中微子为什么比光速快呢?

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中微子可以超过光速?其实这明显就是只用一根手指就可以做出准确判断的伪命题,你是从哪个民科口中得知那么震撼人心的发现的?

我们都知道,宇宙中最快的速度是光速(别谈什么其他宇宙中大神文明或者目前人类认知的局限,事实就是这样,即便大神文明真的来了,它们也超越不了光速),所以一切说可以超越光速的速度的存在都是伪科学,都是民科幻想出来的骗局。

那么,中微子呢?它是什么东西?为什么会有人说它比光速快?

中微子是自然界中最基本的不带电的粒子之一,由于它的个体极小,且不带电,因此它可以毫无拘束地穿过任何的原子内部,其实也正因为如此,我们的地球,我们的身体,对它而言都是像是虚无般的存在,什么东西都挡不住它的运动(除了引力外,电磁力、强力、弱力对它都起不了作用)。而我们也知道,没有质量的东西是可以达到光速的,可是中微子呢?它是有质量的,只是质量已经轻小到了近乎可以忽略不计的程度而已。

因此,中微子的速度只能达到亚光速的状态,而不可能达到光速,当然,若要像题目所说的比光速快,那就叫无理取闹。

没有的事。

意大利OPERA(中微子振荡乳胶径迹)小组发现,中微子在飞行730千米后,到达探测器的时间比光在真空中走同样路程所花的时间还要少60.7纳秒,中微子的速度比真空中的光速快10万分之2.48,每秒钟要多要跑6千米左右。

中微子是什么

中微子是一种不带电荷,质量非常小的基本粒子。在我们周围存在大量中微子,主要来源于太阳内部的核反应,在电影《2012》中,来自太阳的中微子与地球岩层发生作用,加热地壳,大量熔岩溢出,大陆板块加速漂移,引起超级地震,火山和海啸,一片世界末日景象。实际上这不可能,因为中微子与其他物质发生相互作用的几率非常小,穿透能力极强,可以轻松穿越700颗地球而不发生相互作用。实际上每秒钟有一千万颗太阳中微子穿透我们的身体,我们却感受不到这种幽灵般的粒子,人体和地球对它是几乎透明的。

中微子的检测

中微子这种强悍的穿透力让科学家吃尽了苦头,为了看到它,科学家只能守株待兔,让大量中微子与大量探测物质接触,虽然单个中微子的反应几率小,但是总量上来以后,还是能看到一些中微子发生反应事例的。为屏蔽其他粒子的干扰,中微子探测器一般都建在地下数百甚至上千米的矿井或者山洞中。此次发现OPERA实验组属于意大利格朗萨索国家实验室,它位于横穿意大利的格朗萨索山脉中,一条高速公路隧道连接山的两边,中间有3个大山洞,洞中建起了这个世界上最大的粒子物理实验室,实验室在地下1400米深处。

中微子振荡

中微子总共有三种,电子中微子,μ中微子和τ中微子。由于中微子有质量,它们会发生相互转化,叫中微子振荡。为了研究这种现象,从2009年到2011年OPERA利用位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)的超级质子同步加速器产生了一万亿亿颗速度极大的质子,轰击靶标,产生出一束束高强度高能量的μ中微子,在地下穿透重重岩石,射向OPERA的乳胶径迹探测器,总共检测到16000个中微子。CERN离OPERA有730公理,在这个距离上很多μ中微子会转变为τ中微子,检验探测器上探测出的中微子,可以检验粒子物理理论是否正确。这类中微子振荡实验在很多国家的多个实验室开展,分别测量太阳中微子,大气中微子,核电站中微子,以及加速器产生的中微子的振荡,中微子跑动的距离从数十米到一千五百亿公里。其中比较著名的有美国Homestake中微子探测器(Raymond Davis于1967年到1985年在这里发现了太阳中微子的振荡,获2002年诺贝尔物理奖),日本的神冈/超级神冈探测器(小柴昌俊从1982年开始建造该实验室,在这里发现很多中微子振荡效应效应,获2002年诺贝尔物理奖),目前正在进行的一项实验是T2K实验,从位于日本东海的质子加速器J-PARC产生中微子,发射到250公里以外的神岗中微子探测器。此外2007年位于美国明尼苏达的MINOS实验组开展过与今天OPERA几乎相同的实验,他们所采用的是著名的费米实验室产生的μ中微子束。中国在大亚湾核电站附近也建有中微子实验室,主要研究电子中微子向τ中微子的转变。

中微子超光速?

OPERA的实验方法是非常平常的,但这次实验得到了一个如此意想不到的副产品:中微子比光快,而且能量越高的中微子速度似乎越大(注:从论文结果来看是这样,但OPERA发言人在新闻发布会上否认了这种关联性)。按照狭义相对论,这些能量非常高的中微子的速度和真空中光速应该几乎相同,只比光速小大约每秒钟0.03纳米。这一结果违反了大多数物理学家一直认为是常识的一条规律:任何物体的运动速度不能超过真空中的光速。如果这一实验结果被证实,这将是本世纪最重要的科学发现。

虽然中微子的探测比较复杂,但是中微子的速度测量原理非常简单:精确测量出探测器到发射器的距离以及中微子在路上所花的时间,两者相除就得到中微子的速度。实验小组采用了最精密的原子钟和GPS对时方案光纤同步传输信号方案,对中微子运行时间的测量可以精确到10纳秒以内;实验小组精确测量了加速器和探测器之间730千米的间距,先通过GPS系统测量出CERN和OPERA的室外基准点的距离,再从全站仪一步一步测量出探测器到基准点的距离,GPS系统可以准确到为2cm,全站仪可以准确到20cm左右。OPERA位于隧道内,测量时为了准确起见还封锁了隧道内的公路。时间和距离的测量都反复进行过多次,得到中微子可能比光速快这一重大而又违反常理的发现后,实验小组又反复检查了六个月,排除了所有可能的实验误差,包括月球潮汐影响,地球自转影响,地震影响,温度和云层对GPS信号传递的影响等等。考虑到所有这些后,实验小组相信这一结果的置信度达到99.9997%。在正式公布最终结果以前,实验小组和全球同行进行了广泛的交流,直到发现没有任何漏洞,才于9月22日公布了实验结果,给出了详细的实验方案,供大家检验是否还存在漏洞,并呼吁其他实验室来证实或者否定他们的实验结果。

其他中微子实验的结果

值得指出的是2007年美国MINOS实验小组得到过几乎一样的结论,他们进行了几乎完全相同的实验,连加速器到探测器的距离都非常接近MINOS为734千米,OPERA为730千米),唯一区别是MINOS采用的是能量为3GeV的μ中微子,而OPERA采用的主要是17GeV的μ中微子,实验结果是中微子速度比光速快十万分之5.1,非常接近OPERA的结果(快十万分之2.48),但此次实验由于中微子事例少,实验不确定性比较大,当时未能引起重视。MINOS将很快重新开展实验,实验精度会非常高,有可能将运动时间精确到1纳秒以内,以检验OPERA的结果。

前面提及过的日本T2Ka实验得到过极微弱的超光速迹象,只是三月份的大地震中实验装置受到一些损坏,该实验有望于2012年再次开始记录数据。

OPERA所遇到的最大挑战是著名的超新星SN 1987A的中微子爆发事件。1987年2月24日这颗位于大麦哲伦星云的超新星突然爆发,抛洒出大量中微子和各频段的电磁波,在几个月时间内这颗超新星用肉眼都可以看到,它是1604年以来最亮的超新星。超新星爆发时发出的光线来到地球的3小时前,世界各地有三台中微子侦测器同时侦测到一股中微子爆发,共有24颗中微子被探测到,其中日本神冈探测器11颗,美国IMB探测器8个,俄罗斯BAKSN探测器5颗。这24颗中微子开启了中微子天文学这样一门新的学科,对恒星演化和粒子物理研究具有极大价值。

这些中微子长途跋涉16.8万年,几乎同时到达地球,前后相差只有13秒,虽然他们比光先到达地球,看起来中微子速度比光要快,其实不然,中微子与其他物质相互作用极弱,在超新星爆发的瞬间就离开超新星了;而光子则会与周围的物质粒子发生频繁碰撞之后,才能拖泥带水地逃离。SN 1987A距离地球16.8万光年,如果OPERA实验是正确的,中微子速度比光速快十万分之2.48,那么SA1987中微子到达地球的时间会比光早4.2年而非3小时。当然这个论述值得商榷,OPERA实验采用的是高能μ中微子;而SN 1987A释放的是低能电子中微子,能量和中微子类型都不相同。不过即使考虑这些,也不足以造成如此大的区别。

形形色色的超光速

1905年爱因斯坦提出狭义相对论,其中有两条基本原理:光速不变原理和相对性原理,根据这两条原理可以得到一个推论,为了维持因果律,信号的传递速度应该低于光速。这里的速度既包括物质运动的速度,比如宏观物体和微观物质微粒运动的速度,波的速度;又包括能量和力的传输速度,以及广义的信息速度。

自从相对论为自然界万物设定了光速这一速度上限以来,一直有人试图突破它。果壳网上曾有很多人设想过下列思维实验:取一根一光年长的坚实木棍,沿着棍子的方向拉动棍子,棍子的另外一端会马上随着运动,似乎证明了拉力传递的速度远大于光速。这是不可能的,因为这种理想刚体棍不可能存在,棍子受力后发生的变形是以声速传递的,很多年以后棍子另外一端才会感受到拉力并开始运动,拉力传递的速度远低于光速。

类似的设想很多,大都是通过是构造过一些不可能存在的物质或者特性来“突破”光速,其中比较著名一种超光速粒子是快子,最重要的特点是质量为虚数,其速度范围为光速到无穷大。按照这一理论,存在两个不同的速度区域,快子的速度总是高于光速,普通物质的速度总是低于光速,光速是分界线,不能相互逾越。有趣的是,把物体从低速加速到光速是不可能的,要让物体达到光速,需要无限大的能量;而让快子的速度降低到光速,同样不可能。快子的高速度并不是从低速加速而来,而是本来就有的。

在2000年,复旦大学倪光炯教授就用快子理论解释过中微子质量问题:有些观测数据表明中微子质量似乎是虚数,中微子可能是快子,速度比光速快。快子理论从提出到现在已经快50年了,一直只被认为是物理游戏,不是真实的物理,因为就在于人们很难接受虚质量,我们周围的物质质量都是正数或者零。如果能够容忍虚质量,那么OPERA实验倒是可以轻松解释了。

中微子很可能是没有被能量激发的惰性光子,它在宇宙中无处不在,它是遥远星系的光线波长被引力拉长后所形成的惰性光子的表现,它可以被能量激发形成光线,进而表现为光的粒子属性

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爱因斯坦曾经在广义相对论里面提出时空膨胀理论,认为时间不是一成不变的,而是可以改变的,时间和空间并非独立的,而是可以组成一个更高级的空间概念,这个空间就叫做时空,根据时空膨胀理论,爱因斯坦认为只要改变物体的速度就可以改变时间,用一句话概括就是:速度越快时间就越慢;速度达到光速时间就停止;速度超越光速时间就可以倒流。也就是说在实际情况中不可能发生的时间倒流、时空穿越在理论上竟然是可行的,而且还是爱因斯坦这位伟大的科学家提出来的,让多少人相信这个事实。

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中微子的群速度肯定比光速慢(注意是群速度,相速度可以超光速的,但是不能传递信息),前几年意大利做的那个试验说中微子超光速实际上是他们又跟电缆松了导致的延迟。中微子震荡实验也从侧面说明了中微子有质量,即速度小于光速,今年的诺贝尔物理奖。量子纠缠导致的所谓量子超时空传态可以是超距作用,比如有个纠缠态是两个电子,他们自旋总角动量为0,但一个在中国一个在美国,中国的冲上美国的就冲下,反过来也一样。如果我测量了中国的,美国的电子的自旋角动量也就确定了,看起来不需要任何时间传递相互作用。但是这样做不能传递信息,想让美国知道中国的测量结果还要最快以光速传过去。

20世纪是一个硕果累累的世纪,21世纪科学技术发展更是突飞猛进、日新月异。一、20世纪初科学革命两大成就1、相对论1905年,20世纪最伟大的科学天才爱因斯坦在他26岁时创立了狭义相对论,提出了不同于经典物理学的崭新的时空观和质(m)能(E)相当关系式E=mc2(此处光速C=3×108米/秒),在理论上为原子能的应用开辟了道路。关于E=mc2,即物体贮藏的能量等于该物体的质量乘以光速的平方,这个数量大到令人难以想象的程度。我们不妨打个比方说,1克物质全部转化成的能量,相当于常规状态下燃烧36000吨煤所释放的全部热能;或者说,1克质量相当于2500万度的电能。1915年,爱因斯坦又创立了广义相对论,深刻揭示了时间、空间和物质、运动之间的内在联系—空间和时间是随着物质分布和运动速度的变化而变化的。它成为了现代物理学的基础理论之一。从1923年开始,爱因斯坦用他的后半生致力于统一场论的探索,企图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论,虽然他没有取得成功,但是杨振宁和米尔斯于50年代创立了“杨—米尔斯场方程”,发展了所谓“规范场”的理论,使爱因斯坦梦寐以求的统一场论可望在规范场的基础上得以实现。2、量子力学1900年,普朗克创立了量子论,提出能量并非无限可分、能量的变化是不连续的新观念。1905年,爱因斯坦提出了光量子论,揭示了光的“波粒二象性”。1913年,玻尔把量子化概念引进原子结构理论。1923年,德布罗意提出物质波理论。1925年,海森伯和薛定谔分别建立矩阵力学和波动力学。1928年,26岁的狄拉克提出电磁场中相对论性电子运动方程和最初形式的量子场论,使包括矩阵力和波动力学在内的量子力学取得了重大的进展。20代末量子力学的建立,是继1905-1915年相对论建立之后对经典物理学的又一次革命性的突破,它成功地揭示了微观物质世界的基本规律,加速了原子物理学和固态物理学的发展,为核物理学和粒子物理学准备了理论基础,同时也促进了化学键理论和分子生物学等的产生。因此,量子力学可以说是20世纪最多产的科学理论,迄今仍具有强大的生命力。二、20世纪中后期5大科学成就1、物质的基本结构从远古时代开始,人们就在探讨物质是由什么组成的,有没有公共的基本单元。直到19世纪末,人们都认为这种共同的基元就是原子。1911年,卢瑟福发现原子内部有一个核;1913年,玻尔指出放射性变化发生在原子核内部,于是研究原子核的组成、变化规律以及内部结合力的核物理学应运而生。1932年,查德威克发现了中子。从此,人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的,于是把这三种粒子和光子称为基本粒子。但是,基本粒子并不“基本”。一方面,正电子、中微子、介子等新的基本粒子相继发现;另一方面,基本粒子还有其内部结构。60年代以来,出现了基本粒子结构的“夸克模型”、“层子模型”等,使40年代末诞生的一门新的独立学科—基本粒子物理学(又称高能物理学)至今方兴未艾,成果累累。2、宇宙大爆炸理论现代宇宙学的研究发端于爱因斯坦。他在1915年创立广义相对论后,用它来考察宇宙的结构问题,于1917年提出有限无边的宇宙模型。1922年,弗里德曼提出的非静态宇宙模型,认为宇宙是可能膨胀的。1929年,哈勃确定了星系红移(即退行速度)和距离之间的线性关系,证实了宇宙膨胀理论。1932年,勒梅特提出了宇宙爆炸说。1948年,伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来,发展了大爆炸理论,并用它来说明化学元素的起源。这一宇宙大爆炸理论在1965年发现的宇宙背景辐射现象和1998年哈勃望远镜探测到距地球120亿光年之遥的星系中得到了有力的支持。3、DNA分子双螺旋模型1953年4月25日,英国《自然》杂志刊登了25岁的沃森和37岁的克里克合作研究的成果—DNA双螺旋结构的分子模型,这一成就后来被誉为20世纪生物学方面最伟大的发现,也被认为是分子生物学诞生的标志。DNA是遗传基因的物质载体—脱氧核糖核酸的英文简称。1915至1928年间,摩尔根通过果蝇实验,证明了坐落在细胞核内染色体上的基因决定着生物性状,从而创立了基因理论。染色体是由蛋白质和DNA组成的。过去生物学界一直认为蛋白质是遗传信息的载体,直到1944年埃弗里等人通过实验才证明了遗传载体不是蛋白质,而是DNA。1953年DNA分子结构双螺旋模型的建立是打开遗传之谜的关键。60年代尼伦柏格等人破译了遗传密码,证明地球上所有生物的遗传密码都是相同的—DNA的4种核苷酸碱基的序列代表了基因的遗传信息,决定着蛋白质的20种氨基酸的组成和排列顺序。作为基因载体的DNA是生命的后台指挥者,生命的一切性状通过受DNA决定的蛋白质来表现。4、大地板块构造学说1912年,魏格纳提出大陆漂移说,认为在地质历史上的古生代,全球只有一块巨大陆地,周围是一片大洋;中生代以来,这块古陆开始分裂、漂移,逐渐成为现在的几个大陆和无数岛屿,原来的大洋则分割成几个大洋和若干小海。大陆漂移说经半个多世纪的发展,由地幔对流说(1928年)、海底扩张说(1961年)等阶段,到1968年勒比雄等提出了全球大地板块构造学说,建造了全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和若干小板块的结构模型,得到了越来越多的科学验证,特别是海洋地质学的有力支持。5、信息论、控制论、系统论1948年,申农《通讯的数学理论》、维纳《控制论:关于动物和机器中控制和通信的科学》、贝塔朗菲《生命问题》的出版,标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生;1957年,古德等《系统工程学》的出版为系统工程论奠定了基础。60年代以来,又出现了新的交叉科学—突变论、协同论和耗散结构理论。交叉科学不仅沟通了为数众多的自然科学学科,而且在方法论上也沟通了自然科学与社会科学。它向人们提供了定量、精确和最优的认识世界的方法,对人类社会产生了深刻的影响。三、20世纪的5大尖端技术成果1、核能与核技术原子核的裂变和聚变反应将产生和释放出远大于机械能、化学能等产生的能量。核能的和平利用,为人类提供了一个既安全又清洁、取之不尽而用之不竭的能源宝库。1942年,美国建成了世界上第一座原子反应堆,首次实现了人工控制的链式核裂变反应。1945年第一颗原子弹爆炸成功。1952年第一颗轻核聚变的氢弹爆炸成功。1954年,苏联建成世界上第一座原子能发电站。60年代以后,核电站进入实用阶段,发展至今已成为一种重要能源,约占全球发电总量的1/5。核技术还广泛应用于农业、医疗、材料、考古和环保等领域。40年代放射性同位素开始大量生产,1947年比利发明了C14测定年代的方法,1951年开始使用Co60等放射性元素治疗癌症,70年代以来计算机x射线断层扫描技术(CT)广泛应用于临床,80年代初发展到核磁共振扫描技术(MRI)。2、航天和空间技术1903-1914年,齐奥尔科夫斯基提出以火箭为动力的航行理论,奠定了航天学的基础。1919年,戈达德提出火箭飞行的数学原理,并于1926年成功地发射了世界上第一枚液体燃料的火箭。1942年,布劳恩主持设计发射的液体军用飞箭成为二战后各国火箭发展的蓝本。1957年,苏联用洲际导弹的火箭装置发射了世界上第一颗人造地球卫星,“空间时代”从此开始。1961年,苏联发射载人宇宙飞船,人类首次飞向太空。1969年,美国“阿波罗”11号飞船登月,人类在月球上留下了第一个脚印。1971年,苏联建造空间站,人类首次在太空中有了活动基地。1981年,美国发射航天飞机成功,从此人类可以自由进出太空。自50年代后期起,人类开始对月球和太阳系各大行星,以及遥远的行星际空间进行探测,至今已发射了100多颗空间探测器,去揭示宇宙的形成与演化,探索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响。3、信息技术信息技术是20世纪发展最快的技术领域。它对人类社会、经济、政治、文化等产生了全方位的巨大而深远的影响。1906年,三极电子管的发明使电信号放大,从而使远程无线电通信成为可能。1947年,第一只晶体管的诞生为电子电路集成化和数字化提供了重要的基础。1945年问世的电子计算机,已经历了第一代(电子管,40年代中至50年代末)、第二代(晶体管,50年代末至60年代中)、第三代(集成电路,60年代中至70年代初)和第四代(大规模和超大规模集成电路,70年代初开始)等发展阶段,80年代开始对新一代的智能计算机、光学计算机和量子计算机的探索已取得初步成果。随着大规模集成电路的出现,计算机向巨型化和微型化两极发展。70年代中,巨型机的向量运算速度超过了每秒亿次;微机则进入了千家万户,标志着个人电脑时代的来临。当今,巨型机的运算速度已达每秒3.9万亿次,而计算机互联网络则在2亿多网民的学习、研究、交流、贸易甚至娱乐等方面创造了崭新的工作和生活方式。4、激光技术1917年,爱因斯坦在研究光的辐射的过程中,提出了“受激辐射”的概念,奠定了激光的理论基础。1958年激光被发现。1960年美国制成了世界上第一台激光器,它用红宝石晶体做发光材料,用发光强度很高的脉冲氙灯做激发光源,在这种受激辐射作用下产生的一种超强光束就是激光。继红宝石激光器之后,半导体激光器(1963年)、气体激光器(1964年)、自由电子激光器(1977年)乃至原子激光器(1977年)等相继问世。5、生物技术基因重组技术(又称基因工程)是20世纪下半叶蓬勃兴起和发展的现代生物技术的最前沿领域。60年代末至70年代初,阿尔伯和史密斯发现细胞中有两种“工具酶”,能对DNA进行“剪切”和“连接”;内森斯则使用工具酶首次实现了DNA切割和组合。DNA的重组能创造性地利用生物资源,实现人类改造生物的遗传特征、产生人类所需要的生物类型的意愿。80年代以来,已获得上百种转基因动植物,对农业发展具有重要意义。转基因药物的研制和生产则将为人类的健康带来新的福音。除基因工程外,生物技术(即生物工程)还包括细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等领域。1978年首例试管婴儿路易斯诞生、1996年克隆羊多莉的出现都是细胞工程的杰作;加酶洗衣粉和嫩肉粉等则是酶工程的产品;现代发酵工业始于青霉素的生产,现已大规模利用发酵工程..内容来自www.07swz.com请勿采集。

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