とね日記

理数系ネタ、パソコン、フランス語の話が中心。
量子テレポーテーションや超弦理論の理解を目指して勉強を続けています!

ニュートリノの速度が光速より速いという実験結果について

2011年09月24日 16時05分24秒 | 物理学、数学
この連休は京極夏彦のミステリー小説に没頭しようと思っていたのに、とんでもないニュースが舞い込んできた。全くもって迷惑な話だ。気になって読書どころではなく、僕のペースはすっかり乱されてしまった。

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後日追記:

この実験にはミスがあったことがわかり、光速より速いニュートリノの存在は今も否定されている。

ニュートリノ、「超光速」撤回 名古屋大などが正式に発表 再実験で判明
http://sankei.jp.msn.com/science/news/120608/scn12060810170000-n1.htm
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今回の実験結果の解釈がもたらす影響は物理学の世界だけでとどまることはないだろう。物理ブログ仲間(先輩)のkafukaさんやTOSHIさんは、さっそく記事をお書きになっている。

これはニュートリノ振動からの帰結ではないか(50才からの量子力学)
http://blogs.yahoo.co.jp/kafukanoochan/64781691.html

光速より速いニュートリノ発見か?(TOSHIの宇宙)
http://maldoror-ducasse.cocolog-nifty.com/blog/2011/09/post-b7eb.html


今回の実験(観測)が世間の注目を引いているのは次のような理由によるのだと思う。

- 有名なアインシュタインの相対性理論にかかわるテーマであるため。
- 「光の速度を超える」というテーマ自体に強いインパクトやロマンがあるため。
- 「光の速度を超える」ことは、素人にとってもわかりやすい現象であるため。
- 一般の素人にも馴染みがあり、物理学の根幹をなす「時間」や「速度」がテーマであるため。
- 無名の研究所ではなくCERNという世界でいちばん有名な研究組織からの発表であるため。
- 特殊相対性理論が高校レベルの数学で説明可能なため。
- 「相対性理論が覆されるのでは?」、「タイムマシンが実現可能?」という誤った認識で(一部のメディアから)センセーショナルな報道がされているため。


日本時間の昨夜11時から2時間、CERNのWebcastとして実験方法と実験結果の内容がライブ配信された。(トップの画像)

ニュートリノは光より速いのか - 相対性理論を覆す可能性をCERNが提示
http://journal.mycom.co.jp/articles/2011/09/25/neutrino/

実験による測定結果を換算すると、真空中で光が1秒間におよそ30万㎞進むのに対し、ニュートリノは7.4㎞だけ余分に進むという結果が得られた。実に微妙な差である。30万㎞とは地球7周半くらいだ。

もし今回の結果が正しいならば、第一級の発見であることには違いないし、世界中の物理学者が注目している「説明会」なので、アマチュアと言えども見逃すわけにはいかない。ワクワクしながらあっという間の2時間だった。著名な先生方のツイートも大いに参考になった。

スクリーンショットを撮ったので、重要なポイントだけ紹介しておこう。


実験結果:測定値には多数のニュートリノ観測の結果による統計誤差と測定システムによってもたらされるシステム誤差が影響する。そしてそれらの誤差が小さいことがわかる。



最終結論:ニュートリノの速度が光速を超えていることが示されている。さらに2枚目のスライドの最後では「実験結果に対する理論的な解釈や現象的な解釈はしないことにする。」と明言している。つまり今回の実験結果は時間と空間についての認識に計り知れない影響があるため、その解釈には慎重に慎重を期したいというわけだ。





今回の実験、解析方法については、rikunoraさんが詳しく解説されている。(10月1日に追記)

超高速ニュートリノ実験レポートを読む(悪魔の妄想)
http://d.hatena.ne.jp/rikunora/20111001/p1


多くの物理学者が言っているように、今後慎重に慎重を重ねて今回の実験方法と実験結果が精査され、さらなる実験の積み重ねによって、この「仮説」を検証していかなくてはならない。

僕自身も、今の時点では「タイムマシン」や「虚数の質量」などについて、安易に口走らないように気をつけることにした。

それでもひとつだけ言っておきたいことがある。それは、もし今回の実験結果が正しいのだとしても、相対性理論をくつがえすものではないということだ。kafukaさんも記事で書いていらっしゃるように、(特殊)相対性理論の適用範囲が光速を超えた領域に拡大したということなのだと僕は思っている。


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9月25,26日に追記:

Caltechの大栗先生、KEKの野尻先生も、今回の件について記事をお書きになりました。ぜひお読みください。

光よりも速く(大栗博司のブログ)
http://planck.exblog.jp/16894606/

タイムマシンは可能になるのか(大栗博司のブログ)
http://planck.exblog.jp/16899153/

科学と報道の間で (ニュートリノの速度と光の速度)
http://nojirimiho.exblog.jp/14626467/

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参考サイト:相対性理論について学びたい方は以下のサイトをお勧めする。

相対性理論:
http://www.geocities.jp/maeda_hashimoto/tor/tor_pindex.htm

EMANの相対性理論
http://homepage2.nifty.com/eman/relativity/contents.html

今回のテーマについては、このページで解説されている。

なぜ光速を越えられないのか(EMANの相対論):光速以上に加速は不可能、超光速の存在、虚数の質量
http://homepage2.nifty.com/eman/relativity/tachyon.html


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32 コメント

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ご紹介、ありがとうございます (kafuka)
2011-09-24 17:37:03
TOSHIさんの記事と並んで紹介されるなんて光栄です。
もし、光速度の方が修正されるなら、
ニュートリノより光子の方が質量が大きいことになり、
光子の質量を0とおくQEDの計算結果は、どうなるのでしょう?
Re: ご紹介、ありがとうございます (とね)
2011-09-24 17:49:49
kafukaさん

どういたしまして。物理ブログのメンバーでこの話題を取り上げている人は、まだ少ないですね。

> もし、光速度の方が修正されるなら、

今回の実験は光とニュートリノを「よーい、ドン!」で競争させたわけじゃないから、そういう可能性も残っているわけですかね?

もしそうなら、QEDも書き直さなければならなくなるのは明白ですが、いったいどのようになるものか皆目見当がつきません。

現在採用している光速の測定精度というのはいったいどれくらいなものでしょうかね?
EMANさんの掲示板では、、、 (kafuka)
2011-09-25 01:04:53
光速度の方が修正されるという意見が出ていました。
TOSHIさんも その可能性に言及されています。
しかし僕は、QEDの計算は、たしか10桁くらいの精度があるので、今回の10万分の2という差異の影響は、
(2乗で効くのだったら10万分の4。3乗なら10万分の6)
という大きな影響になると思うので、
TOSHIさんに質問しました。
Unknown (YoshY)
2011-09-25 08:36:22
何年か前にジョアオ・マゲイジョの{高速より速い光」という本を読みましたが、結構説得力があったように記憶します。

高速より速い光であって、ニュートリノについて言及したわけではないでしょうが。
kafukaさんへ (とね)
2011-09-25 11:23:48
EMANさんの掲示板のほう読ませていただきました。

今回の実験について、専門家の方のお考えもいろいろ読んでみたいと思います。
YoshYさんへ (とね)
2011-09-25 11:31:51
こんにちは。

この本のことですね。このブログで紹介記事を読む限り、著者はかなり異端児のようですね。(笑)

ttp://nearfuture8.blog45.fc2.com/blog-entry-143.html

ttp->httpとして開いてください。
GPSの誤差、、、 (kafuka)
2011-09-25 11:35:08
たぶん、それは検討すみと思います。

KEKの野尻美保子さん のブログが詳しくようです。
http://nojirimiho.exblog.jp/14626467/
逆に、GPSに想定外の誤差があるなら、
一般相対論の方が危なくなると思います。
Re: GPSの誤差、、、 (とね)
2011-09-25 12:59:29
kafukaさん

野尻さんのお書きになった記事、読ませていただきました。
マスコミ報道と現場の雰囲気の乖離、実験や解析の前提条件や正確性、統計処理、他の実験と比較する上での注意など、検討を重ねなければいけないことはたくさんあるものですね。
ご紹介された記事は誤っていました (kafuka)
2011-09-26 20:13:34
すみません。
お手数ですが、削除して、新しい方の
「これはニュートリノ振動からの帰結ではないか」
を、ご掲示下さい。
こっちは、自信があります。
Re: ご紹介された記事は誤っていました (とね)
2011-09-26 20:23:10
kafukaさん

早速、紹介記事を差し替えておきました。
連絡いただき、ありがとうございます。
僕の記事、、、 (kafuka)
2011-09-26 20:33:36
どう思われますか。
筋は、通っていると思うのですが。

尚、この推論は、量子力学での議論の前提である「状態ベクトルのノルムは不変」ということを、
逸脱して、むりやり f(x) を導入しています。
これは、わざとです。
Re: 僕の記事、、、 (とね)
2011-09-26 23:35:49
kafukaさん

細かいことはよくわからないのですが、僕は量子力学の波動関数と今回の件は、関係ないような気がしています。
Unknown (ひろゆき)
2011-09-27 01:04:03
私の意見ですが・・・

衝突問題は2体問題なのに、(1体しか記述できない)量子力学で記述すること、議論すること自体すべて不可能だと思います。多体系を記述する場の量子論が必須です。
お久しぶり (永田)
2011-09-27 02:35:08
お久しぶりです。
とねさんの記事中にある誤差の式は、何をどうあらわしているのか出来ましたら簡単に教えてくれませんか?
私も野尻さんのブログ記事読ませてもらいましたが、彼女もかなり懐疑的な考えのようですね。
そうですか、、、 (kafuka)
2011-09-27 02:52:28
運動量が複素数というのは全くのトンデモのようですが、
運動量p=γm0v=mv ですから、vが複素数になります。
tanhθ=v/c とすると、その粒子にとっての光速度の軸(ミンコフスキー図の45°の線)が
傾き(実数なら単なるローレンツ変換なので傾きません)
その粒子にとっては光速度を越えていないが、
実験室から見ると、光速度を越えて観測される
のでは、と思っています。
(勘違いだったらご指摘、お願いします)
で、運動量が複素数になる原因ですが、トンネル効果の類推から、
ニュートリノ振動に起因する とすれば、すっきりします。
それで、無理やり量子力学でニュートリノ振動を考察したわけです。
ひろゆきさん、永田さん、kafukaさん (とね)
2011-09-27 07:36:24
ひろゆきさん、永田さん、kafukaさん

すみません!仕事のほうで多忙を極めておりまして、この問題について深く考えたり返信を書いたりする余裕がない状況です。

返信無しでは失礼にあたると思いまして、ご連絡させていただきます。

ひろゆきさん、永田さん、kafukaさん (とね)
2011-09-27 13:15:08
取り急ぎ、簡潔に返信させていただきます。

ひろゆきさん

そうですね。僕も量子力学だけでは無理なんじゃないかと思います。

永田さん

ニュートリノのビームが730Kmを進んだときにかかる時間について、光の場合にかかる時間との差δtが60.7ナノ秒という測定値でした。
しかしこの値には次のような統計誤差とシステム誤差があるというわけです。誤差を考慮しても「光との差がある」というのが、OPERA実験チームの主張です。彼ら自身にもこの差の理由はわかっていません。

δt = TOFc-TOFν=(60.7±6.9(統計誤差)±7.4(システム誤差))ナノ秒

詳細はこちらのニュース記事でどうぞ。

ニュートリノは光より速いのか - 相対性理論を覆す可能性をCERNが提示
http://journal.mycom.co.jp/articles/2011/09/25/neutrino/

kafukaさん

僕自身は量子力学的な原因だとは思っていませんので、申し訳ありませんが細かい考察に立ち入ることができません。kafukaさんの記事のほうでいろいろ議論が進んでいるようですね。そちらを読ませていただきます。
ひろゆきさんへ (kafuka)
2011-09-27 17:10:14
それは、おっしゃるとおりなんですが、
「状態ベクトルのノルムの不変」を、適切に処理すれば、
ある程度の近似は、できると思っています。
僕の議論は、1個のミューニュートリノだけに注目しています。
つまり、1体問題です。
また、730Kmも飛んだ後のニュートリノは、
自由粒子と考えていいと思います。
Unknown (ひろゆき)
2011-09-27 18:02:21
>>とねさんへ

忙しい時にコメントしてごめんなさい。お許し下さい。

>>kafukaさんへ

僕は量子力学について無知なので、今回のニュートリノの実験方法も含めて理論的な側面についても全く予想がつきません。

ただ、実験を考慮するにいたっては実験の信憑性や、芸大物理学の最前線まで含めたその実験の関連する理論をすべて整理し、その上で、(もし実験が正しいなら)理論的な考察に移るべきだと考えております。

そのために、ニュートリノという単語自体、量子力学を超えて、場の量子論まで影響する可能性があり、より一般的な理論の観点から議論する必要があると考えております。

そういうことから考慮しましても、一般的な概念的な理解、知識では今回の実験は検討することができないと思っています。いくらでも過去の論文等とおなじ検討をしたりすることはできます。

最低限、これまで/これから理論屋さんが行なってきた数々の考察を見直し、それから議論をするべきだと思っています。

実験の信憑性がままらなないうちから理論的に考察することは物理学を考察する点において致命的なので(最低限のことができているならともかく)あまりpublicにもやらないほうがいいかと思います。
Unknown (ひろゆき)
2011-09-27 18:28:18
ミスタイプです・・・。すいません!

>>性や、芸大物理学の最前線まで含め

芸大物理学ではなく、現代物理学でした。。。
ひろゆきさんへ (kafuka)
2011-09-27 19:03:03
>実験の信憑性がままらなないうちから理論的に考察することは
>物理学を考察する点において致命的
主観ですが、信憑性は十分あると思います。
(発表までに3年かけた名大のグループは、学者生命をかけています)
僕は、別に「新理論」を提案しているわけではありません。
従来の理論が正しいことを前提としています。
教科書にないことは、
量子力学で、多体問題を近似するのに、
(状態ベクトルのノルムの不変)を度外視して、
個数に対応する関数を導入して記述したくらいです。

まぁ、素人がPublicに発言しては、いけないでしょうが、
ブログは、私的なものというのが、Netでは常識と思っていますので、
正しいという自信があれば、書いています。
(でも、十分笑いものになってますが)
kafukaさん、ひろゆきさん (とね)
2011-09-27 19:25:17
この件について、じっくり考えたり教科書などをひもといて調べたりする時間がとれませんし、お二人の間の議論が平行線になりそうな予感がするにもかかわらず、コメント公開を承認するくらいの時間しかとれません。

勝手なお願いですが、お二人のこのコメント欄への書き込みは、以降2回ずつまでに制限させてください。3回目以降のコメント入力は申し訳ありませんが非承認とさせていただきます。

ただし別のテーマでの書き込みについては(内容にもよりますが)この限りです。

ブログ内での議論が加熱し過ぎることを防ぐためですので、ご理解いただきますようお願いします。

Unknown (ひろゆき)
2011-09-27 20:55:59
>kafukaさん とねさん

私のコメントでご気分を悪くさせてしまい申し訳ありません。
反省しております。

P.S信憑性という面ですが、私の中では再現できるなら信用できると思ってますので、それまで待っておきたいのです。ご自身のブログの中での議論はいくらでもいいでしょうが、他人のブログのコメント欄で持論を展開なさるのも少しどうかと思った次第です。

本当に申し訳ありませんでした。

申し訳ありません (kafuka)
2011-09-27 21:21:28
http://blogs.yahoo.co.jp/karaokegurui/64196296.html
に、tee_nakaさんが、
理論的にこれを説明しようという論文を
紹介されています。

僕のような素人には、チンプンカンプンですが、、、
賭ける (hirota)
2011-09-30 17:45:26
既存理論の修正なしで、超光速を実現する新しい量子力学的裏技が見つかる方に1ガバス。
Re: 賭ける (とね)
2011-09-30 18:56:57
hirotaさん

ゲーマーではないので「ガバス」は知りませんでした。(笑)

僕はまだみなさんのブログ記事をじっくり読む時間がとれていないのですけれども、直感で賭けをするとしたら「今回の実験は何らかの原因で「超光速に見えるだけ」で、本質的には光速を超えていない。」という消極的な結論に1ガバス。ということにしておきましょう。
「何らかの原因」というところは、皆目見当がつかないのでつっこまないでください。(笑)

でも、みなさんのお書きになった記事を読んだらこの賭けを撤回するかもしれません。
CERNの欠陥でしょ? (ms)
2012-01-06 15:27:39
ニュートリノが光速を超えない事は、超新星爆発の時に実証済みじゃないのですか?
今回の発表は:
 「実験結果の間違いの原因が私らの頭では思いつかないので、誰か教えて!」
と、実験した人達が発表しただけでしょう。

既に指摘されているように、自作で無いGPSと測定機器を使っているので、そこら辺を詳細に解析できないのが原因でしょう。
 私がさらに思うのは、機器の製作会社は既に原因に思い至っているのだけど、今までの他の実験成果、あるいはCERNそのものの存在価値に影響する不具合があって、怖くて発表できないのですね。
 こんなものに大金を費やして経済危機でアタフタして、しかも屑だったとわかったら、アアオソロシ。
 光速と云う分りやすい例で不具合が顕になっただけでは無いですか?

 
Re: CERNの欠陥でしょ? (とね)
2012-01-06 20:34:46
msさんへ

msさんと同じ考えの人も大勢いることと思います。
OPERAチーム以外の研究チームが(GPSを含めて)別の観測装置を使って早く結果を出してほしいものですね。
ReRe: CERNの欠陥でしょ? (ms)
2012-01-07 10:43:08
わざわざ御返答ありがとうございます。
kafukaさんが載せているサイトで全く同じ事を言っていますね。しかも9月に既に。私はかなり色々(非物理的に)考えてこの考えになりましたが、さっき上記のページを読んでガクッと膝が抜けました。
 
Unknown (ms)
2012-01-07 11:41:00
それとも、ここ数年で光速が以前より速くなったのかも。光速の再測定(真空の透磁率・誘電率だったかな?)が良いかな?
 話題として、早く結果が知りたいですね。
ニュートリノ「光より速い」実験結果が訂正された詳細 (もえおじ)
2012-06-04 20:58:47
記事の引用ですみません。

名古屋大などの国際研究グループ OPERA の研究チームの発表によると、
↓「報告された実験結果に有意な影響を及ぼした問題を 2つ確認した」。

第1の問題は、同実験の基準となる時計へとGPS信号を送信するのに用いられた光ファイバーケーブルの接続にゆるみがあった。

第2の問題は、イベントの時間同期において、GPSが提供したタイムスタンプに誤りがあった。 Slashdotの記事によると、地球の中心からの距離の違いによって、始点であるCERNの方が、終点のグランサッソ研究所よりも重力が強いため、CERNの時計は終点の時計よりも僅かに遅く進んでおり、この点が考慮されていなかった。
Re: ニュートリノ「光より速い」実験結果が訂正された詳細 (とね)
2012-06-04 21:12:23
もえおじさんへ

コメントありがとうございます。つい最近、実験に誤りがあったことが公式に発表されましたね。

それにしても、よく原因をつきとめられたと思いました。

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