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

中微子超光速 相對論錯了？新聞背景最近，歐洲核子研究中心宣布，與他們合作的一個意大利實驗opera發(fā)現(xiàn)中微子的速度超過了光速?，F(xiàn)代物理學建立在相對論和量子論兩大支柱之上，而相對論的基本假設(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論將受到嚴重挑戰(zhàn)，也使科幻小說中的星際旅行和時間穿越成為可能。超光速的八卦新聞以前也時有耳聞，但是這一次，由于歐洲核子研究中心在科學研究中的權(quán)威地位和中微子的特殊性，還是在科學界和公眾中引起了轟動。光速不變假設(shè)是怎么來的？運動員在推鉛球的時候，會先向前滑步，再奮力將鉛球推出。身體滑步的速度，加上鉛球相對于身體的速度，使鉛球的出手速度更快，推得更遠。在機場的輸送帶上行走，比在地面上行走更快。這些日常的經(jīng)驗告訴我們，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？十九世紀的人們就是這樣認為的。1887年，兩個美國人邁克爾遜和莫雷想利用這個速度疊加原理測出地球運動的速度。沿著地球運動方向的光，應該比垂直方向的光快?？墒墙Y(jié)果卻令人驚訝，不管他們怎么轉(zhuǎn)動儀器，都沒有發(fā)現(xiàn)兩個方向的光速有什么不同。人們花了二十年的時間來解釋邁克爾遜和莫雷的實驗。1905年，愛因斯坦假定相對性原理和光速不變原理，推出了著名的相對論。相對性原理，就是在勻速前進的機場輸送帶上，所有的物理規(guī)律都跟站在地面上時一樣。光速不變原理，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，不會因為輸送帶在向前走而變得更快，它是一個固定的值，也是宇宙中的最高速度。光速不變會帶來什么結(jié)果？相對論的公式看起來非常簡單，可是對時間和空間的理解，卻是一場革命，與日常經(jīng)驗相差很遠，也導致了很多奇妙的結(jié)果。首先是時間和空間不再獨立。你的手表跟我的手表，看到的不是同一個時間。運動得越快，時間走得越慢。另外一個效應是空間會縮短。坐著高速飛船經(jīng)過地球的話，會發(fā)現(xiàn)地球在運動方向上被壓縮了，變成了一個扁球。速度越快，扁得越厲害，甚至看上去像一個薄餅。在相對論規(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。但實際上，宇航員的時間會變慢，如果他以0.9999倍光速飛行，地球上的1000年，對他來說只有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)代科學如此一致。換一個角度，站在這個飛船上看，飛船是不動的，目標星球在向飛船飛來。由于飛船不動，因此時間沒有變慢，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，有誰會愿意嗎？相對論已經(jīng)被無數(shù)實驗證實相對論的這些奇怪結(jié)果，只有速度接近光速時才顯露出來，對日常生活是沒什么影響的。但也不是完全沒有。相對論最有名的推論就是質(zhì)能關(guān)系e=mc2。由于光速是一個很大的數(shù)，它揭示了質(zhì)量中蘊藏著巨大能量。原子彈和核電站就是基于這個原理，將一小部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量?，F(xiàn)在gps走進了千家萬戶。gps的定位信號來自天上的24顆gps衛(wèi)星。由于衛(wèi)星在繞地球高速飛行，它的時間會比在地球上慢，如果不做相對論修正，一天之后定位就會差好幾公里。不過更大的修正來自廣義相對論中地球引力的修正。一百多年來，相對論得到了無窮多次的精確檢驗。除了很多專門的檢驗實驗，實驗室中的“日?！爆F(xiàn)象也都在驗證著。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。在北京正負電子對撞機中，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。只要相對論稍有差池，我們就無法控制這樣精密的加速過程。正因為如此，不少知名科學家包括諾貝爾獎獲得者，都斬釘截鐵地說，肯定是opera實驗錯了。的確，opera實驗的測量難度很大，只有這樣一個結(jié)果是很難讓人相信的。不過，由于中微子的特殊性，還是有很多科學家假定opera實驗是正確的，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驗？在opera實驗結(jié)果發(fā)表后，除了科學家口頭表達的看法外，幾天內(nèi)就出現(xiàn)了幾十篇論文，探討實驗的結(jié)果。從概率上來說，最大的可能性是這個實驗本身有漏洞，只不過現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)。有人指出了實驗的幾個測量環(huán)節(jié)有可能會出問題。諾貝爾獎獲得者格拉肖發(fā)表論文，說明如果真的超了光速，中微子的能量會在地下飛行過程中損失，實驗結(jié)果會自相矛盾。因此，當務(wù)之急是重復實驗結(jié)果。諾貝爾獎獲得者魯比亞在參加北京諾貝爾獎?wù)搲瘯r表示，另外兩個意大利中微子實驗borexino和icarus可以用來驗證。美國minos實驗也表示，他們會馬上分析數(shù)據(jù)，給出一個初步結(jié)果，然后再改進測量設(shè)備，驗證opera實驗的結(jié)果。第二種可能是中微子具有特殊性質(zhì)，這樣相對論也是對的，這個實驗結(jié)果也是對的。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。也有人認為中微子的質(zhì)量不是固定