粒子物理百科

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中微子怎么了?

2011-10-10 04:19:36 本文行家:灵魂守卫

近期很多朋友都问我,上个月中微子超光速了,这到底怎么回事。对于非物理专业的朋友,很难理解这背后的各种问题。首先中微子就是一个跟日常生活没什么关系的东西,光速也不是我们每天要挂在嘴边的名词,当中微子和超光速两件事情放在一起的时候,其令人困惑的特质就足以让大多数人望而却步。首先说中微子,它是基本粒子的一种,记忆中2001年我初中那会还流行“中微子之谜”,存在性都不足以取信。它发现源于β衰变谱的测量是连

近期很多朋友都问我,上个月中微子超光速了,这到底怎么回事。对于非物理专业的朋友,很难理解这背后的各种问题。首先中微子就是一个跟日常生活没什么关系的东西,光速也不是我们每天要挂在嘴边的名词,当中微子和超光速两件事情放在一起的时候,其令人困惑的特质就足以让大多数人望而却步。

首先说中微子,它是基本粒子的一种,记忆中2001年我初中那会还流行“中微子之谜”,存在性都不足以取信。它发现源于β衰变谱的测量是连续的。原子核的能级不是连续的,而是分立的某一些特定值,但是竟然能产生连续光谱,这一点令上个世纪和上上个世纪的科学家困惑。再加上云雾实验可以观测粒子运行轨迹,发现衰变过程不满足动量守恒。因此人们猜测衰变反应产物中存在第三个粒子,就是中微子。在很多文献中,中微子的质量其实是不确定的。这一点后面会提到。

再说超光速,这件事情这不得了。不是说理论强硬规定不能超越光速,只是我们得从光速为什么不可超越的源头说起,就是爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦创立狭义相对论,解决了电动力学中麦克斯韦方程组在经典伽利略变换下不协变的问题。因为如果使用经典变换,一个静止的参考系中的物理学定律和一个匀速运动的参考系中的物理学定律是不一样的!!!但是我们知道,静止和匀速运动本质上是不可区分的。所以这一点不能被接受。为了发展新的理论,爱因斯坦做出了两个假设:光速在任何参考系中的速度是恒定的;在任何参考系下,物理规律是不变的。其实光速不变的假设源于他的方程中需要一个速度为量纲的量为恒定常数,爱因斯坦把它选择成为光速而已!!

公式1公式1


 

爱因斯坦认为c是光速值。

紧接着就是经典著名的长度收缩,时间变慢公式,你会发现这些公式中都有一个

公式2公式2

因子。所以现在你发现所有速度不能超过光速,不然出现虚数!虚长度?虚时间?虚质量?这些人们没有办法接受。另外,想象一个人对你开枪,子弹速度超过光速,那么你先被子弹击中了,人家开枪的光才传播到你眼睛里。也就是说,你先被杀死,然后看到人家开枪。这违反了因果顺序。这也是大家一直说的因果律。有一个段子是:酒保说:“我们不为超光速中微子提供服务。”一个中微子走进了酒吧。这个段子也就是在利用这一点取笑。

还不仅仅这些。20世纪两大理论量子力学和相对论结合的产物是量子场论,我学得还不够深入,只举一个例子。电子有一个物理量是g因子,经典理论认为g=2。但是量子场论的计算结果是g=2.002 319 304 402。那么实验值gs 观测值 = 2.002 319 304 376 8(86),这个结果的精确度是令人震惊的。足以说明这个理论的成功。要知道,在本科实验教学的时候,在实验室里,小数点后一位数往往都可能是不精确的!!门外一辆车经过,对实验的扰动都是小数点后3-5位的影响。因此我一直认为,量子场论是人类最高智慧的结晶。

最后再说一点广义相对论,广义相对论的产生是因为牛顿力学与狭义相对论是违背的。因为牛顿力学认为,力是远程作用,如果远处质量变化,引力的值也就变了。这种传播速度从方程上看是无穷大的,违反了光速不可超越。因此爱因斯坦在广义相对论中认为,引力是时空四维流形的曲率,引力是时空弯曲程度的描述。这个论题带来了大量的数学后果,而几乎所有的观测证据都与理论高度吻合。可以说,相对论理论在过去的100年间经受住了种种考验,而相对论的基础假设是什么?光速不变性!直接推论:光速不可超越!这也是为什么中微子超光速会引起那么大的回音,因为过去一百年都经受住实验检验的物理学竟然基于一个“有问题”的假设。

这半个月来,出现了大量文章来解释超光速这件事情。我问Durham这边的教授,你怎么看中微子超光速这件事情的?是不是可以理解为弦理论中预言的“快子”找到了?他回答:I don’t believe that!弦理论中预言的“快子”和超光速粒子是两码事,“快子”可能由于薛定谔方程中势函数恒为负值函数引起(比如开口向下的抛物线)。

当然也有可能这是微观世界中存在更高的维度的证据。中微子从高维空间更近的一条路走到了目的地,造成超光速假象。这里可以理解为一个二维平面,如果在三维空间中卷起来,可以把很远的两个点连在一起,也就是高维空间实现低维度空间的空间瞬移。存在这么一种可能的解释,但是真实情况是什么,我们只能拭目以待。

 

雷扬

参考资料:
[1] 无
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灵魂守卫2007-2011在北京大学元培计划学习物理学,和数学双学位。 2011-2012在英国杜伦大学学习基本粒子弦理论和宇宙学硕士。

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