宇宙射线-超光速

宇宙射线

所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙射线还存在着转化、簇射的过程。除中微子外，几乎所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。1938年，法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现了这一现象，并将其命名为“广延大气簇射”。

时至今日，宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域，许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在，人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为，宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此，一部分科学家认为，宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻，“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流，射向宇宙空间；另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。

不管最终的定论将会如何，科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线，罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释：

“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定，人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。”

出于对宇宙射线研究的重视，世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论，但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性，以及对地球和人类环境的影响。

虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

还有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形成。

此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有

可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看，宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。

根据1905年发表的爱因斯坦狭义相对论，没有物体的运动速度能够超过光速。然而，意大利科学家今年9月在实验中观测到，中微子比光子速度快十亿分之一秒，在物理学界引起了——

超光速震撼

日期：2011-11-02 作者：张操来源：文汇报

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）

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□张操

新闻背景

今年9月22日，著名的英国《自然》杂志网站报道了意大利格兰萨索国家实验室的OPERA研究团队探测到μ中微子超光速现象。报道说，一个重达1800吨的探测器安放在1400米的地下深处，探测来自欧洲核子研究中心的μ中微子。在这段长达730千米的粒子通道上，利用全球定位系统（GPS）对两地时间进行校准，研究人员发现中微子“跑”过这段距离的速度比光速快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。

宇宙中的小精灵

在基本粒子家族中，中微子的行为最难以捉摸，是宇宙中的小精灵。顾名思义，中微子不带电，是个中性粒子。与它的“大哥”——中子相比较，它们的“性格”差异很大。中子表面上是个中性粒子，可是内部有复杂的电磁结构，而中微子内部完全不带电。中微子有3种类型，即电子中微子、μ中微子（缪中微子）和τ中微子（陶中微子）。从质量上讲，中微子的固有质量至少要比中子小一亿倍，微小到几乎为零，所以非常难以被测量到。物理学家通常认为中微子以光速运动。

当物理学家刚开始认识小精灵中微子时，它就引起了第一次震撼。大约在100年以前，物理学家就发现了放射性元素β衰变现象。他们进一步发现β衰变过程中发射出的电子的能量是不固定的，这就违反了物理学中的能量守恒定律。为了“挽救”物理学的这个基本定律，奥地利物理学家泡利在1930

年提出了中微子假设。他假定在放射性元素β衰变中，产物粒子不仅仅是电

子，还有一个中性的微小粒子，即中微子。1933年，费米利用中微子假设完善了β衰变理论。他指出，中微子与物质发生弱相互作用。于是小精灵中微子成为了捍卫能量守恒定律的勇士，虽然人们在实验上测量到它是20年后的事情。

第二次震撼发生在1956年，李政道和杨振宁在研究某种基本粒子的特性时发现：在中微子参与的弱相互作用的所有实验中，宇称不守恒。他们指出，中微子都是左旋的，而反中微子都是右旋的。这些创新理论很快得到实验证明，于是李政道和杨振宁在1957年获得诺贝尔物理奖。小精灵中微子大显威风。

最近一次震撼发生在今年9月22日，欧洲研究人员发现了中微子的运动速度竟然超光速，小精灵中微子的神速震惊了全世界。

超光速实验震惊同行

英国《自然》杂志网站9月22日报道，欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象，这一现象违背了爱因斯坦相对论。据报道，意大利格兰萨索国家实验室的一个名为OPERA的实验项目接收了来自欧洲核子研究中心的中微子，两地相距730公里，中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。研究人员对此持谨慎态度，欧洲核子研究中心OPERA实验发言人埃雷迪塔托说:“我们对我们的结果很有信心。我们已经反复核查过所有可能造成测量结果的误差,但没有发现差错。”他说:“我们现在希望同行们独立检查这些结果。”

上面那张超光速中微子实验装置的示意图，取自OPERA实验团队发表的论文。论文上署名人数多达180人。图中白色半圆代表位于日内瓦的欧洲大型强子对撞机（LHC）的质子跑道。图上方的深色圆柱体代表质子撞击的靶子。撞击后产生的介子进入图中黑色的管道，介子在撞击靶子后，同时产生了μ介子和μ中微子。图下方的小白点即代表μ中微子；深色小圆柱体代表μ介子探测器，它记录μ中微子的起步时间。中微子可以轻易地穿过地球，所以射向意大利格兰萨索国家实验室的中微子大部分穿了过去，仅仅一小部分被测量到。

欧洲OPERA实验项目的原本目的是为了检验μ中微子与τ中微子的转换，即中微子振荡。他们在三年的时间中总共进行了一万六千次中微子发射，而每一次的结果都指向同一事实：这些中微子就是要比光速快,这是一个石破天惊的意外发现。参与实验的瑞士伯尔尼大学的伊拉蒂塔托说，他和同事被这一结果震惊了，他们随后仔细考虑了实验中其他各种因素的影响，认为这个观测结果站得住脚，于是决定将其公开。

由于超光速中微子触犯了物理学的圣经——狭义相对论，物理学界一片哗然。有位著名的物理学家几乎不加思考地对记者说：“我打赌他们是错的”。他还对记者表示：最新证明光速被打破的实验结果不太可能是真的。可是著