對中微子的一點奇妙的看法

邵皓華

摘 要 本文由2015年諾貝爾物理獎獲得者的成果引導，對照自己所學的物理學相關知識，提出自己對成果的一點解釋，希望以此促進自己對物理學科的學習鉆研。

關鍵詞 中微子；振蕩；質量；維度

中圖分類號 O4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0007-02

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

殊榮。

1 中微子及振蕩現象

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，質量及其微小的基本粒子，中微子也是構成物質世界的最基本單元之一。中微子在接近光速運動時可用從一種類型轉換到另一種類型的現象就是我們常說的中微子振蕩現象。3種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，原則上應該有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60年代即有跡象并被實驗證實，且其發現者由此榮獲2002年諾貝爾獎。一直未被發現的第3種振蕩，甚至有理論預言其根本不存在。振蕩現象主要表明中微子有靜態質量，具體解釋比較復雜，在此不做過多說明。

2 中微子超光速現象對相對論的沖擊

其實，早在中微子振蕩現象被發現之前，就有中微子速度超過光速的說法。這種說法最先來自一個事實：當天文學家觀測超新星SN 1987A的中微子爆發時，世界各地有3臺中微子偵測器在SN 1987A爆發的光線來到地球之前3小時偵各自探測到5～11個中微子。運用初中學的速度公式就可以得到：在路程一樣的情況下，通過這段路程的時間越短，速度就越快。因此我們可以得出：中微子運動速度可以大于光速。如果單單看這個結論，可能并沒有感到什么問題，但是，如果我們聯系到相對論會怎么樣呢？相對論中的洛倫茲因子為，其中v為物體相對于絕對靜止的速度，c為光速。當v大于c的時候，會得到一個虛數，而虛數沒有意義。因物體運動速度不能超過光速。但后來愛因斯坦補充說：如果物體不攜帶信息，運動速度可以達到光速。廣義相對論也給出了中微子模型：中微子以光速運動，但沒有質量。然而，中微子振蕩現象卻說明中微子有質量，這與相對論相違背。這個結論，給物理學帶來了較大沖擊。

3 對此現象的解釋

目前對此有兩種解釋被多數人認可，一個是限定相對論的適用范圍，另一個則是對觀察到的現象進行解釋。第一個就是快子和慢子，也就是超光速粒子理論。這個理論最先由Bilaniuk等3位美國科學家在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。這一類粒子被命名為Tachyon，也就是快子。他們認為，相對論只對慢子生效，對快子不生效（也說相對論需要加上一條新的假設，才能滿足快子現象）。簡單點說，他們認為有質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為在星球內核引力坍縮的最初階段溫度激增至1011℃，在高溫下質子與電子合成中子而放出大量中微子所以導致中微子比光先到達地球。該反應產生強大的激波向外擴散，將星球外層物質加熱到幾十萬度而導致爆發，發出大量的光輻射。激波從核心傳到星球表面的時間恰好是這3個小時。但相對前一種理論，這種解釋并沒有那么讓人信服，因為歐核中心（CERN）與大型中微子振蕩實驗（OPERA）項目組曾同樣做過一個實驗。實驗發現，位于日內瓦的CERN發射出的中微子束，“翻山越嶺”來到732km外的意大利，在實驗誤差不超過10納秒的情況下，中微子的行進所需時間比光少了58納秒。當時這一有可能顛覆當前物理學研究根基的結果震撼了整個學界，也招致了世界上絕大部分物理學家的集體質疑。整個實驗開始時中微子被質子束產生所需的時間，都比完成實驗行進距離后所耗費的時間要久得多，這是在當初的各種疑問當中被科學家特別指出的。對比試驗，1個月后的歐核中心更換了設備，3納秒的時間生成了中微子，使之能更好地與到達意大利格蘭薩索的中微子做比較。第二次重復性實驗的結果表明，中微子依舊比光提前到達了62納秒是第二次重復性實驗的結果。對此事實，也是超光速理論才可以解釋的。

4 本人的一點淺顯看法

通過廣義相對論加維度理論來解釋中微子超光速的現象：

首先需要假設光子與中微子不在同一維度。為了便于說明，我假設光子是三維的（從弦輪來說，它是11維的，但有7維向內收縮，所表現出來的是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低于三維。我們已假設中微子與光子不在一個維度，那么中微子的維度會比光子高。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。在這個空間的一個點A上，它同時向B發射了一個光子和一個中微子。如果光子也是二維，它將沿著AB的連線達到B。

如圖2，中微子比光子高一個維度，從三維看，它所走的路線其實是筆芯，我們在二維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。但廣義相對論告訴我們，質量會使空間彎曲。在三維空間中，質量大的星球很多，我們就假設在這個二維空間中有一大質量物體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，我們認為的從A到B的直線。其實不全是一條直線，但它的長度與之前沒有變化。

如圖5，低維度的彎曲不會使高維度同時彎曲，所以中微子運動的軌跡依然是沿著筆芯。從圖中我們可以清楚地看到，相對于之前的長度，中微子從A到B要走的路程就減少了。與平直空間對比，我們可以看到，實際上從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，因而潛意識認為它是三維粒子，從而認為從A地到B地，它與光子走相同路程，所有在觀測到來自超新星SN 1987A的中微子比光子到地球早才會認為中微子的速度比光

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