的微中子有着不同能量,會否因而快慢有別?微中子會否在地心吸力之下才超光速?沒有答案。

況且,我們也並非第一次捕捉到超光速微中子,2007 年美國有過同類實驗。芝加哥 Fermilab 的粒子對撞器把微中子射向 800 公里以外一個明尼蘇達鐵礦坑,同樣測出超光速,不過由於誤差頗大,「統計信心值」不夠高,大家都把「疑點利益」歸於愛因斯坦,繼續相信相對論,媒體也沒有掀起太大波瀾。

今次「統計信心值」極高,實驗結果非常「肯定」,總算引起學術界注意。不過相對論經過千錘百煉,經無數實驗及天文觀測驗證,大家對超光速微中子暫時都是半信半疑(甚至極度懷疑),等待更多證據。上述那個明尼蘇達鐵礦坑實驗將會「鹹魚翻生」,安裝更先進的 GPS 接收器、原子鐘和探測儀等,希望降低誤差,對微中子的快慢作一獨立查證,最快 2014 年有結果。

假若超光速真有其事,相對論怎算?過去作的天文觀測要不要重新計算?現在言之尚早,可以肯定的是,相對論不會完全被推翻,正如相對論沒有完全推翻古典力學一樣。古典力學在日常情況還是適用的,相對論實是包含了古典力學,再擴充至古典力學沒有觸及的範圍。假如超光速真有其事,相對論可能要修正,但不會完全被推翻。有些觀點甚至認為,相對論根本無須修正也可解釋超光速,微中子可能中途跳出了我們熟悉的三維空間,穿越其他維度,縮短了路程,快些抵埗也就不足為奇;相對論非但無須修正,更證實了更高維度的存在,這可能是超光速微中子的真諦。

最終結局如何?我討厭陳腔濫調,但還是要陳腔濫調地說一句:請大家拭目以待。

(2011 年 10 月 8 日 信報副刊)

7 則留言:

  1. 我以一個C9 身份問問題,唔好見怪。
    系地球上的測試,地球引力會否有影響?
    超新星發生系太空(我的觀念系太空個引力應該同地球好唔同⋯⋯) - 所以我問呢個白癡問題。多謝

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  2. 不必介意。

    文中提及的超新星離地球 168,000 光年,那是太空。微中子由超新星飛至地球,中途經過廣闊的無引力地帶;反之,地球的實驗在有引力下進行。微中子速度會否受引力影響,暫時不知道。一切有待將來更多實驗查證。

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  3. http://www.facebook.com/l.php?u=http%3A%2F%2Fwww.technologyreview.com%2Fblog%2Farxiv%2F27260%2F%23.TprZxX15E70.facebook&h=vAQBJmUulAQDfhzcLIRBN3fWI_d31ZngaPOKp-Jv6Er9lSg
    What do you think?

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  4. http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27260/

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  5. GPS 衛星的 relativistic effect 引致那 60 納秒的誤差?

    這說法最「引人入勝」是計算出來的誤差恰好 60 納秒左右,而且概念簡單,因此聽起來好像「頭頭是道」。不過,正如報導後段所說,一切要等學術界的 peer review,我等業餘人士實在很難判斷其正確與否:

    Peer review is an essential part of the scientific process and this argument must hold its own under scrutiny from the community at large and the OPERA team in particular.

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