高中物理 第6章 相对论与天体物理 第1节 牛顿眼中的世界 中微子超光速 相对论错了？素材 鲁科版选修3-4.doc

中微子超光速 相对论错了？新闻背景最近，欧洲核子研究中心宣布，与他们合作的一个意大利实验opera发现中微子的速度超过了光速。现代物理学建立在相对论和量子论两大支柱之上，而相对论的基本假设之一，就是光速不可超越。如果发现了超光速现象，一百多年来人们深信不疑的相对论将受到严重挑战，也使科幻小说中的星际旅行和时间穿越成为可能。超光速的八卦新闻以前也时有耳闻，但是这一次，由于欧洲核子研究中心在科学研究中的权威地位和中微子的特殊性，还是在科学界和公众中引起了轰动。光速不变假设是怎么来的？运动员在推铅球的时候，会先向前滑步，再奋力将铅球推出。身体滑步的速度，加上铅球相对于身体的速度，使铅球的出手速度更快，推得更远。在机场的输送带上行走，比在地面上行走更快。这些日常的经验告诉我们，速度是可以叠加的。那么，站在输送带上向前照射的光，是不是也比地面上的光快呢？十九世纪的人们就是这样认为的。1887年，两个美国人迈克尔逊和莫雷想利用这个速度叠加原理测出地球运动的速度。沿着地球运动方向的光，应该比垂直方向的光快。可是结果却令人惊讶，不管他们怎么转动仪器，都没有发现两个方向的光速有什么不同。人们花了二十年的时间来解释迈克尔逊和莫雷的实验。1905年，爱因斯坦假定相对性原理和光速不变原理，推出了著名的相对论。相对性原理，就是在匀速前进的机场输送带上，所有的物理规律都跟站在地面上时一样。光速不变原理，就是在输送带上发出的光，速度跟在地面上发出的光是一样的，不会因为输送带在向前走而变得更快，它是一个固定的值，也是宇宙中的最高速度。光速不变会带来什么结果？相对论的公式看起来非常简单，可是对时间和空间的理解，却是一场革命，与日常经验相差很远，也导致了很多奇妙的结果。首先是时间和空间不再独立。你的手表跟我的手表，看到的不是同一个时间。运动得越快，时间走得越慢。另外一个效应是空间会缩短。坐着高速飞船经过地球的话，会发现地球在运动方向上被压缩了，变成了一个扁球。速度越快，扁得越厉害，甚至看上去像一个薄饼。在相对论规律成立的宇宙里，星际旅行存在一种奇异的理论上的可能性。假如我们要去一个1000光年外的星球，站在地球上看，即使飞船的速度非常接近光速，也需要1000年，看上去似乎宇航员不可能在100年的寿命内到达。但实际上，宇航员的时间会变慢，如果他以0.9999倍光速飞行，地球上的1000年，对他来说只有14年。不能不佩服中国古人“天上一日，地下一年”的奇思妙想，竟然与现代科学如此一致。换一个角度，站在这个飞船上看，飞船是不动的，目标星球在向飞船飞来。由于飞船不动，因此时间没有变慢，不过距离被压缩变短了。1000光年的距离，变成了14光年，这样，不管是站在地球上看，还是站在飞船上看，用宇航员的时间来衡量，都是14年飞到。虽然星际旅行存在这种理论上的可能性，但如果一个宇航员去外星走了一趟，回来发现沧海桑田，2000年已经过去了，人非物也非，有谁会愿意吗？相对论已经被无数实验证实相对论的这些奇怪结果，只有速度接近光速时才显露出来，对日常生活是没什么影响的。但也不是完全没有。相对论最有名的推论就是质能关系e=mc2。由于光速是一个很大的数，它揭示了质量中蕴藏着巨大能量。原子弹和核电站就是基于这个原理，将一小部分质量转化为能量。现在gps走进了千家万户。gps的定位信号来自天上的24颗gps卫星。由于卫星在绕地球高速飞行，它的时间会比在地球上慢，如果不做相对论修正，一天之后定位就会差好几公里。不过更大的修正来自广义相对论中地球引力的修正。一百多年来，相对论得到了无穷多次的精确检验。除了很多专门的检验实验，实验室中的“日常”现象也都在验证着。比如在高能物理的加速器中，电子或质子的能量被加速得很高，但速度只能接近光速。在北京正负电子对撞机中，电子被加速到光速的99.999997%，每秒钟在240米的加速环中转1百万圈。只要相对论稍有差池，我们就无法控制这样精密的加速过程。正因为如此，不少知名科学家包括诺贝尔奖获得者，都斩钉截铁地说，肯定是opera实验错了。的确，opera实验的测量难度很大，只有这样一个结果是很难让人相信的。不过，由于中微子的特殊性，还是有很多科学家假定opera实验是正确的，并饶有兴味地考虑各种可能的解释。怎样解释中微子超光速实验？在opera实验结果发表后，除了科学家口头表达的看法外，几天内就出现了几十篇论文，探讨实验的结果。从概率上来说，最大的可能性是这个实验本身有漏洞，只不过现在还没有被发现。有人指出了实验的几个测量环节有可能会出问题。诺贝尔奖获得者格拉肖发表论文，说明如果真的超了光速，中微子的能量会在地下飞行过程中损失，实验结果会自相矛盾。因此，当务之急是重复实验结果。诺贝尔奖获得者鲁比亚在参加北京诺贝尔奖论坛时表示，另外两个意大利中微子实验borexino和icarus可以用来验证。美国minos实验也表示，他们会马上分析数据，给出一个初步结果，然后再改进测量设备，验证opera实验的结果。第二种可能是中微子具有特殊性质，这样相对论也是对的，这个实验结果也是对的。比如说，欧洲核子研究中心发出的中微子有可能振荡到一种惰性中微子，而惰性中微子可以在多维空间中“抄近路”，然后再振荡回普通中微子，这样看起来中微子就跑得比光快了。也有人认为中微子的质量不是固定