如何理解“中微子跑赢光子”的实验

 

中微子与光子的马拉松比赛

 

自9月22日英国的BBC报道了“中微子跑赢光子”的比赛结果之后，不仅震撼了物理学界，也震撼了公众。因为现代物理学的基石——狭义相对论不允许出现这样的比赛结果。换言之，光子跑输了比赛，意味着狭义相对论将退出物理学的舞台。因此，中微子的教练，埃雷迪塔托（Ereditato）博士和同事对这个比赛结果表示非常谨慎，希望国际同行能够重复相同的比赛或者帮助他们理解这个疯狂的实验结果。因为相对论太伟大，太重要了。正如霍金所言：当相对论被证伪时，将会使许多物理学家面临失业的问题。现在所有物理学必须被改写,几乎所有在相对论完成了的工作必须被丢弃。

 

中微子为什么不可能跑赢光子

 

太阳一刻不停地向我们居住的地球抛洒难以计数的神奇的‘光子’。这些光子离开太阳后，以约每秒钟三十万公里的速度飞向地球。爱因斯坦的相对论是建立在假设这些光子的速度具有一个神奇的特性之上，即光速不变原理。那意思是说：当我们静止在地球上测量从太阳来的光子速度是每秒三十万公里，而当我们乘坐一艘速度为每秒二十万公里的飞船飞向太阳（或背离太阳飞行）并测量来自太阳的光子的速度依然还是每秒三十万公里，绝不会变成每秒五十万公里（或十万公里）。按照相对论之前对时间、长度的测量观念，无疑‘光速不变原理’是一个极其荒谬的想法。所以要想让‘光速不变原理’成立，只有改变时间、长度的测量观念。因此才会出现：

1.             地面系上沿运动方向同时地测量一个运动的飞船的两端，则要比飞船静止时测得的长度缩短一些，即所谓的尺缩效应。缩短后的长度等于静止长度乘以缩短因子，即用1减去飞船的速度的平方除以真空中光速的平方之后再开平方。显然，飞船的速度必须小于光速，否则相对论将发生矛盾。试想，当飞船的速度等于光速，则缩短因子为0，如何想象以光速运动的物体缩短为0的情形。

2.             仅仅靠改变对运动长度测量的观念，即长度收缩还不能满足‘光速不变原理’的要求，还要改变对运动物体的时间测量的观念。当地球系上同时地（地面系的时间）测量飞船沿运动方向上的两个点的时间时（飞船系的时间），会发现飞船的两个点处于不同的时间，即所谓的同时的相对性。如果飞船足够长、速度足够快的话，将会出现当地球系的时间凝固在一个瞬间时，飞船系的时间则是：船首的时间凝固在早上，船尾的时间凝固在晚上的奇特景象。

因此，只要相对论假设的‘光速不变原理’是正确的，中微子是不可能跑赢光子的。

 

如何理解这个疯狂的实验结果

   

    这一疯狂的实验结果无非可以从两个方面来理解，其一是错的，不可能撼动伟大的相对论，这可由国际同行通过重复实验来检验；其二是万一、也只能是万一是对的，那就不一定必须通过实验来检验了。因为如果爱因斯坦假设的‘光速不变原理’是错的，那就会出现理论的漏洞。换言之，相对论会存在逻辑不自洽，有自相矛盾的地方。我们就应该重新审视那些无数的不能公开发表的挑战相对论的观点，其中应该不乏很多是成功的。而不是诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚（Carlo Rubbia）所言的百年来挑战爱因斯坦的人没有一个成功。很可能是我们忽略或抑制了某些成功的案例。下面我们就介绍两个可能的逻辑漏洞。

 

1.   时间观测的理论漏洞。

 

正如前文所述，如果光速不变原理成立，则必存在同时的相对性这一著名的结论。普通的教科书都会讲到，当地面参照系观测（相对论所谓观测就是假设的已知条件或理论计算的结果）到闪电同时地击中飞船的首尾两点的瞬间（按照地面系的时间），飞船系上将观测到是不同的瞬间击中的（按照飞船系的时间）。举一个夸张点的可能的例子，当地面系在中午12点的瞬间观测到闪电同时地击中飞船的首尾两点，飞船系上在早6点的瞬间观测到闪电击中船首、晚6点的瞬间观测到闪电击中船尾。换言之，地面系的一个瞬间会对应飞船系的两个瞬间（或对应一段时间间隔）。所以同时的相对性这一结论实际上可能是相对论最致命的逻辑漏洞。当其成立时则会限制在地面系与飞船系之间相互测量时间。

 

试问1：上述例子中与地面系的中午12点的瞬间对应的飞船系的瞬间是几点？是早上6点还是晚上6点？

相对论似乎无法回答这个简单的问题。

 

试问2：当地面系与飞船系是否有相互对应的瞬间？

如果回答有，则不可能存在同时的相对性；如果回答无，则存在地面系处于某个瞬间时，飞船系的时间独立于地面系流逝的奇怪结论。

 

2.   时间延缓的理论漏洞

 

我们再举一个时间延缓的问题。所谓时间延缓是指：当地面系发生一定的时间间隔时，测量（理论计算）到飞船系一个点对应的时间间隔要变小，即所谓的钟慢效应。事实上，这是只对一个运动的点才成立的结果，既不能扩大到整个飞船，也不能推广到两个点。如果要推广，则必须假定地面系与飞船系有相互对应的瞬间。这又是同时的相对性所不允许的。

而在相对论的理论中，也许未加思索地默认了一个点的时间延缓可以代替整个飞船系的时间延缓。所以我们认为产生双生子佯谬的原因也正在于此。

 

钟慢效应的理论漏洞发生在横向多普勒效应上。

 

严格的相对论理论只能给出一个运动的点（只有数学意义，没有可测量的物理意义）的时间延缓。而对一个限度较小的运动的时钟，由于同时的相对性对各点产生的时间差别较小，所以近似为一个点来处理，则可得到所谓的钟慢效应（尽管与同时的相对性存在逻辑矛盾，但还不明显）。但当时钟的尺寸很大时，则发生了明显的逻辑矛盾。比如飞船系的时钟是一个平面光波，其波面（飞船系的观点）是垂直于相对运动方向传播的无限大的平面（因此不可以近似为一个点）。我们可以想象这个无限大的平面就是一个时钟的显示屏，我们在地面系如何根据相对论读出该时钟的读数？

当地面系上的一个原子接收该平面波时，可根据多普勒效应的理论读取该无限大的运动时钟的时间。但结果与时间延缓相反，即运动的时钟变快。详细的分析可参考横向多普勒效应是蓝移还是红移的博文。

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