现代物理(高速微观世界)课件

§经典物理学的两朵乌云

19世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家年会上，英国著名物理学家W．汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了，所剩只是一些修饰工作。只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”他所说的第一朵乌云，主要是指“迈克耳逊－莫雷实验”与“以太漂移说”的矛盾；第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。7/20/2023

实验结果的解释：当时，人们仍然以经典物理学作为出发点，由于出发点不正确，最后都导致了失败的结果。典型人物是维恩、瑞利和金斯。7/20/2023第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。7/20/2023两朵乌云：

迈克尔孙—莫雷实验热辐射实验相对论量子论7/20/2023高速世界

------相对论

7/20/2023“大热天坐在一烧红的火炉边，一分钟就像一小时；坐一漂亮姑娘身边，一小时就像一分钟。这就是相对论。”━━━爱因斯坦

7/20/2023什么是时间？什么是空间？7/20/2023.绝对时空观所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；绝对时间是指时间的量度与参照系无关这就是说，两点之间的距离，无论在那个惯性系中测量都是一样的；同样，前后发生的两个事件之间的时间，无论在那个惯性系中测量都是一样的7/20/2023牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”按照这种观点：时间和空间是彼此独立，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影响。

——绝对时空观7/20/2023根据绝对时空观，得出几个结论同时绝对性时间间隔的绝对性空间距离的绝对性质量恒定不变7/20/2023牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观是作为两个基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是光速的问题7/20/2023这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值7/20/2023伽利略相对原理和电磁规律的矛盾促使人们思考下述问题：绝对时空观的观念是不是需要修正？困惑？？？这个时候整个物理学界陷入7/20/2023爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人20世纪最伟大的科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，并在1905年发表了论文《论动体的电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答7/20/2023

相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:

自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。后人续写道:上帝说完多少年之后，

魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。7/20/2023在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学相对论时空观爱因斯坦假设

爱因斯坦相对性原理物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关7/20/2023这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。

光速不变原理在任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的，7/20/2023

爱因斯坦相对性原理物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关光速不变原理在任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值

Einstein

的相对性理论是Newton理论的发展讨论一切物理规律力学规律7/20/2023、

狭义相对论时空观、同时相对性设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信号.7/20/2023一、“同时”的相对性

车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．

车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁

站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁7/20/20237/20/2023二、时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟7/20/2023

高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．

由光速不变原理便得到不同的时间间隔7/20/2023对于车厢内的人：对于车厢外的人：h7/20/2023相对速度与动钟延缓效应

(τ=1s）V（米/秒）0.1c=3×1070.5c

0.8c0.9c0.99c0.999c0.9998cT(秒)1.011.151.672.297.122.4507/20/2023时空相对性的实验验证

根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．7/20/2023三质量的相对性

当物体在所处的惯性系静止时，它具有最小的质量m0,这个质量叫静止质量.若物体以速度ν相对某惯性系运动时，在这个惯性系观测它的质量为：7/20/2023

高速运动的物体其质量测得值会非常大，并随着速度趋于光速c而无限增大.但事实告诉我们，一个真实的物体质量是确定值、有限大结论：一个真实的、静止质量不为零的物体，相对任何惯性的运动速度都不可能达到或超过光速c.7/20/2023四质能关系

按照相对论及基本力学定律可推导出质量和能量具有如下关系：------著名的质能关系式说明：（1）质量和能量是物质不可分离的属性；（2）能量变化量和质量变化量关系式为：（3）任何静质量不为零的物体都贮存着巨大的能量：7/20/2023爱因斯坦于20世纪初提出质量能量公式E=MC2。这一质能转化原理揭示了原子内部所蕴藏的巨大能量的秘密，为原子能的利用奠定了理论基础。7/20/2023

相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论的一种特例（物体低速运动状态），包括在相对论体系中。相对论和经典力学的关系7/20/2023你认为应该怎样评价牛顿和爱因斯坦的贡献？学思之窗7/20/2023相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。这件事对你有何启示？不要被常识和日常经验所蒙蔽，常识并不一定总是正确的。7/20/2023爱因斯坦生平及主要贡献爱因斯坦（AlbertEinstein1879-1955）出生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭，幼年迁居慕尼黑。爱因斯坦到了瑞士，进了一所大学。在学校他不能算一位好学生，一般课都缺席，只专心阅读理论物理学前沿的书。他能各门课都及格是得益于一个朋友极好的课堂笔记。7/20/2023专利局小职员大学毕业后的工作不好找，还是在借他笔记的朋友的父亲的帮助下，在1901年进了瑞士伯尔尼专利局，谋得一个低级职员的职位。这一年他入了瑞士籍。在专利局他也不是一个安心本职的职员，满脑子想的是当时理论物理学最前沿的问题。他的问题还不需要实验室，只要铅笔、纸张和头脑。7/20/2023主要科学贡献1905年被称作爱因斯坦的“奇迹年”，这一年爱因斯坦在《德国物理学年鉴》上发表了4篇论文，包括物理学方面三项重要的发展，《一个关于光的产生和转化的启发性观点》《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》《论动体的电动力学》《物体的惯性是否与它所含的能量有关？》这一年他还完成了博士论文“分子大小的新测定方法”，获得博士学位。7/20/2023主要科学贡献1.在第一篇文章中爱因斯坦发展了普朗克五年前提出的量子论，首次提出光量子的概念。2.1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为他在光电效应方面的杰出贡献。3.在两个月后的第二篇论文中，爱因斯坦给出了布朗运动的数学分析。4.根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。7/20/2023

爱因斯坦大事年表阿尔伯特·爱因斯坦（1879——1955）

1879年3月14日生于德国乌尔姆市

1896年——1900年在瑞士苏黎世工业大学师范系学习物理

1902——1909年在伯尔尼任瑞士专利局技术员

1909年——1912年先后在苏黎世大学和布拉格大学任理论物理学教授

1914——1933年任柏林威廉大帝研究所所长、普鲁士科学院院士兼柏林大学教授

1933——1945年任美国普林斯顿高等学术研究院教授

1945年退休，1955年病逝。7/20/2023光线弯曲按照广义相对论，在强引力场附近，空间是弯曲的，光线在弯曲空间里走的最短路线不是一般意义上的直线，光的路径随着空间的弯曲而弯曲。7/20/20237/20/2023日全食太阳系引力场最强的地方莫过于太阳附近了，所以验证这一点的最好机会是观测太阳边上的恒星位置，然后在太阳不在这个天区时再观测恒星的位置，前后比较后，就可以确定结果了。而太阳附近的恒星只有在发生日全食的时候才能观测到。7/20/2023爱丁顿爱因斯坦提出广义相对论的1915年，第一次世界大战刚进入第二个年头，科学家们也无暇去做天文实测。英国科学家爱丁顿在战时就通过荷兰人了解到德国人爱因斯坦的工作。等到1918年大战一结束，1919年5月29日有一次绝好的日全食机会。爱丁顿组织了两支考察队，一支到巴西北部，另一支他亲自率领到几内亚湾的普林西比岛。7/20/2023“星光确实……发生偏折”两支考察队都拍摄了太阳附近星空的照片，过了两个月后，再拍摄同一星空的对比照片。在该年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上，天文学家罗伊尔宣布：“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折”。7/20/2023“科学革命”第二天即1919年11月7日，历来谨慎的英国《泰晤士报》赫然出现醒目的标题文章：“科学革命”，两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”。11月8日《泰晤士报》接着刊登了题为“科学革命：爱因斯坦战胜了牛顿、杰出物理学家的观点”的文章，文中说“这件事成了下议院热烈讨论的话题”；物理学家、皇家学会会员、剑桥大学教授约瑟夫·拉摩“受到围攻，要求对牛顿是否被击败了、剑桥大学是否垮台了作出答复”。7/20/2023爱因斯坦成了传奇人物这项验证的公布引起了强烈反响，爱因斯坦成了传奇人物。《柏林画报》周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片。科学家、哲学家和历史学家们也纷纷就相对论发表评论。1921年爱因斯坦去伦敦，负责接待的霍尔丹勋爵在皇家学院以一次热情洋溢的演讲来把爱因斯坦介绍给英国科学家，并事先强调说“爱因斯坦已经到过威斯敏斯特大教堂瞻仰了牛顿墓地”。7/20/2023理解他理论的人了了无几人们都知道了爱因斯坦是个伟大的科学家，但是真正理解他的理论的人了了无几，事实表明，广义相对论的发展史比狭义相对论还要艰难曲折。很长一个时期，只有天文学家，而且只是那些研究宇宙学的天文学家对广义相对论感兴趣，物理学家则不然。1920年关于是否存在河外星系的“大辩论”组织者Abbot拒绝相对论作为一个可能的话题：“我向上帝祈祷，科学进步会把相对论送到第四维空间之外的某个地方，从此它永远不会回来折磨我们了。7/20/2023爱因斯坦（1879-1955）1905-1915年提出了相对论20世纪最后一期《时代》周刊评选出“世纪人物”，这样称一位伟人：天才，政治难民，人道主义者，原子和宇宙谜的开启者，以其最伟大的思想和无与伦比的形象独占鳌头。7/20/2023作为科学家的爱因斯坦，他是窥见上帝秘密的人；作为思想家的爱因斯坦，他是窥见人间秘密的人。

7/20/2023有高度社会责任感的人，通常是具有良心的知识者。让我们轻轻地伸出我们的手，抚摸一下爱因斯坦的滚烫的良心：

1939年8月2日，爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信给罗斯福总统建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹；后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠！”爱因斯坦就核武器问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出的最强音。听爱因斯坦的自责之声，我们明白人类良知之宝贵

7/20/20231955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：

我们全都获益不浅，

全世界都感谢他的教诲；

那专属他个人的东西，

早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，

光华四射，

把无限的光芒同他的光芒永相连结。

他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。7/20/2023第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。7/20/2023微观世界7/20/2023量子世界7/20/2023

19世纪经典物理学达到巅峰状态，在人们心目中，经典物理学已经达到近乎完美的程度。这时，年轻的普朗克和他的老师发生了一段对话：普朗克：“老师，我准备把我的一生都献给物理理论学！”老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展，把一生都献给这门学科，太可惜了。”

对话7/20/2023？老师的预言正确吗？7/20/2023普朗克从1894年起投入对黑体辐射的研究，奋斗了6年。在用经典理论无法解释实验结果的情况下，提出了崭新的量子假说，成功的解决了“紫外灾难”的问题。7/20/2023MaxPlanck普朗克（1858-1947）德国普朗克不是一个天才，读书期间，他是一个循规蹈矩的好学生。不像爱因斯坦，不想学就逃课。1900年12月14日，普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题，正式提出了他的量子理论，古老的“自然界无跳跃”的观念受到一次猛烈的冲击。人们迎来了物理学的又一个新时代——量子时代。7/20/2023普朗克的量子假说认为：物质辐射的能量是一份一份的，就像物体是由一个一个原子构成的一样。一份能量就是一个量子，大小取决于波长，与频率成正比：

是普适常数6.63×10-34J·S，是频率。

经典物理学认为，能量是连续的。7/20/20237/20/2023量子的发现1900年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年，诺贝尔基金委员会成立，从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始颁发；这一年，希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的23个问题，为新世纪勾勒了一幅美丽的数学画卷；也正是在这一年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。

7/20/202319世纪末，正当人们为经典物理取得重大成就而高兴的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。德国物理学家普朗克为了解释黑体辐射能谱提出了一个大胆的假设：在黑体辐射的产生与吸收过程中能量是以hv为最小单位，一份一份交换的。德国物理学家维恩发现的热辐射定理，这个定律用经典物理理论是无法解释的。这一大胆假设的提出标志着量子力学的诞生。7/20/2023Niels

HenrikDavidBohr玻尔（1885-1962）丹麦1913年，玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定，提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的角动量必须量子化为h的整数倍。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程。7/20/2023玻尔与爱因斯坦玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的。年轻的玻尔第一次到柏林讲学，和爱因斯坦结下了长达35年的友谊。但也就是在他们初次见面之后，两人即在认识上发生分歧，随之展开了终身论战。他们只要见面，就会唇枪舌战，辩论不已。7/20/2023第一次交锋——第五届索尔维会议(1927)在1927年的科莫会议上，玻尔的互补原理第一次公开亮相，标志着哥本哈根解释迈出了关键的一步，然而在哥本哈根派聚集力量的同时，他们的反对派也开始为一次次交战做好准备，对于爱因斯坦来说，一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。玻尔在科莫演讲的基础上再次做了那个关于量子公设和原子新理论的报告，进一步总结互补原理，给量子论打下整个哲学基础。这次议程中融合了有玻尔，波恩和海森堡的哥本哈根派，以及哥本哈根派的死敌：德布罗意，薛定谔以及坐在台下的爱因斯坦。这场会议没有具体的资料记载，但是根据与会者的记忆描述道：爱因斯坦像一个弹簧玩偶，每天早上带着新的主意从盒子里弹出来，而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具，把对方所有的证据都一一碾碎。7/20/20237/20/2023几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英。

7/20/2023爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！玻尔，亲爱的上帝不掷骰子。BohrEinstein7/20/20231927年这场华山论剑，爱因斯坦终究输了一招。并非剑术不精，实乃内力不足。

7/20/2023这说的是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议的结果吗？在这次会议上，爱因斯坦和玻尔这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合时宜，站到了对立面。7/20/2023补充：第五届索尔维会议简介索尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费。这就是索尔维会议的来历。

7/20/2023人们通过经验和猜测的方法建立了量子理论，这是科学的幸运，但也因此导致了这个理论的异常神秘和不可捉摸，人们需要进一步理解它的真实含义。在量子力学建立之后，它的缔造者们便忙于弄清楚这个理论的含义，他们尤其想知道理论与经验之间的联系，以及理论本身是否具有一致性等等。正是对这些问题的思索和解决产生了关于量子力学的正统观点，由于这些观点主要是由当时在哥本哈根工作的物理学家，包括玻尔、海森伯、泡利、狄拉克等人所提出，因此也被称为量子力学的哥本哈根解释。

7/20/2023氢原子中电子的几率密度图

7/20/2023定态与跃迁

7/20/2023不能同时谈论电子的位置和速度

“粒子的位置测定得越精确，它的动量就知道得越不精确，反之亦然。”

——海森伯，1927年

7/20/2023那么量子是什么呢？简单地说，它就是自然的一种本性——分立性或非连续性，而量子的历史就是人们研究这种非连续性的探险历程。对于量子的发现历史，即使是科学史家们都抱怨它过于复杂①，更不用说一个普通的读者了，这一方面说明了量子的发现是如何的艰难，另一方面也说明了顽固的偏见是多么难以抗拒。因此，我们这里并不想让完整却无味的历史来破坏读者的兴致，而是让读者去亲身经历那些最激动人心的伟大时刻，并分享由此所带来的精神快乐。请记住，只有逻辑才清晰可见，而经验的历史总是纷乱复杂的。7/20/2023虽然在量子力学理论问题的解释上，与玻尔的几次论战，爱因斯坦都失败了，但是并没有被说服，相反的，由于爱因斯坦坚持他的信念，而把论战提升到了更高的境界，并在物理学及哲学上产生了许多新的问题。亚伯拉罕·派斯在《爱因斯坦曾住在这里》一书中说，就算1925年后，爱因斯坦改行钓鱼以度过余生，这对科学来说也没什么损失。7/20/2023三、量子论的诞生与发展1.背景：电子和放射线的发现，打开了原子的大门微观粒子的运动不能用经典力学原理说明2、诞生：1900年德国普朗克提出量子假说。认为辐射像物质一样，是由具有能量的基本单位量子来实现的，把能量不连续的概念带入了物理学。这一假说宣告了量子论的诞生。3、发展：爱因斯坦利用量子理论成功解释光电效应玻尔提出了有关原子的量子理论20世纪30年代，量子力学（研究微观世界粒子运动规律的科学）建立普朗克（1858—1947）是近代德国伟大的物理学家，量子论的奠基人，曾获得1918年诺贝尔物理学奖。7/20/2023

三、量子论的诞生与发展1、背景：2、诞生：3、发展：4、影响：①使人类对微观世界的认识取得革命性的进步，是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一②量子论与相对论共同构成现代物理学的基础，弥补了经典力学在认识微观世界和宏观世界方面的不足。③不仅推动了物理学自身的发展，而且还开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。7/20/20231900年，普朗克《黑体光谱中的能量分布》。1930年，狄拉克《量子力学原理》，完成了量子力学的普遍综合。虽然完成量子力学的普遍综合，只用了30年的时间，但是，量子物理中很多现象的解释还是无法确定的。从三十年代至今，前仆后继的科学家们献身于这迷幻的量子世界，试图将其弄个清楚。“人只有献身于社会，才能找出那短暂而有风险的生命的意义。”让我们向这些献身于社会的伟大科学家们致敬吧！7/20/20232011年9月，意大利格兰萨索国家实验室下属“奥佩拉（OPERA）”实验小组声称测量到了运动速度超过光速的亚原子粒子。7/20/2023若真存在将打破爱因斯坦理论在基本粒子家族中，中微子的行为最难以捉摸，是宇宙中的小精灵。顾名思义，中微子不带电，是个中性粒子。与它的“大哥”——中子相比较，它们的“性格”差异很大。中子表面上是个中性粒子，可是内部有复杂的电磁结构，而中微子内部完全不带电。物理学家通常认为中微子以光速运动。7/20/2023在2011年9月进行的一项实验中，“奥佩拉”小组曾称其实验装置接收了来自欧洲核子研究中心的中微子，两地相距730公里。结果显示，中微子跑过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)。这一实验之所以被广泛关注，在于其动摇了爱因斯坦相对论的基石，根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速。有位著名科学家说：如果超光速中微子实验是正确的，爱因斯坦理论中广为人知的“光速无法超越”定论将被打破，若证明超光速存在，则将现代物理学彻底颠覆，人类的物理知识将上升到另一个高度。穿越、平行空间、多维度、星球大战……这些只有电影中才存在的东西或许将离我们越来越近。7/20/2023科学家发现超光速中微子挑战爱因斯坦相对论(之一)超光速中微子超光速中微子，顾名思义，是超光速的中微子．该种中微子于2011年9月24日被发现．若再次被证实，现代物理学可能将被推覆．现代物理的两大支柱一个是量子论，另一个就是相对论．如果相对论被推翻，物理的大厦将会倒塌．7/20/2023惊天发现2011年9月24日，欧洲核子研究中心公布了一份研究结果，科研人员在让中微子进行近光速运动时，其到达时间比预计的早了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)，对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快的速度运行．根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速．如果此次研究结果被验证为真，意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战．7/20/2023超光速中微子图5-1-17/20/2023此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所．粒子束的发射方和接收方之间有着730公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行，并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度．中微子束在两地之间的地下管道中穿梭．7/20/2023挑战经典相对论是现代物理学基础理论之一，认为任何物质在真空中的速度无法超过光速．这一最新发现可能推翻爱因斯坦的经典理论．欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·埃利斯评价：“如果这一结果是事实，那的确非同凡响．”7/20/2023法国物理学家皮埃尔·比内特吕告诉法国媒体，这是“革命性”发现，一旦获得证实，“广义相对论和狭义相对论都将打上问号”．他没有参与这一项目，然而查阅过实验数据．比内特吕说，这项实验中，中微子穿过各类物质，包括地壳，“这也许会减慢它们的速度，但绝不会增加它们的速度，让它们超过光速”．7/20/2023实验经过研究所在地图5-1-27/20/2023

“这个结果十分令人震惊，”该研究项目发言人艾瑞迪塔托说，“我们在好几个月中反复研究核对，并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响．”艾瑞迪塔托说，科研人员反复观测到这个现象达1.6万次．“这是很令人感兴趣的结果，但它科学上的准确性，还要更多的实验才能来验证．”中科院高能物理研究所所长陈和生对本报记者说．他表示，目前物理学界也出现了一些对该实验结果的不同意见，一是怀疑粒子束飞行距离的准确性，二是粒子束本身长度的准确性．7/20/2023此次实验的研究者之一奥迪瑞说，“尽管我们测量的系统不确定性很低，统计数据准确性也很高，但我们还是希望能与其他实验做对比．”根据研究者的声明，中微子束的发射地到接收地之间的距离，存在着20厘米的不确定性．对中微子速飞行时间通过高级GPS系统和原子钟等精密设备测量，精确度小于10纳秒级别．7/20/2023发现意义欧洲核子研究中心在一份声明中表示，这个结果的潜在影响巨大，急需其他实验的独立测量进行重复实验，接受更广泛、更严谨的考验，这才能最终验证或反驳是否真的存在超光速粒子．目前，研究中心已将此实验论文上传到公开网站上，并对全球物理学界进行在线说明．图5-1-37/20/2023欧洲核子研究中心研究主任贝托鲁奇说，如果这个研究被验证，将改变人类的物理观．物理学家们认为，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式．有分析人士认为，可能宇宙中的确还存在其他未知维度，中微子抄了其他维度的“近路”，才“跑”得比光快．(未完转下节)7/20/2023科学家发现超光速中微子挑战爱因斯坦相对论(之二)有待检验这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战.2007年，美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果，但对实验的精确性存疑．7/20/2023“奥佩拉”项目发言人伊拉蒂塔托说，项目组充分相信实验结果，继而公开发表．“我们对实验结果非常有信心．我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方，却什么也没有发现．我们想请同行们独立核查．”

这一项目使用一套复杂的电子和照相装置，重1800吨，位于格兰萨索国家实验室地下140米深处.爱因斯坦图5-2、3-2

7/20/2023项目研究人员说，这套接收装置与欧洲核子研究中心之间的距离精度为20厘米以内，测速精度为10纳秒以内．过去两年，他们观测到超过1.6万次“超光速”现象．依据这些数据，他们认定，实验结果达到六西格玛或六标准差，即确定正确.欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑．科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲．如果最新观测结果适用于所有中微子，这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球．然而，观测显示，这些中微子仅早到数小时．“这难以符合‘欧佩拉’项目观测结果，”