对中微子的一点奇妙的看法

邵皓华

摘 要 本文由2015年诺贝尔物理奖获得者的成果引导，对照自己所学的物理学相关知识，提出自己对成果的一点解释，希望以此促进自己对物理学科的学习钻研。

关键词 中微子；振荡；质量；维度

中图分类号 O4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0007-02

2015年10月6日17：45，“诺贝尔物理学奖”获奖名单公示：日本科学家梶田隆章（Takaaki Kajita）与加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B.Mcdonald））同享，两位通过中微子振荡发现中微子有质量而获此

殊荣。

1 中微子及振荡现象

中微子，光从名字上看，是呈电中性的微小粒子。的确，目前中微子被分为3种类型：电子中微子、τ子中微子、μ子中微子，作为一种不带电，质量及其微小的基本粒子，中微子也是构成物质世界的最基本单元之一。中微子在接近光速运动时可用从一种类型转换到另一种类型的现象就是我们常说的中微子振荡现象。3种中微子之间相互振荡，两两组合，原则上应该有3种模式。其中“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”两种模式自20世纪60年代即有迹象并被实验证实，且其发现者由此荣获2002年诺贝尔奖。一直未被发现的第3种振荡，甚至有理论预言其根本不存在。振荡现象主要表明中微子有静态质量，具体解释比较复杂，在此不做过多说明。

2 中微子超光速現象对相对论的冲击

其实，早在中微子振荡现象被发现之前，就有中微子速度超过光速的说法。这种说法最先来自一个事实：当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有3台中微子侦测器在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦各自探测到5～11个中微子。运用初中学的速度公式就可以得到：在路程一样的情况下，通过这段路程的时间越短，速度就越快。因此我们可以得出：中微子运动速度可以大于光速。如果单单看这个结论，可能并没有感到什么问题，但是，如果我们联系到相对论会怎么样呢？相对论中的洛伦兹因子为，其中v为物体相对于绝对静止的速度，c为光速。当v大于c的时候，会得到一个虚数，而虚数没有意义。因物体运动速度不能超过光速。但后来爱因斯坦补充说：如果物体不携带信息，运动速度可以达到光速。广义相对论也给出了中微子模型：中微子以光速运动，但没有质量。然而，中微子振荡现象却说明中微子有质量，这与相对论相违背。这个结论，给物理学带来了较大冲击。

3 对此现象的解释

目前对此有两种解释被多数人认可，一个是限定相对论的适用范围，另一个则是对观察到的现象进行解释。第一个就是快子和慢子，也就是超光速粒子理论。这个理论最先由Bilaniuk等3位美国科学家在1962年提出。在宇宙中有一些粒子的速度可以超过光速，这是超光速粒子理论的观点。这一类粒子被命名为Tachyon，也就是快子。他们认为，相对论只对慢子生效，对快子不生效（也说相对论需要加上一条新的假设，才能满足快子现象）。简单点说，他们认为有质量的粒子速度超过光速是可以存在的。而另一种解释这不同，这种解释的核心就是认为在星球内核引力坍缩的最初阶段温度激增至1011℃，在高温下质子与电子合成中子而放出大量中微子所以导致中微子比光先到达地球。该反应产生强大的激波向外扩散，将星球外层物质加热到几十万度而导致爆发，发出大量的光辐射。激波从核心传到星球表面的时间恰好是这3个小时。但相对前一种理论，这种解释并没有那么让人信服，因为欧核中心（CERN）与大型中微子振荡实验（OPERA）项目组曾同样做过一个实验。实验发现，位于日内瓦的CERN发射出的中微子束，“翻山越岭”来到732km外的意大利，在实验误差不超过10纳秒的情况下，中微子的行进所需时间比光少了58纳秒。当时这一有可能颠覆当前物理学研究根基的结果震撼了整个学界，也招致了世界上绝大部分物理学家的集体质疑。整个实验开始时中微子被质子束产生所需的时间，都比完成实验行进距离后所耗费的时间要久得多，这是在当初的各种疑问当中被科学家特别指出的。对比试验，1个月后的欧核中心更换了设备，3纳秒的时间生成了中微子，使之能更好地与到达意大利格兰萨索的中微子做比较。第二次重复性实验的结果表明，中微子依旧比光提前到达了62纳秒是第二次重复性实验的结果。对此事实，也是超光速理论才可以解释的。

4 本人的一点浅显看法

通过广义相对论加维度理论来解释中微子超光速的现象：

首先需要假设光子与中微子不在同一维度。为了便于说明，我假设光子是三维的（从弦轮来说，它是11维的，但有7维向内收缩，所表现出来的是3维）。如果中微子的宏观维度低于三维，那么将低维度投影到高维度上，他所表现出来的维度最多为它自己的维度，也就是低于三维（维度投影理论）。但是我们已经能证明中微子存在磁矩，那么它必然有三维体积，因此中微子的维度不会低于三维。我们已假设中微子与光子不在一个维度，那么中微子的维度会比光子高。为了便于说明，我们先用二维与三维来说明：

如图1，我们忽视白纸的厚度，可以近似地把它看做二维空间。在这个空间的一个点A上，它同时向B发射了一个光子和一个中微子。如果光子也是二维，它将沿着AB的连线达到B。

如图2，中微子比光子高一个维度，从三维看，它所走的路线其实是笔芯，我们在二维观察到的中微子只是他的二维投影。从二维看，中微子和光子走的是同一条路。

如果空间是平直的，中微子与光子通过的路径就是相等的。但广义相对论告诉我们，质量会使空间弯曲。在三维空间中，质量大的星球很多，我们就假设在这个二维空间中有一大质量物体C，如图3。

如图4，由于C的存在，使得空间向着C的方位弯曲。从图中我们可以看到，我们认为的从A到B的直线。其实不全是一条直线，但它的长度与之前没有变化。

如图5，低维度的弯曲不会使高维度同时弯曲，所以中微子运动的轨迹依然是沿着笔芯。从图中我们可以清楚地看到，相对于之前的长度，中微子从A到B要走的路程就减少了。与平直空间对比，我们可以看到，实际上从A到B的路程，高维度的中微子的位移是小于光子的。只是由于我们处于三维，我们不知道中微子是高维投影粒子，因而潜意识认为它是三维粒子，从而认为从A地到B地，它与光子走相同路程，所有在观测到来自超新星SN 1987A的中微子比光子到地球早才会认为中微子的速度比光

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