高中物理 第6章 相對(duì)論與天體物理 第1節(jié) 牛頓眼中的世界 中微子超光速 相對(duì)論錯(cuò)了？素材 魯科版選修3-4.docVIP

中微子超光速 相對(duì)論錯(cuò)了？新聞背景最近，歐洲核子研究中心宣布，與他們合作的一個(gè)意大利實(shí)驗(yàn)opera發(fā)現(xiàn)中微子的速度超過了光速?，F(xiàn)代物理學(xué)建立在相對(duì)論和量子論兩大支柱之上，而相對(duì)論的基本假設(shè)之一，就是光速不可超越。如果發(fā)現(xiàn)了超光速現(xiàn)象，一百多年來人們深信不疑的相對(duì)論將受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，也使科幻小說中的星際旅行和時(shí)間穿越成為可能。超光速的八卦新聞以前也時(shí)有耳聞，但是這一次，由于歐洲核子研究中心在科學(xué)研究中的權(quán)威地位和中微子的特殊性，還是在科學(xué)界和公眾中引起了轟動(dòng)。光速不變假設(shè)是怎么來的？運(yùn)動(dòng)員在推鉛球的時(shí)候，會(huì)先向前滑步，再奮力將鉛球推出。身體滑步的速度，加上鉛球相對(duì)于身體的速度，使鉛球的出手速度更快，推得更遠(yuǎn)。在機(jī)場(chǎng)的輸送帶上行走，比在地面上行走更快。這些日常的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，速度是可以疊加的。那么，站在輸送帶上向前照射的光，是不是也比地面上的光快呢？十九世紀(jì)的人們就是這樣認(rèn)為的。1887年，兩個(gè)美國人邁克爾遜和莫雷想利用這個(gè)速度疊加原理測(cè)出地球運(yùn)動(dòng)的速度。沿著地球運(yùn)動(dòng)方向的光，應(yīng)該比垂直方向的光快?？墒墙Y(jié)果卻令人驚訝，不管他們?cè)趺崔D(zhuǎn)動(dòng)儀器，都沒有發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向的光速有什么不同。人們花了二十年的時(shí)間來解釋邁克爾遜和莫雷的實(shí)驗(yàn)。1905年，愛因斯坦假定相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，推出了著名的相?duì)論。相對(duì)性原理，就是在勻速前進(jìn)的機(jī)場(chǎng)輸送帶上，所有的物理規(guī)律都跟站在地面上時(shí)一樣。光速不變?cè)?，就是在輸送帶上發(fā)出的光，速度跟在地面上發(fā)出的光是一樣的，不會(huì)因?yàn)檩斔蛶г谙蚯白叨兊酶?，它是一個(gè)固定的值，也是宇宙中的最高速度。光速不變會(huì)帶來什么結(jié)果？相對(duì)論的公式看起來非常簡(jiǎn)單，可是對(duì)時(shí)間和空間的理解，卻是一場(chǎng)革命，與日常經(jīng)驗(yàn)相差很遠(yuǎn)，也導(dǎo)致了很多奇妙的結(jié)果。首先是時(shí)間和空間不再獨(dú)立。你的手表跟我的手表，看到的不是同一個(gè)時(shí)間。運(yùn)動(dòng)得越快，時(shí)間走得越慢。另外一個(gè)效應(yīng)是空間會(huì)縮短。坐著高速飛船經(jīng)過地球的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球在運(yùn)動(dòng)方向上被壓縮了，變成了一個(gè)扁球。速度越快，扁得越厲害，甚至看上去像一個(gè)薄餅。在相對(duì)論規(guī)律成立的宇宙里，星際旅行存在一種奇異的理論上的可能性。假如我們要去一個(gè)1000光年外的星球，站在地球上看，即使飛船的速度非常接近光速，也需要1000年，看上去似乎宇航員不可能在100年的壽命內(nèi)到達(dá)。但實(shí)際上，宇航員的時(shí)間會(huì)變慢，如果他以0.9999倍光速飛行，地球上的1000年，對(duì)他來說只有14年。不能不佩服中國古人“天上一日，地下一年”的奇思妙想，竟然與現(xiàn)代科學(xué)如此一致。換一個(gè)角度，站在這個(gè)飛船上看，飛船是不動(dòng)的，目標(biāo)星球在向飛船飛來。由于飛船不動(dòng)，因此時(shí)間沒有變慢，不過距離被壓縮變短了。1000光年的距離，變成了14光年，這樣，不管是站在地球上看，還是站在飛船上看，用宇航員的時(shí)間來衡量，都是14年飛到。雖然星際旅行存在這種理論上的可能性，但如果一個(gè)宇航員去外星走了一趟，回來發(fā)現(xiàn)滄海桑田，2000年已經(jīng)過去了，人非物也非，有誰會(huì)愿意嗎？相對(duì)論已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)相對(duì)論的這些奇怪結(jié)果，只有速度接近光速時(shí)才顯露出來，對(duì)日常生活是沒什么影響的。但也不是完全沒有。相對(duì)論最有名的推論就是質(zhì)能關(guān)系e=mc2。由于光速是一個(gè)很大的數(shù)，它揭示了質(zhì)量中蘊(yùn)藏著巨大能量。原子彈和核電站就是基于這個(gè)原理，將一小部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。現(xiàn)在gps走進(jìn)了千家萬戶。gps的定位信號(hào)來自天上的24顆gps衛(wèi)星。由于衛(wèi)星在繞地球高速飛行，它的時(shí)間會(huì)比在地球上慢，如果不做相對(duì)論修正，一天之后定位就會(huì)差好幾公里。不過更大的修正來自廣義相對(duì)論中地球引力的修正。一百多年來，相對(duì)論得到了無窮多次的精確檢驗(yàn)。除了很多專門的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室中的“日?！爆F(xiàn)象也都在驗(yàn)證著。比如在高能物理的加速器中，電子或質(zhì)子的能量被加速得很高，但速度只能接近光速。在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中，電子被加速到光速的99.999997%，每秒鐘在240米的加速環(huán)中轉(zhuǎn)1百萬圈。只要相對(duì)論稍有差池，我們就無法控制這樣精密的加速過程。正因?yàn)槿绱?，不少知名科學(xué)家包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是opera實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了。的確，opera實(shí)驗(yàn)的測(cè)量難度很大，只有這樣一個(gè)結(jié)果是很難讓人相信的。不過，由于中微子的特殊性，還是有很多科學(xué)家假定opera實(shí)驗(yàn)是正確的，并饒有興味地考慮各種可能的解釋。怎樣解釋中微子超光速實(shí)驗(yàn)？在opera實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，除了科學(xué)家口頭表達(dá)的看法外，幾天內(nèi)就出現(xiàn)了幾十篇論文，探討實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從概率上來說，最大的可能性是這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身有漏洞，只不過現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)。有人指出了實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)有可能會(huì)出問題。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者格拉肖發(fā)表論文，說明如果真的超了光速，中微子的能量會(huì)在地下飛行過程中損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)自相矛盾。因此，當(dāng)務(wù)之急是重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎(jiǎng)?wù)搲瘯r(shí)表示，另外兩個(gè)意大利中微子實(shí)驗(yàn)borexino和icarus可以用來驗(yàn)證。美國minos實(shí)驗(yàn)也表示，他們會(huì)馬上分析數(shù)據(jù)，給出一個(gè)初步結(jié)果，然后再改進(jìn)測(cè)量設(shè)備，驗(yàn)證opera實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。第二種可能是中微子具有特殊性質(zhì)，這樣相對(duì)論也是對(duì)的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是對(duì)的。比如說，歐洲核子研究中心發(fā)出的中微子有可能振蕩到一種惰性中微子，而惰性中微子可以在多維空間中“抄近路”，然后再振蕩回普通中微子，這樣看起來中微子就跑得比光快了。也有人認(rèn)為中微子的質(zhì)量不是固定