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聊一聊中微子的超光速

已有 6590 次阅读 2011-11-19 09:39 |系统分类:科研笔记| 中微子

    最近,关于中微子可能比光速跑得快的报道和讨论闹得满城风雨,俺也来凑凑热闹,跟大家聊一聊。

首先,中微子是所有有质量粒子中最轻的。光子质量为0(指的是静止质量),它在真空中永远以光速跑。中微子的质量是多少?不知道。目前中微子震荡的实验给出的是中微子不同本征态之间的质量平方差,数值小于0.1eV2,宇宙学给出三种中微子质量之和的上限在1 eV。简单来说,每种中微子的质量应小于0.5 eV,比电子质量的一百万分之一小。按照相对论,中微子速度虽然超不过光速,但是两者相差无几。比如能量E=10 MeV的中微子速度与光速之差(1-v/c=10-14,如此小的值是超出实验的精度的。所以过去几十年的实验既测不到中微子的质量,也测不到中微子的速度,只能给出(1-v/c)的上限。看来中微子的质量实在是太小了。

但是,最近OPERA 的实验给出了(v/c-1=2*10-5。这个结果有两方面令人震惊:(1)超光速的确定在很高的精度水平上,即6倍标准偏差;(2)与相对论的差别在10-5量级,这个数值相对并不小,如此大的偏离相对论很难与以前的精确检验符合,这是最令人费解的。

OPERA 的实验结果公布后,很快引起了全世界的关注。理论上首先排除了快子模型,把相对论直接推广到到超光速区域,就是快子理论。快子的一个重要性质是它在丢失能量时加速运动,与我们的直觉相反。这就象一个粒子不断丢失能量却速度趋于无限大,象不象永动机呢?快子理论的问题包括虚质量、真空不稳定等,很难处理。排除快子模型的原因是快子的预言与实验不符,根据快子理论,能量越高,与相对论的偏差越小,实验上的发现是低能时没有偏差或偏差很小,高能时看到较大的偏差。

    这里,本人提供另一种解释:相对论和量子力学的结合允许超光速,这是由于测不准关系发挥了作用。一个类似的现象是量子隧道效应,粒子的能量小于势阱的高度,经典的情况不允许发生,考虑到势阱宽度带来的动量不确定,粒子的能量是可以大于势阱的高度,从而发生贯穿效应。当中微子无限靠近光锥时,由于测量的不确定性导致的量子扰动可以使得中微子越过光锥,即超光速。但是为了解释OPERA 的实验,需要某种中微子的质量无限地接近于0。当我把自己的想法整理清楚时,发现网上已经有两篇类似的讨论,并且一篇的结果认为发生的几率为0。目前本人倾向于认为OPERA 的实验结果数值太大,很难是对的。但是它暗示我们一些神秘的、令人费解的性质,也许中微子确实是非常特殊的异类。



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