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高能宇宙线的GZK截断问题证明相对性原理不成立
[楼主] 作者:福州梅晓春  发表时间:2013/11/18 10:03
点击:3585次

 

                     高能宇宙线的GZK截断问题证明相对性原理不成立

                                   -- GZK截断的论证本身是一个逻辑悖论

                                                        梅 晓 春

高能宇宙线起源的研究经历了100年,但至今问题仍然没有得到解决。1965年Penzias和Wilson发现宇宙微波背景辐射(CMB)后, Greisen、Zat sepin和Kuzmin于1966年提出了著名的宇宙线能量GZK截断理论。按照这种理论,宇宙线的能量不可能高于1019eV的数量级。然而实际情况确实,观测到越来越多的能量超过1020eV的宇宙粒子,并且似乎没有还能量截止的迹象。

 

物理学中对GZK截断问题已经有大量的讨论,并提出许多解决方案。这些方案都存在缺陷,并没有真正解决问题。本文要说明的是,GZK截断的证明本身是一个逻辑悖论,是根本不可能成立的。这个悖论的根源在于运动相对性原理,宇宙线能量不存在GZK截断,这个事实恰恰证明相对性原理不成立。高能宇宙线主要成分是质子和光子,它们都有GZK截断问题,以下仅以质子为例来讨论。

 

地球实验室中γ射线由原子核衰变过程产生,其波长小于0.01纳米。粒子物理学实验证明,γ射线能与质子相互作用产生π介子。对于能量低于1GeV的γ射线,反应过程是:p + γ → p + π。

 

如果γ射线能量高于1GeV, 反应结果是先生成共振态,然后再衰变成质子和几个π介子。但如果是低能光子,就只能被质子散射,不可能生成π介子。比如用红外光,可见光,甚至紫外光与质子碰撞,是不可能产生π介子的。

 

宇宙微波背景辐射光子(CMB光子)的波长是微波量级,大约为0.1 ~ 30厘米,能量约在10-3eV的数量级。在地球静止参考系上观察,CMB光子与质子相互作用只能被散射,不可能产生π介子。因此在地球静止参考系上观察,宇宙线能量是没有GZK截断问题的。

 

另一方面,按照爱因斯坦运动相对性原理,在任意惯性运动参考系上观察,物理学规律都是一样的。按照狭义相对论公式,运动物体的能量与洛伦兹因子有关。在地球静止参考系上观察,如果宇宙线质子的能量达到1019eV,洛伦兹因子等于1010。在这种情况下,质子相对地球观察者的运动速度已经非常接近光速。变换到质子静止参考系上观察,相当于发射CMB光子的宇宙背景光源以近光速向质子运动,CMB光子的波长就要紫移。按照多普勒频移公式,CMB光子的波长就从厘米的量级变成小于0.01纳米的量级,低能的CMB光子变成高能的γ射线。因此在质子静止参考系上观察,CMB光子与质子碰撞就可能发生(1)式的反应,产生π介子。

 

于是就出现了问题,到底CMB光子与质子碰撞是否能产生π介子呢?地球静止参考系上观察者的看法与质子静止参考系上观察者的看法不一致,哪个观察者的看法正确呢?宇宙线能量存在GZK截断的论断显然是一个逻辑悖论,如果运动相对性原理正确,我们就根本无法进行判断。

 

然而,光子与质子碰撞能否产生π介子是可以用实验来证明的。π介子的产生与否是一个绝对事件,与观察者的运动状态无关,是没有相对性的。如果在地球静参考系上观察没有产生π介子,在质子静止参考系上观察,也不可能产生π介子。因此高能宇宙线能量的GZK截断实际上不存在,我们没有必要对它做过多的解读。即使按照爱因斯坦对时空相对性的解释,也只是说不同地点上发生的两个事件的同时性是一个相对的概念。对于不同运动状态的观察者,在同一地点上发生的事件都是绝对事件,而绝对事件是没有相对性的。

 

但是问题并没有这样简单,按照运动相对性原理,地球静止参考系和质子静止参考系是等价的。在这两个参考系上观察,物理学的规律和发生的现象都是一样的。我们有什么理由认为地球静止参考系的观察是正确的,质子静止参考系的观察不正确呢?

 

因此这里涉及到的是更为根本的,运动相对性原理是否成立的问题,它是爱因斯坦狭义相对论的核心问题。宇宙线理论中出现的这个问题只能说明,相对性原理不成立。爱因斯坦相对论的根本问题在于,在某些情况下,物理学规律的唯一性与运动参考系的相对性是不相容的。我们要么放弃物理学的唯一性,要么放弃运动的相对性。除此之外,我们没有别的选择。

 

实际观察中发现不存在GZK截断,说明地球静止参考系的观察是正确的。目前已经观察到宇宙微波背景辐射的空间各向不同性,这个事实说明存在绝对参考系。我们将宇宙微波背景辐射空间各向同性的参考系看成绝对静止参考系,地球参考系在其中的运动速度大约为390千米/秒。高能宇宙线质子静止参考系则以近光速相对绝对静止参考系运动。相比之下,可以认为地球参考系是近乎静止的。由于物理规律的唯一性,我们就应当以静止参考系的观察为准。

 

对于宇宙线能量的GZK截断问题,物理学家一直在试图寻找理论解释。这种努力是没有意义的,因为问题本身是一个逻辑悖论。事实上自从狭义相对论诞生以来,类似的问题还有许多,比如Signac效应就是一个典型的例子。在静止参考系的观察者看来,圆形旋转光纤中方向相反的两束光相会后,干涉条纹会移动。对于与光纤一起旋转的观察者,按照相对论的光速不变,两束光相会后是不会产生干涉条纹移动的。因此两个参考系对实验结果的判断不一样,但实验事实只有一个,干涉条纹会移动。因此在Signac效应中,应当以静止参考系的观察为准。

 

Signac效应的存在与GZK截断的不存在证明,运动的相对性是不可能的。这个问题实际上涉及运动速度的来源问题,如果存在绝对静止参考系,所有的运动都是相对绝对静止参考系而言的,运动速度就必须通过加速而得到。而加速过程是会对时空性质产生影响,结果使我们可以通过某些方法,判断参考系是静止还是处于绝对运动状态。关于这个问题,更具体的讨论请见以下网址:http://www.mxcphy.cn/space_time.php>。

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 [2楼]  作者:xhzjzs  发表时间: 2013/11/18 20:23 

读帖时,帖子不存在
 [3楼]  作者:hudemi  发表时间: 2013/11/18 21:37 

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 [4楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/18 23:38 
 [5楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/18 23:38 

2008年HiRes宇宙线观测站和迄今最大的宇宙线观测站Auger宣布它们的观察结果,证实超高能宇宙线能谱有GZK截断存在(置信度5σ标准偏差),Auger还以6σ的置信水平排除在10^19 eV以上有单一的幂律谱。

 [6楼]  作者:屋里学大师  发表时间: 2013/11/19 12:05 

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[楼主]  [7楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/20 11:12 

对【5楼】说:

余先生:有截断也是问题,在静止参考系上观察,应该没有截断。GKZ截断问题是一个悖论,说明相对性原理是不可能的。

[楼主]  [8楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/20 11:23 

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[楼主]  [9楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/20 11:26 

对【6楼】说:
Sagnac效应以不旋转的参考系为准就没有悖论。
 [10楼]  作者:hudemi  发表时间: 2013/11/20 13:20 

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 [11楼]  作者:hudemi  发表时间: 2013/11/20 13:20 

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 [12楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/20 14:35 

对【7楼】说:
这个问题可以撇开参考系、相对性原理考虑,打比方说,如果把把质子比作飞机、把光子比作空气分子,那么飞机的风洞试验相当于γ射线轰击慢质子,飞机在空中的飞行则相当于极高能宇宙线质子与宇宙微波背景的作用,动力学效果是一样的。UHECR的GZK截断问题的要害是对色散关系即能量-动量关系的检验,说到底还是对洛伦兹-爱因斯坦质量公式的深入追究。这是当前物理学的一个前沿问题,标准称谓"洛伦兹不变性破缺",涉及的具体领域除了GZK截断,还有中微子质量、β衰变谱末端的精细测量等等。目前围绕这个问题研究的热度颇高,说明主流物理学界始终没有放弃对狭义相对论完备性的质疑和探索,只不过在Auger的观测结果报出之后,"洛伦兹不变性"暂时略胜一筹。
[楼主]  [13楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/20 18:34 

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[楼主]  [14楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/20 18:40 

对【12楼】说:
余先生,GZK截断不只是能量动量问题,而是逻辑悖论问题,可见我对黄先生的回帖。这问题是相对论的要害,会致命的。这几年对GZK截断的实验是否有新的进展吗?请告知,多谢!
 [15楼]  作者:hudemi  发表时间: 2013/11/20 21:18 

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 [16楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/21 00:03 

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 [17楼]  作者:张崇安  发表时间: 2013/11/21 06:46 

余先生阐述的实质上是粒子流动量交换过程中的质量守恒和能量守恒问题。这里有个关健之处,伽码光子是以太媒介的波动还是粒子流。在p+γ-->p+π中,如果光的本质是以太媒介波动,则在这个反应式中,只有伽玛光子属于媒介波,反应过程就是一种粒子流与之穿行空间的波作用,最后变为两种粒子流,由于波速常数是媒介的性质决定,粒子在媒介中穿行过程中并没有改变媒介,也没有整体带动媒介,速度不服从伽里略速度合成,这种情况下,相对性原理是不成立的。
这里问题的关健是伽码光子是以太媒介波呢?还仅仅是牛顿空间中运动的粒子流?
麦克斯韦方程组之所以不符合相对性原理,是因为这个方程组标明:光速由媒介性质决定,与源速、观察者速度无关,若这样,光速失去了与源速的伽俐略合成,相对性原理就破坏了。
结论:如果伽码光子是以太媒介波动,相对性原理肯定不成立;如果伽码光子是牛顿空间中运行的粒子流,相对性原理必然成立。
这里需要注意的一点是微波背景辐射,按我的理解,这种背景只能看做一种可以导致引力的微粒子海洋(亚光子海),但不属于光媒介,不是以太,显然在广袤的宇宙空间中,有些地方几乎没有微波背景辐射,光照样穿行。所以,我的看法是:微波背景辐射不是光媒介,它对伽玛光子能起到阻碍作用,这种阻碍应该理解为空间不纯导致,但本质上不破坏相对性原理,因为相对性原理的前题是认可空实不作用。
 [18楼]  作者:张崇安  发表时间: 2013/11/21 12:18 

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[楼主]  [19楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/21 14:28 

对【15楼】说:
 

黄先生,我的看法的关键恰恰在于相互作用末态 r 光子与介子的差别。末态是什么粒子在两个参考系都可以观察,是没有相对性的。你说的是相同的粒子能量的问题,性质完全不一样。

 

光子自旋为1,是稳定的,中性介子自旋是零,不稳定,会衰变。因此不论在静止参考系还是运动参考系,末态粒子是光子还是介子是唯一的,可以观察的,没有相对性。如果理论推出两个参考系末态粒子不一样,就是悖论。

 

在地球静止参考系上观察,宇宙微波光子与高能质子碰撞只是散射,不会变成其他粒子。如果在质子静止参考系上观察,末态也是光子,哪怕变成高能的 r 光子,才是没有矛盾的,但实验事实不是这样。

 

从地面系看,空中飞行的鸟没有多大能量,但飞机高速飞行,二者是对撞,能量是很大的。与在飞机上看,碰撞的结果是一样的。

[楼主]  [20楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/21 14:30 

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 [21楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/21 16:45 

“在地球静止参考系上观察,宇宙微波光子与高能质子碰撞只是散射,不会变成其他粒子。”——梅教授这个判断有问题啦!
 [22楼]  作者:hudemi  发表时间: 2013/11/21 17:49 

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 [23楼]  作者:屋里学大师  发表时间: 2013/11/21 17:50 

我有一个理论研究证明,人的寿命在300处有截断,置信度为0.1σ个标准偏差。尽管已有中国道人活到400多岁的

报道,但那并没有得到最后确认,暂且称之为牛东截断吧,如果有质疑者可提出牛东悖论问题。

※※※※※※
牛 东
[楼主]  [24楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/22 08:38 

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[楼主]  [25楼]  作者:福州梅晓春  发表时间: 2013/11/22 08:46 

对【22楼】说:

又及, 在地面参考系上观察,宇宙微波辐射光子的能量并不大,尽管它也以光速运动。在质子静止参考系上观察,变成 r 光子,是因为光谱紫移造成的,及所谓的逆康普顿散射。

 [26楼]  作者:余本鲲  发表时间: 2013/11/22 10:56 

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 [27楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2013/11/22 11:40 

哦,原来梅先生已经在这个页面,在幼儿园(六岁)常识问题上被炮轰了。我竟然还马后炮地写了一个长文“梅先生将“GZK截断”做了庸俗化、且错误的理解与陈述”(现在在审核)。
 [28楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2013/11/22 11:50 

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 [29楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2013/11/22 11:55 

梅先生直接断定:在地球参考系上,10^(19)eV质子与10^(-3)eV的微波背景光子相撞,得到的pi介子数,与在质子参考系上看到的该质子与高度紫移化的背景光子相撞产生的pi介子数,不等。他先有这个先验的“断论”,然后就说“实际观察中发现不存在GZK截断,说明地球静止参考系的观察是正确的......”。完全是一派胡言。实际上,根据相对论,可以证明:在地球参考系上,10^(19)eV质子与10^(-3)eV的微波背景光子相撞,得到的pi介子数,与在质子参考系上看到的该质子与紫移化的背景光子相撞产生的pi介子数,完全相等。只不过,选择以质子为参考系来计算更简单而已。对于一个散射事件,散射截面与产生粒子数,不随着参考系的变化而变换,但是,其中必有一个参考系,可以使得计算比较简单,用其它参考系,计算复杂。

真正的理解应该是:无论选择地球参考系,还是质子参考系,按照相对论,都存在GZK截断。当然,选择什么参考系问题,根本不是这个GZK截断问题的猪脚(主角(zhu jue))。梅先生的主帖,是将“GZK截断”庸俗化了。且他断定用不同参考系计算得到的pi介子数不同,则是错误的、也是诬陷了相对论。因此他的帖子是完全错误的。

黄先生与余先生是对的。梅先生谈逻辑,但他经常这样打偏、最终打到后脑勺。
 [30楼]  作者:屋里学大师  发表时间: 2013/11/22 14:46 

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