中微子及与之相关的乱象

中微子及与之相关的乱象

戴榕菁

中微子是所谓的基本粒子标准模型中最奇幻和具有争议性（如【[1]】）的粒子，从对它的构想，发现，以及认识的发展中我们可以领略到现代理论和实验物理运作的一些特征。

1. 简单背景

在1910年代人们发现beta衰变产生的电子辐射动能呈现连续曲线的形状因而与量子领域的能量跳跃分布不符，似乎是有一部分能量消失了，而beta衰变中的电荷数是守恒的。在1920到1930年代，很多人提出了不同的理论来解释beta衰变的能量问题，著名的泡利不相容原理的泡利也于1930年提出beta衰变中应该是伴随着一个未知的不带电而且质量很小的粒子的产生以满足能量守恒的问题，他给那种粒子起名为中子（Neutron）。但在1932年詹姆斯·查德威克发现了原子核中质量更大的中性粒子，并将之命名为中子（Neutron），所以在1933年费米就将当初泡利提出的在beta衰变中产生的质量很小的中性粒子改名为 中微子（Neutrino）【[2]】。

直到1956年才有人第一次在核反应堆中发现了中微子，而且还是反中微子【[3]】。到了1968年才有人第一次发现了自然界【[4]】中的中微子。中微子被确认为有三种，一种是电子中微子，一种是muon子中微子，还有一种是tau子中微子。1956年发现的是电子中微子，muon子中微子和tau子中微子分别在1962年和2000年被确认发现【[5]】。

下面来看一下围绕着中微子的一些乱象。

2．超光速之争【[6]】

2011年9月，欧洲核子研究中心(CERN) 与意大利格兰萨索的国家实验室的合作项目OPERA【[7]】发布的计算结果显示，在他们的实验中，17 GeV 和 28 GeV 中微子的速度超过了光速。 2011年11月，OPERA 重复了它的实验，但有所改变，因此可以单独确定每个检测到的中微子的速度。 结果显示出相同的超光速。

这下子何止是一石激起千层浪，又何止是捅了马蜂窝！哇，可以说是让相对论学者的世界炸开了锅。这还了得，这不是在太岁头上动土吗？于是排山倒海的压力扑向OPERA团队。什么霍金，韦恩伯，马库，克劳斯等等得过诺奖的没得过诺奖但公众叫得出名的人物们以及其它各种团队都纷纷出来口诛笔伐指责OPERA团队大逆不道；他们或是在OPERA实验报告中挑鸡蛋里的骨头或是干脆整出自己所谓重复的实验报告来，总之就是要说明OPERA团队是胡扯。一个有趣的现象是OPERA的报告文章上有一大串签名，而反OPERA的各种文章上的也有一大串签名，其人数甚至还超出了OPERA文章的签名，让人想起中国文革时文攻武斗时要各自战队表态的劲头。当然，OPERA报告上签名的应该都是当初相关实验的参与者，但是明确了反OPERA的目的之后，那些反OPERA文章的的签名者们难道也全都参与了随后进行的反实验吗？打个问号。

总之，一阵炮声隆隆之后，OPERA团队不出意料地败下阵来，毕竟对方手里握着他们的命根子---科研基金（funding）。尽管团队成员在一场（没有介绍何人发起的）对团队领导的不信任投票中拒绝投下不信任票，OPERA团队的发言人 Ereditato 和物理协调员 Autiero 还是不得不于 2012 年3月30日打起铺盖卷走路【[8]】。Ereditato 在辞职信中指出，“OPERA 合作的行为始终完全符合科学的严谨性：无论是在公布结果时还是 当它为他们提供解释时。”

放在若干年前，我肯定会相信反OPERA团队的结果，毕竟人家是在对OPERA报告进行鸡蛋里挑骨头的分析之后再重复了的实验结果嘛。但是在经历了去年对20世纪物理学界的一系列令人瞠目结舌的戏剧性操作的了解之后，我坚决保留相信OPERA的结果而不是反OPERA的报告的权利。不知你们怎么想，反正我无法心安理得地接受在对科学实验进行有组织的政治打压后的铁拳下得出的结果，更何况我已经以大量的实验证据和逻辑分析证明了狭义相对论是错的！！！

2.1. 超新星预警

在主流理论界排挤打击有关中微子超光速运动的报告的同时，天体物理界有一个与之似乎多少是背道而驰的操作：建立通过观测太空中的中微子射线来预警超新星爆发的射线的到来【[9]】。而这个预警所依据的原理却是中微子比作为射线的光波先到达地球。

当然，为了圆他们声称的中微子的速度不可能超出光速的说辞，他们需要找出一个理由来支持为什么可以通过观测中微子射线来预警。他们的理论是：超新星爆发时，99%的能量为中微子，而光子被困在超新星中几个小时，中微子却在几秒钟内就能逃脱超新星跑出来，而中微子速度基本上是光速，所以，中微子可以比光子早几个小时到达地球。

这样的说辞听起来很别扭。首先，如果超新星发出的光能可以被完全忽略，就没必要预警，因为预警了也看不见。但如果超新星发出的光波到达地球后还能被看见，那说明发出的光还很多，毕竟多少光年以外的光到达了地球。但那么多的光子你说它统统地被困在超新星内，等中微子都跑出去几小时了才跑出来，听上去多少有点象是一种不合逻辑的想象，或者说是可以引起想象的心理暗示。

要知道按照现有的理论光子是没有质量的，中微子是有质量的，有质量的就不但会受到超新星巨大的引力场的影响，而且在与其它粒子的碰撞过程中也容易损失能量，再加上前面提到的主流物理界已确定中微子的速度比光速慢，现在说中微子会比光子提前几个小时到达地球，这听上去很不合理。

这里我们要注意到，SNEWS网站上并没有说光子要被困在超新星爆炸中具体多少小时，只是说hours。但另一方面距离地球比较近的一颗被认为有可能发生超新星爆炸的猎户座的参宿四星到地球的距离是400光年，而上面提到的2011年由OPERA团队做出的实验认为中微子运行750公里所需时间比光子少了60纳秒。按照这个结果换算下来中微子可以比光子提前84小时从参宿四星到达地球，把这84小时看作hours虽然稍微多了点，但也还是说的过去的，毕竟光子要花上3504000小时从参宿四星到达地球。

就这么巧？这怎么听上去有点像是阳奉阴违表面上承认中微子比光子慢实际上仍然把中微子看成比光子快呢？

3. 正反中微子

对于反物质稍具常识的人都知道，正反物质相遇时因为拥有相反的电荷会互相湮灭而产生光子。但中微子没有电荷，哪儿来的反物质？又为什么说第一个被发现的中微子就是反中微子呢？

对于这个问题的回答理论物理界又表现出了一个特有的技能------打马虎眼。费米实验室的回答是他们正在试图证明反中微子和中微子其实是一回事儿；当然，为了要让这个马虎眼具有说服力，还需要借助物理学界的另一个万用法宝-----数学模型。。。。这里物理学界扯出的数学模型叫做马约拉纳方程【[10]】，并说凡满足这个模型的粒子就和它的反粒子是一回事儿。

结果是到头来他们也没解释清楚为什么在从未发现中微子可以和什么东西碰撞湮灭的例子而且又假设中微子没有电荷的前提下会提出中微子的反粒子的。

与此同时，理论物理界倒是给出了一个用来区别中微子和反中微子的定性标准为：反中微子是自旋与中微子相反的粒子。但这显然不能自圆其说，因为他们既没有说自旋相反的两个中微子碰到一起会彼此湮灭，也确实从来没有这么说过。。。。反正“逻辑不通凑合着过”就是物理学界在20世纪练就的一个法宝。

此外，人们至今为止也还从未确定地捕捉到过中微子（意思是有人可能以为自己曾捕捉到过，但不确定）。那么人们又如何判定中微子的自旋方向呢？

我在“基本粒子的半径真为零吗？”一文中提到泡利大师为了避免电子出现超光速的旋转速度，把电子的自旋设定为每一个基本粒子都具有的不是转动但类似转动的抽象的内在特性。我在那里少说了一点：根据标准模型，这个抽象的自旋的数值必须守恒而且还要满足角动量守恒。根据这一点，他们可以判断出产生出的中微子或反中微子的自旋方向。

好了既然中微子有自旋它就应该有左旋和右旋吧，那么到底是左旋的是中微子右旋为反中微子呢，还是右旋为中微子左旋为反中微子呢？结果粒子物理学界告诉我们，左旋和右旋都可能是中微子，而反中微子也既可能是右旋也可能是左旋，只不过右旋的中微子和左旋的反中微子除了会产生引力外不会产生任何其它力因而被称作“惰性（反）中微子”，而实验室里发现的的都是左旋的中微子和右旋的反中微子，它们除了会产生引力外还会通过所谓的弱作用力与其它粒子发生作用。

换言之，自旋是不能拿来作为正反粒子的唯一判断的，而中微子又因为没有电荷而无法象其它基本粒子那样用相反的电荷来判断正反物质。。。。这听上去怎么又那么别扭呢？你明明根本就没有判断正反中微子的明确依据，却非要整出个反中微子的名堂，然后再试图证明正反中微子是一回事！如果证明不了是一回事，又说明什么呢？说明正反中微子碰撞会湮灭？你又没有任何理论可以支持这一点，是好玩吗？

当然物理学界之所以会把中微子的正反粒子特性搞得那么莫名其妙地逻辑混乱也不能说是完全为了好玩，而是有他们的苦衷。具体的逻辑如下（详见附录）：

1）根据标准模型，中微子只能通过弱作用力参与核子反应，而弱作用力只和左旋的正粒子和右旋的反粒子发生作用【[11]】。

2）beta衰变（β⁻衰变）中的质子和中子的自旋数都是整数而且方向一致，而作为反应产物的电子的自旋数为1/2，因此同为反应产物的中微子就必须具有一个-1/2的自旋数，所以中微子的自旋必须为反中微子。

3）1956年第一个发现中微子的β⁺衰变因为中微子是反应物，而在反应产物中有自旋数为-1/2的正电子，所以作为反应物的中微子的自旋必须为-1/2，所以它也是反中微子。

上面这通逻辑告诉我们标准模型的两套语法在中微子这里出现了兜不拢的问题：

根据第一套语法，弱作用力只和左旋的正粒子及右旋的反粒子发生作用，而自旋数又必须要守恒，那么按照这第一套语法，在β⁻衰变中中微子与电子同为反应产物，而在β⁺衰变中中微子为反应物和正电子为反应产物，所以这两种衰变中的中微子都必须为反粒子。

根据第二套语法，正反粒子拥有不同的电荷。但是，中微子没有电荷，所以应该不具备正反粒子的条件。

但是，在标准模型的语法中，似乎更看重第一套语法，所以先假定没有电荷的中微子也具有正反粒子再说，然后再试着证明它们因为满足马约拉纳方程所以其实是一回事儿。

由此我们可略见被过度夸大的现代科学精密实验的可信度到底有多大。

3.1. 万一证明了正反中微子是一回事之后。。。。

万一将来有一天证明了不具备电荷的中微子的正反粒子其实是一回事的话，新的麻烦又来了。因为前面提到，在还没有弄清中微子和反中微子到底是否一回事之前，物理学家们已经给它们设想好了惰性的配对：左旋的中微子配右旋的惰性中微子，右旋的反中微子配左旋的惰性反中微子。假如根本不存在反中微子，那么不但前面的第一套语法所说的弱作用力不和右旋的正粒子发生作用的法则会被打破，而且惰性中微子和惰性反中微子也失去了存在的依据。。。。这对理论物理学界来说也算得上是一笔额外的损失，因为一些理论物理学家们已经把惰性中微子设想为暗物质了。

4. 中微子的质量

中微子的质量可以说是关于中微子的理论又一精彩之处。首先，没人知道中微子的质量到底是多少。当初物理学界曾以为中微子没有质量，后来发现中微子在运行中可以在对应电子的中微子和对应muon子的中微子以及对应tau子的中微子之间变来变去，因此判定中微子应该有质量。

所有的文章中都是这么说的，至于为什么中微子在那三个品种之间变来变去就说明中微子有质量这一点，他们给出的理由是中微子的质量是这三种质量的叠加，所以可以随时变来变去。至于为什么是这三种的叠加以及如何变来变去的，并没有人能给出明确说明。这时他们又拿出来百试不爽的法宝：数学模型。他们按照他们的想象给出了一个有三个特征根的数学模型，然后就很满足地说，那就是为什么中微子是三个品种的叠加。。。。其实，这种游戏凡是学过代数的普通大学生都能玩，反正不用解释物理机制，只要找出一组数学方程能凑出满足一定条件的三种解就行了------尽管他们连在自然中那三种解到底是什么都不清楚。完全是连蒙带猜。

其实，从他们如何判别那三种中微子的依据应该能够体会到物理学家们的难处。他们是这样判断中微子的品种的：当中微子参加的反应中有电子时，那么相应的中微子就是电子中微子，当中微子参加的反应中有muon子时，那么相应的中微子就是muon子中微子，当中微子参与的反应中有tau子的时候，那么相应的中微子就是tau子中微子。

可见，与判断正反中微子一样，判断中微子的品种基本上也是一种语法的判别------用相伴的轻子（lepton）来给中微子的种类贴标签，至于具体某个品种的中微子的质量到底是多少，没人知道。为了谨慎起见，物理学家们特别申明：不要以为tau子比muon子重，muon子比电子重就可以推断它们对应的中微子谁比谁重。在这样的背景下，除了玩令人嗨一把的数学游戏之外要物理学家们明确说明为什么中微子在三个种类之间变来变去可以作为中微子有质量的物理依据是有一定的难度的。

不过，我猜他们最可能的依据应该是如何在著名的爱因斯坦的质量能量关系E=mc²和爱因斯坦的光子能量公式E=hf之间做选择的问题。他们或许认为如果中微子没质量，它就应该满足E=hf，如果它有质量就应该满足E=mc²；同时，中微子在不同品种之间的变来变去让他们觉得有必要用量子叠加进行解释，而三种质量的叠加可能比三种频率的叠加对他们来说更容易接受，所以就得出结论说中微子应该是有质量的。

5. 应用

中微子的应用又是一个听起来很有趣的话题。已有德国公司号称他们很快可以生产出用中微子射线做能源的手表，但与此同时在南极的在地下一公里半深处的体积为一立方公里的世界上最大的测定中微子的名为IceCube的观察站【[12]】每天只能测到275个中微子。德国手表每天能接受到多少个中微子来为他们提供能源？

6. 中微子和希格斯

根据基本粒子的标准模型理论，所有质量不为零的基本粒子都是通过那个在加速器中撞击了十亿次后出现的仅存在了十的负22次方秒的小隆包代表的希格斯粒子从希格斯场中获取质量，但是，费米实验室告诉你们，这不一定适用于中微子【[13]】。

7. 结束语

我不是物理工作者，我只是在履行早已被这个世界遗忘的作为哲学的一个最基本的功能的给物理学找毛病的职责而已。我这里所依据的知识性的内容全部来自物理学界自己的报告，我只是在指出他们的报告中的逻辑混乱之处而已。

围绕着中微子的乱象让我们再次看到被狭义相对论的枷锁套牢的物理学之可怜，更可怜的是如我在“基本粒子的半径真为零吗？”一文中指出的，现有的物理学理论体系永远也摆脱不了狭义相对论的枷锁。

附录

按照现有的知识，所谓的beta（β⁻）衰变的反应式为：

n⁰ → p⁺ + e⁻ + ν_e⁻

其中n⁰是中子，p⁺是质子，e⁻是电子，ν_e⁻是反（电子）中微子。这与当初泡利大师的设想是一致的。这里的电子的自旋数为1/2，所以按照自旋数守恒以及弱作用力只对左旋的正粒子和右旋的反粒子产生作用的标准模型语法，反应式右边就一定要出现被认为是自旋数为-1/2的反（电子）中微子。

1956年第一次发现中微子的实验的为β⁺衰变，其反应式为：

ν_e⁻ + p⁺ → n⁰ + e⁺

这里的正电子的自旋数为-1/2，所以反应式左边一定要出现自旋数为-1/2的反（电子）中微子。

这里会产生一个问题：在1910年代就已经知道的beta衰变和1956年核反应堆旁边观察到的现象都被认为有所谓的反（电子）中微子参与，而且在两种情况下都没有实际捕捉到任何中微子，为什么物理学界就认为1956年是发现了中微子，而之前就不是呢？我猜答案应该是：1956年那次是有一种未知的粒子的存在产生了中子和正电子，而这种现象正好可以用之前已经假设好了的核子反应可以产生中微子以及中微子撞击质子可以生成中子和正电子的理论来解释，而在这以前的beta衰变中只是发现能量守恒（及自旋守恒）不能得到满足因而还不能作为中微子存在的证据。