邵皓華

摘 要 本文由2015年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者的成果引導(dǎo)，對(duì)照自己所學(xué)的物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，提出自己對(duì)成果的一點(diǎn)解釋，希望以此促進(jìn)自己對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)鉆研。

關(guān)鍵詞 中微子；振蕩；質(zhì)量；維度

中圖分類號(hào) O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0007-02

2015年10月6日17：45，“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)名單公示：日本科學(xué)家梶田隆章（Takaaki Kajita）與加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納（Arthur B.Mcdonald））同享，兩位通過中微子振蕩發(fā)現(xiàn)中微子有質(zhì)量而獲此

殊榮。

1 中微子及振蕩現(xiàn)象

中微子，光從名字上看，是呈電中性的微小粒子。的確，目前中微子被分為3種類型：電子中微子、τ子中微子、μ子中微子，作為一種不帶電，質(zhì)量及其微小的基本粒子，中微子也是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元之一。中微子在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)可用從一種類型轉(zhuǎn)換到另一種類型的現(xiàn)象就是我們常說的中微子振蕩現(xiàn)象。3種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，原則上應(yīng)該有3種模式。其中“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”兩種模式自20世紀(jì)60年代即有跡象并被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，且其發(fā)現(xiàn)者由此榮獲2002年諾貝爾獎(jiǎng)。一直未被發(fā)現(xiàn)的第3種振蕩，甚至有理論預(yù)言其根本不存在。振蕩現(xiàn)象主要表明中微子有靜態(tài)質(zhì)量，具體解釋比較復(fù)雜，在此不做過多說明。

2 中微子超光速現(xiàn)象對(duì)相對(duì)論的沖擊

其實(shí)，早在中微子振蕩現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之前，就有中微子速度超過光速的說法。這種說法最先來自一個(gè)事實(shí)：當(dāng)天文學(xué)家觀測(cè)超新星SN 1987A的中微子爆發(fā)時(shí)，世界各地有3臺(tái)中微子偵測(cè)器在SN 1987A爆發(fā)的光線來到地球之前3小時(shí)偵各自探測(cè)到5～11個(gè)中微子。運(yùn)用初中學(xué)的速度公式就可以得到：在路程一樣的情況下，通過這段路程的時(shí)間越短，速度就越快。因此我們可以得出：中微子運(yùn)動(dòng)速度可以大于光速。如果單單看這個(gè)結(jié)論，可能并沒有感到什么問題，但是，如果我們聯(lián)系到相對(duì)論會(huì)怎么樣呢？相對(duì)論中的洛倫茲因子為，其中v為物體相對(duì)于絕對(duì)靜止的速度，c為光速。當(dāng)v大于c的時(shí)候，會(huì)得到一個(gè)虛數(shù)，而虛數(shù)沒有意義。因物體運(yùn)動(dòng)速度不能超過光速。但后來愛因斯坦補(bǔ)充說：如果物體不攜帶信息，運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到光速。廣義相對(duì)論也給出了中微子模型：中微子以光速運(yùn)動(dòng)，但沒有質(zhì)量。然而，中微子振蕩現(xiàn)象卻說明中微子有質(zhì)量，這與相對(duì)論相違背。這個(gè)結(jié)論，給物理學(xué)帶來了較大沖擊。

3 對(duì)此現(xiàn)象的解釋

目前對(duì)此有兩種解釋被多數(shù)人認(rèn)可，一個(gè)是限定相對(duì)論的適用范圍，另一個(gè)則是對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行解釋。第一個(gè)就是快子和慢子，也就是超光速粒子理論。這個(gè)理論最先由Bilaniuk等3位美國科學(xué)家在1962年提出。在宇宙中有一些粒子的速度可以超過光速，這是超光速粒子理論的觀點(diǎn)。這一類粒子被命名為Tachyon，也就是快子。他們認(rèn)為，相對(duì)論只對(duì)慢子生效，對(duì)快子不生效（也說相對(duì)論需要加上一條新的假設(shè)，才能滿足快子現(xiàn)象）。簡(jiǎn)單點(diǎn)說，他們認(rèn)為有質(zhì)量的粒子速度超過光速是可以存在的。而另一種解釋這不同，這種解釋的核心就是認(rèn)為在星球內(nèi)核引力坍縮的最初階段溫度激增至1011℃，在高溫下質(zhì)子與電子合成中子而放出大量中微子所以導(dǎo)致中微子比光先到達(dá)地球。該反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的激波向外擴(kuò)散，將星球外層物質(zhì)加熱到幾十萬度而導(dǎo)致爆發(fā)，發(fā)出大量的光輻射。激波從核心傳到星球表面的時(shí)間恰好是這3個(gè)小時(shí)。但相對(duì)前一種理論，這種解釋并沒有那么讓人信服，因?yàn)闅W核中心（CERN）與大型中微子振蕩實(shí)驗(yàn)（OPERA）項(xiàng)目組曾同樣做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，位于日內(nèi)瓦的CERN發(fā)射出的中微子束，“翻山越嶺”來到732km外的意大利，在實(shí)驗(yàn)誤差不超過10納秒的情況下，中微子的行進(jìn)所需時(shí)間比光少了58納秒。當(dāng)時(shí)這一有可能顛覆當(dāng)前物理學(xué)研究根基的結(jié)果震撼了整個(gè)學(xué)界，也招致了世界上絕大部分物理學(xué)家的集體質(zhì)疑。整個(gè)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)中微子被質(zhì)子束產(chǎn)生所需的時(shí)間，都比完成實(shí)驗(yàn)行進(jìn)距離后所耗費(fèi)的時(shí)間要久得多，這是在當(dāng)初的各種疑問當(dāng)中被科學(xué)家特別指出的。對(duì)比試驗(yàn)，1個(gè)月后的歐核中心更換了設(shè)備，3納秒的時(shí)間生成了中微子，使之能更好地與到達(dá)意大利格蘭薩索的中微子做比較。第二次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，中微子依舊比光提前到達(dá)了62納秒是第二次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)此事實(shí)，也是超光速理論才可以解釋的。

4 本人的一點(diǎn)淺顯看法

通過廣義相對(duì)論加維度理論來解釋中微子超光速的現(xiàn)象：

首先需要假設(shè)光子與中微子不在同一維度。為了便于說明，我假設(shè)光子是三維的（從弦輪來說，它是11維的，但有7維向內(nèi)收縮，所表現(xiàn)出來的是3維）。如果中微子的宏觀維度低于三維，那么將低維度投影到高維度上，他所表現(xiàn)出來的維度最多為它自己的維度，也就是低于三維（維度投影理論）。但是我們已經(jīng)能證明中微子存在磁矩，那么它必然有三維體積，因此中微子的維度不會(huì)低于三維。我們已假設(shè)中微子與光子不在一個(gè)維度，那么中微子的維度會(huì)比光子高。為了便于說明，我們先用二維與三維來說明：

如圖1，我們忽視白紙的厚度，可以近似地把它看做二維空間。在這個(gè)空間的一個(gè)點(diǎn)A上，它同時(shí)向B發(fā)射了一個(gè)光子和一個(gè)中微子。如果光子也是二維，它將沿著AB的連線達(dá)到B。

如圖2，中微子比光子高一個(gè)維度，從三維看，它所走的路線其實(shí)是筆芯，我們?cè)诙S觀察到的中微子只是他的二維投影。從二維看，中微子和光子走的是同一條路。

如果空間是平直的，中微子與光子通過的路徑就是相等的。但廣義相對(duì)論告訴我們，質(zhì)量會(huì)使空間彎曲。在三維空間中，質(zhì)量大的星球很多，我們就假設(shè)在這個(gè)二維空間中有一大質(zhì)量物體C，如圖3。

如圖4，由于C的存在，使得空間向著C的方位彎曲。從圖中我們可以看到，我們認(rèn)為的從A到B的直線。其實(shí)不全是一條直線，但它的長(zhǎng)度與之前沒有變化。

如圖5，低維度的彎曲不會(huì)使高維度同時(shí)彎曲，所以中微子運(yùn)動(dòng)的軌跡依然是沿著筆芯。從圖中我們可以清楚地看到，相對(duì)于之前的長(zhǎng)度，中微子從A到B要走的路程就減少了。與平直空間對(duì)比，我們可以看到，實(shí)際上從A到B的路程，高維度的中微子的位移是小于光子的。只是由于我們處于三維，我們不知道中微子是高維投影粒子，因而潛意識(shí)認(rèn)為它是三維粒子，從而認(rèn)為從A地到B地，它與光子走相同路程，所有在觀測(cè)到來自超新星SN 1987A的中微子比光子到地球早才會(huì)認(rèn)為中微子的速度比光

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