中微子战争与额外维拨乱反正 相对论中的超光速是一个世纪之谜。但人类自此产生的光速和超光速阵见的分裂,不是爱因斯坦相对论惹的祸,而是基于20世纪前经典自然科学的物质定义惹的祸。因为19世纪末20世纪初开始的革命浪潮,把唯物主义和唯心主义的争论深深打进了基础科学研究。超光速作为一种"额外维",被爱因斯坦当作唯心主义的东西舍掉。但自称是坚持唯物主义的人则认为,超光速不是唯心主义的东西,而是可见的世界中真实的物质速度的客观存在。 2011年9月,以意大利格兰萨索国家实验室下属的"奥佩拉"的实验装置,接收到来自欧洲核子研究中心(CERN)的中微子,两地相距730公里,中微子跑过这段距离的时间比光速还快了60纳秒的报道,新一轮的实数与虚数超光速之战又打响起来。 因为超光速的中微子的发现,被一部分人认为,将颠覆爱因斯坦的相对论,科学会发生翻天覆地变化。但不同意的人,却怀疑奥佩拉实验有错。所以超光速之谜或超光速之争,实质不在于超光速存不存在,而在于说清楚拨乱反正。 "维数"表示空间广延性而使用的一个概念,经典物理学中提出,宇宙是由空间的三维和时间的一维,合起来组成的四维时空。想到"额外维",已被称为"卡鲁扎-克莱因奇迹"。 因为第一个想到"额外维"的人,虽然是芬兰物理学家诺德斯特朗,在1914年,出现在他的有瑕疵的引力理论文章中,但真正有影响并被爱因斯坦看重的,是德国哥尼斯堡大学的无薪数学教师卡鲁扎1919年写的论文,和1924年瑞典物理学家克莱因完成的论文。卡鲁扎发现加入一个额外维度后,重新构建的广义相对论方程不仅包含了爱因斯坦引力场方程式,同时还有描述电磁场的麦克斯韦方程组;该论文1921年由爱因斯坦将其发表。而克莱因在不熟悉卡鲁扎的文章的情况下,研究带电粒子在电磁场和引力场的影响下,提出第五维是卷曲成一个半径非常小的环圈。 20世纪60年代初我们还是中学生的时候,在不知道卡鲁扎-克莱因奇迹的情况下,在环圈图像中,我们引进对称性的自旋结构,来编码基本粒子。现在看克莱因的环圈,是粒子沿着这个"轴线",移动很短的距离,就会回到起始点;粒子在回到起始点前所能行进的距离,则称作是该维度的大小。这个额外维度是一个紧集,而时空具有紧致维度的现象,称作是紧化。而我们的额外维环圈,因为是以自旋度量,所以不受紧致化的限制。例如类星体的超光速,也许有不仅是一种计量自旋不同的区别。例如,如果类星体的自旋,仅取类似月球绕太阳公转的轨道运动,假定为类似环圈的面旋,并以此作类星体亮度周期变化的一次轨道长度,那么亮度周期时间一定,类星体就不会出现超光速运动。但如果类星体的自旋,不仅有类似月球绕太阳公转的轨道运动,而且有类似月球绕地球公转的轨道运动,这假定为类似环圈的线旋,那么这个轨道长度就大为减小,而亮度周期还是那个时间值,计算类星体的运动,就有会出现超光速的现象。 其次,额外维环圈的体旋,也会带来一个体内的虚空间,我们把它对应类似虚数,称为"点内空间",如果设想有微观粒子,像野鸭子钻水是穿行于"点外"和"点内"前行,那么其速度也会出现超光速的现象。因此,超光速的现象不仅要有精确实测时间和距离的计算,证明是真实的;而且还要有区分客体运动,是穿行于"点外",还是"点内"前行的证明。这也是超光速最难区分的地方,例如EPR隐形传输,"点外"就通不过超光速。 所以后来我们说"额外维",主要是指"点内空间"。它是隐藏在"点外"四维时空之外的一种看不见的那些维度。如果问我们的宇宙是否只考虑五维时空>,即只是添加了一个额外维的四维空间+时间的一个五维时空模型?添加一个以上的额外维,也是可以的吗? 有人说,考虑更多的维数也未尝不可。不过如果考虑的是五维以上的时空,用实验进行验证就不会这样简单了。也许不是专门学物理学的人,似乎更关心宇宙究竟有多少维数,但是物理学家们,最感兴趣的是额外维是否真的存在?是否真的存在着假定有额外维就应该有的那些粒子? 那么怎样做,才能够在头脑中想象更高维的世界呢?物理学家必须要想象的,是在具有额外维的宇宙中,哪些物理要素是不可或缺的?有人说,额外维是什么?额外维从何而来?他想到的额外维,就只是在高能量的作用下,量子卷缩起来的那些维。弦论说是26维,其他理论也有其他维度之说,例如霍金果壳宇宙说的量子皱折,其实就是额外高维。这与弦论是一致的。相对论中的时间倒流、时空弯曲、尺缩、钟慢等,其实都是这个东西;但相对论推导出了错误的结论。 但对宇宙超光速物理感到兴趣的人,大多数能接受的,是眼见为实这种观点。也许这种想法有时是对的;但是有时候坚持眼见为实,也会遇到中微子战争。可以说,就整个物理学而言,就是一部这样的"战争史"。例如谁也没有直接看见过原子或者夸克,所以有"原子战争"、"夸克战争"。但后来种种检测技术,都已经证实了它们确实存在后,已能说明抽象思维>的重要性。但到底是超光速还是额外维,囿于眼见为实的成见,仍然难倒了一批国际第一流的物理学家。 例如OPERA是将高能中微子束流从位于日内瓦附近的加速器,传输至730千米外的一个意大利实验室,利用2000吨重的乳胶寻迹设备开展中微子振荡的实验项目,到2011年11月据报道,原来的结果公布后,测量的多个环节被质疑,其中最可能出错的是拟合误差,其发射的中微子束团长10500纳秒;当探测到一个中微子的时候,并不知道它是束团中的哪一个质子产生的,需要依靠时间结构拟合来确定时间差。为了消除这个误差,OPERA实验重新进行了实验验证,特地将每个中微子束团缩短到3纳秒,相隔524纳秒。这样每个探测到的中微子都能找到准确的发射时间。新的实验11月6日结束,在十几天内共测到20个中微子,新的测量结果与原结果一致,即中微子比光快60纳秒,误差为10纳秒。 但新的报告又说,OPERA新的测量尽管有大的显著度和可靠的分析,由于结果有潜在的巨大影响,将继续研究,调查可能存在的、能解释观测到的反常现象的未知系统误差,谨慎地不对结果做任何理论上的或唯象上的解释。OPERA原来的论文,有15个作者拒绝签字。经过新的测量,以及对原来分析的重复检查,此次报告新增了9个作者,同时也少了4个原作者。 为什么原来不肯签字的15个人中,有9个投降了?原来署名的作者中,有4个害怕了?也许OPERA实验获得的超光速现象,仅仅只类似有精确实测时间和距离的计算,证明是真实的,还没有区分中微子个体的运动,是穿行于"点外",还是"点内"前行的证明。 即原来不肯签字的15个人中这次有9个签了字,也许他们承认了这次精确实测时间和距离的计算真实。原来署名的作者中这次有4个不签字,也许他们想明白了超光速最难的区分,是穿行于"点外",还是"点内"前行的证明,但他们并没有做。对于前者,OPERA还解释为什么原来不这么测,是因OPERA实验的本职工作,原为寻找缪中微子到陶中微子的振荡,不是测速度。原来的束流模式,会产生更多的中微子,但时间不精确。这次实验将束团调窄,中微子的产生额下降了60倍,但时间更准,每个中微子都能找到对应的产生时间。所以OPERA已经明白无误地告诉了世人,他们的精确实测时间和距离,只在于计算,不在于分真假速度。 有人评论道:信或是不信,那是信仰问题,不是科学问题。每个人都可以有自己的倾向性,但在事实面前,必须见风使舵。他曾经的信仰是:99%是OPERA实验做错了,0.9999%是中微子有什么特殊性,0.0001%是相对论错了。据说大部分人是假定有各种各样的特殊性。这次消除了一个重要的可疑之处,他打算见风使舵,更改自己的信仰为:90%是OPERA实验做错了,9.9999%是中微子有特殊性,0.0001%是相对论错了。从该评论可见科学问题,现在其实已经不是信仰的问题,更不是学者必须要像乞丐一样自谋生计;今天学问是不可以用来当饭吃的,必须在唯物与唯心的大是大非问题上,像大师爱因斯坦那样适应生态,见风使舵。 但余昕先生追溯科学起源时说,在欧美读博士学位的人,毕业的时大多会参加一个蒙头仪式,也即挂兜帽的仪式。兜帽是学位服的一部分,形状如同一条拓扑稍微复杂些的围脖,只有硕士以上的人才有资格挂。毕业前他一直以为兜帽不过是件装饰品,给原本冗长乏味的学位服增添些色调和繁复。它的真正的功能,是直到他参加了自己的蒙头仪式才知道。 那是教务长面对着黑压压的一场子人说,你们就要挂上兜帽了,可你们知道兜帽是干啥子用的吗? 它可不仅仅是学问的象征。原来在中世纪,学问是不可以用来当饭吃的,学者必须象乞丐一样自谋生计,兜帽便是学者的讨饭袋子。于是他才恍然大悟,蒙头仪式就是丐帮的加袋仪式。 也许类似《求是论坛》有网名为"本土人"的人说:"传统经典,真正是黔驴技穷了!" 不知坚持实数类似的超光速生态,还是坚持点内额外维虚数类似的超光速生态,黔驴技穷? |