中微子戰(zhàn)爭(zhēng)與額外維撥亂反正
http://sea3000.net/discuss10/20111121181204.php相對(duì)論中的超光速是一個(gè)世紀(jì)之謎。但人類自此產(chǎn)生的光速和超光速陣見的分裂，不是愛因斯坦相對(duì)論惹的禍，而是基于20世紀(jì)前經(jīng)典自然科學(xué)的物質(zhì)定義惹的禍。因?yàn)?9世紀(jì)末20世紀(jì)初開始的革命浪潮，把唯物主義和唯心主義的爭(zhēng)論深深打進(jìn)了基礎(chǔ)科學(xué)研究。超光速作為一種“額外維”，被愛因斯坦當(dāng)作唯心主義的東西舍掉。但自稱是堅(jiān)持唯物主義的人則認(rèn)為，超光速不是唯心主義的東西，而是可見的世界中真實(shí)的物質(zhì)速度的客觀存在。
2011年9月，以意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室下屬的“奧佩拉”的實(shí)驗(yàn)裝置，接收到來自歐洲核子研究中心(CERN)的中微子，兩地相距730公里，中微子跑過這段距離的時(shí)間比光速還快了60納秒的報(bào)道，新一輪的實(shí)數(shù)與虛數(shù)超光速之戰(zhàn)又打響起來。
因?yàn)槌馑俚闹形⒆拥陌l(fā)現(xiàn)，被一部分人認(rèn)為，將顛覆愛因斯坦的相對(duì)論，科學(xué)會(huì)發(fā)生翻天覆地變化。但不同意的人，卻懷疑奧佩拉實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)。所以超光速之謎或超光速之爭(zhēng)，實(shí)質(zhì)不在于超光速存不存在，而在于說清楚撥亂反正。
“維數(shù)”表示空間廣延性而使用的一個(gè)概念，經(jīng)典物理學(xué)中提出，宇宙是由空間的三維和時(shí)間的一維，合起來組成的四維時(shí)空。想到“額外維”，已被稱為“卡魯扎-克萊因奇跡”。
因?yàn)榈谝粋€(gè)想到“額外維”的人，雖然是芬蘭物理學(xué)家諾德斯特朗，在1914年，出現(xiàn)在他的有瑕疵的引力理論文章中，但真正有影響并被愛因斯坦看重的，是德國哥尼斯堡大學(xué)的無薪數(shù)學(xué)教師卡魯扎1919年寫的論文，和1924年瑞典物理學(xué)家克萊因完成的論文。卡魯扎發(fā)現(xiàn)加入一個(gè)額外維度后，重新構(gòu)建的廣義相對(duì)論方程不僅包含了愛因斯坦引力場(chǎng)方程式，同時(shí)還有描述電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組；該論文1921年由愛因斯坦將其發(fā)表。而克萊因在不熟悉卡魯扎的文章的情況下，研究帶電粒子在電磁場(chǎng)和引力場(chǎng)的影響下，提出第五維是卷曲成一個(gè)半徑非常小的環(huán)圈。
20世紀(jì)60年代初我們還是中學(xué)生的時(shí)候，在不知道卡魯扎-克萊因奇跡的情況下，在環(huán)圈圖像中，我們引進(jìn)對(duì)稱性的自旋結(jié)構(gòu)，來編碼基本粒子?，F(xiàn)在看克萊因的環(huán)圈，是粒子沿著這個(gè)“軸線”，移動(dòng)很短的距離，就會(huì)回到起始點(diǎn)；粒子在回到起始點(diǎn)前所能行進(jìn)的距離，則稱作是該維度的大小。這個(gè)額外維度是一個(gè)緊集，而時(shí)空具有緊致維度的現(xiàn)象，稱作是緊化。而我們的額外維環(huán)圈，因?yàn)槭且宰孕攘浚圆皇芫o致化的限制。例如類星體的超光速，也許有不僅是一種計(jì)量自旋不同的區(qū)別。例如，如果類星體的自旋，僅取類似月球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道運(yùn)動(dòng)，假定為類似環(huán)圈的面旋，并以此作類星體亮度周期變化的一次軌道長(zhǎng)度，那么亮度周期時(shí)間一定，類星體就不會(huì)出現(xiàn)超光速運(yùn)動(dòng)。但如果類星體的自旋，不僅有類似月球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道運(yùn)動(dòng)，而且有類似月球繞地球公轉(zhuǎn)的軌道運(yùn)動(dòng)，這假定為類似環(huán)圈的線旋，那么這個(gè)軌道長(zhǎng)度就大為減小，而亮度周期還是那個(gè)時(shí)間值，計(jì)算類星體的運(yùn)動(dòng)，就有會(huì)出現(xiàn)超光速的現(xiàn)象。
其次，額外維環(huán)圈的體旋，也會(huì)帶來一個(gè)體內(nèi)的虛空間，我們把它對(duì)應(yīng)類似虛數(shù)，稱為“點(diǎn)內(nèi)空間”，如果設(shè)想有微觀粒子，像野鴨子鉆水是穿行于“點(diǎn)外”和“點(diǎn)內(nèi)”前行，那么其速度也會(huì)出現(xiàn)超光速的現(xiàn)象。因此，超光速的現(xiàn)象不僅要有精確實(shí)測(cè)時(shí)間和距離的計(jì)算，證明是真實(shí)的；而且還要有區(qū)分客體運(yùn)動(dòng)，是穿行于“點(diǎn)外”，還是“點(diǎn)內(nèi)”前行的證明。這也是超光速最難區(qū)分的地方，例如EPR隱形傳輸，“點(diǎn)外”就通不過超光速。
所以后來我們說“額外維”，主要是指“點(diǎn)內(nèi)空間”。它是隱藏在“點(diǎn)外”四維時(shí)空之外的一種看不見的那些維度。如果問我們的宇宙是否只考慮五維時(shí)空，即只是添加了一個(gè)額外維的四維空間+時(shí)間的一個(gè)五維時(shí)空模型？添加一個(gè)以上的額外維，也是可以的嗎？
有人說，考慮更多的維數(shù)也未嘗不可。不過如果考慮的是五維以上的時(shí)空，用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證就不會(huì)這樣簡(jiǎn)單了。也許不是專門學(xué)物理學(xué)的人，似乎更關(guān)心宇宙究竟有多少維數(shù)，但是物理學(xué)家們，最感興趣的是額外維是否真的存在？是否真的存在著假定有額外維就應(yīng)該有的那些粒子？
那么怎樣做，才能夠在頭腦中想象更高維的世界呢？物理學(xué)家必須要想象的，是在具有額外維的宇宙中，哪些物理要素是不可或缺的？有人說，額外維是什么？額外維從何而來？他想到的額外維，就只是在高能量的作用下，量子卷縮起來的那些維。弦論說是26維，其他理論也有其他維度之說，例如霍金果殼宇宙說的量子皺折，其實(shí)就是額外高維。這與弦論是一致的。相對(duì)論中的時(shí)間倒流、時(shí)空彎曲、尺縮、鐘慢等，其實(shí)都是這個(gè)東西；但相對(duì)論推導(dǎo)出了錯(cuò)誤的結(jié)論。
但對(duì)宇宙超光速物理感到興趣的人，大多數(shù)能接受的，是眼見為實(shí)這種觀點(diǎn)。也許這種想法有時(shí)是對(duì)的；但是有時(shí)候堅(jiān)持眼見為實(shí)，也會(huì)遇到中微子戰(zhàn)爭(zhēng)?？梢哉f，就整個(gè)物理學(xué)而言，就是一部這樣的“戰(zhàn)爭(zhēng)史”。例如誰也沒有直接看見過原子或者夸克，所以有“原子戰(zhàn)爭(zhēng)”、“夸克戰(zhàn)爭(zhēng)”。但后來種種檢測(cè)技術(shù)，都已經(jīng)證實(shí)了它們確實(shí)存在后，已能說明抽象思維的重要性。但到底是超光速還是額外維，囿于眼見為實(shí)的成見，仍然難倒了一批國際第一流的物理學(xué)家。
例如OPERA是將高能中微子束流從位于日內(nèi)瓦附近的加速器，傳輸至730千米外的一個(gè)意大利實(shí)驗(yàn)室，利用2000噸重的乳膠尋跡設(shè)備開展中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，到2011年11月?lián)?bào)道，原來的結(jié)果公布后，測(cè)量的多個(gè)環(huán)節(jié)被質(zhì)疑，其中最可能出錯(cuò)的是擬合誤差，其發(fā)射的中微子束團(tuán)長(zhǎng)10500納秒；當(dāng)探測(cè)到一個(gè)中微子的時(shí)候，并不知道它是束團(tuán)中的哪一個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的，需要依靠時(shí)間結(jié)構(gòu)擬合來確定時(shí)間差。為了消除這個(gè)誤差，OPERA實(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特地將每個(gè)中微子束團(tuán)縮短到3納秒，相隔524納秒。這樣每個(gè)探測(cè)到的中微子都能找到準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間。新的實(shí)驗(yàn)11月6日結(jié)束，在十幾天內(nèi)共測(cè)到20個(gè)中微子，新的測(cè)量結(jié)果與原結(jié)果一致，即中微子比光快60納秒，誤差為10納秒。
但新的報(bào)告又說，OPERA新的測(cè)量盡管有大的顯著度和可靠的分析，由于結(jié)果有潛在的巨大影響，將繼續(xù)研究，調(diào)查可能存在的、能解釋觀測(cè)到的反常現(xiàn)象的未知系統(tǒng)誤差，謹(jǐn)慎地不對(duì)結(jié)果做任何理論上的或唯象上的解釋。OPERA原來的論文，有15個(gè)作者拒絕簽字。經(jīng)過新的測(cè)量，以及對(duì)原來分析的重復(fù)檢查，此次報(bào)告新增了9個(gè)作者，同時(shí)也少了4個(gè)原作者。
為什么原來不肯簽字的15個(gè)人中，有9個(gè)投降了？原來署名的作者中，有4個(gè)害怕了？也許OPERA實(shí)驗(yàn)獲得的超光速現(xiàn)象，僅僅只類似有精確實(shí)測(cè)時(shí)間和距離的計(jì)算，證明是真實(shí)的，還沒有區(qū)分中微子個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，是穿行于“點(diǎn)外”，還是“點(diǎn)內(nèi)”前行的證明。
即原來不肯簽字的15個(gè)人中這次有9個(gè)簽了字，也許他們承認(rèn)了這次精確實(shí)測(cè)時(shí)間和距離的計(jì)算真實(shí)。原來署名的作者中這次有4個(gè)不簽字，也許他們想明白了超光速最難的區(qū)分，是穿行于“點(diǎn)外”，還是“點(diǎn)內(nèi)”前行的證明，但他們并沒有做。對(duì)于前者，OPERA還解釋為什么原來不這么測(cè)，是因OPERA實(shí)驗(yàn)的本職工作，原為尋找繆中微子到陶中微子的振蕩，不是測(cè)速度。原來的束流模式，會(huì)產(chǎn)生更多的中微子，但時(shí)間不精確。這次實(shí)驗(yàn)將束團(tuán)調(diào)窄，中微子的產(chǎn)生額下降了60倍，但時(shí)間更準(zhǔn)，每個(gè)中微子都能找到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生時(shí)間。所以O(shè)PERA已經(jīng)明白無誤地告訴了世人，他們的精確實(shí)測(cè)時(shí)間和距離，只在于計(jì)算，不在于分真假速度。
有人評(píng)論道：信或是不信，那是信仰問題，不是科學(xué)問題。每個(gè)人都可以有自己的傾向性，但在事實(shí)面前，必須見風(fēng)使舵。他曾經(jīng)的信仰是：99%是OPERA實(shí)驗(yàn)做錯(cuò)了，0.9999%是中微子有什么特殊性，0.0001%是相對(duì)論錯(cuò)了。據(jù)說大部分人是假定有各種各樣的特殊性。這次消除了一個(gè)重要的可疑之處，他打算見風(fēng)使舵，更改自己的信仰為：90%是OPERA實(shí)驗(yàn)做錯(cuò)了，9.9999%是中微子有特殊性，0.0001%是相對(duì)論錯(cuò)了。從該評(píng)論可見科學(xué)問題，現(xiàn)在其實(shí)已經(jīng)不是信仰的問題，更不是學(xué)者必須要像乞丐一樣自謀生計(jì)；今天學(xué)問是不可以用來當(dāng)飯吃的，必須在唯物與唯心的大是大非問題上，像大師愛因斯坦那樣適應(yīng)生態(tài)，見風(fēng)使舵。
但余昕先生追溯科學(xué)起源時(shí)說，在歐美讀博士學(xué)位的人，畢業(yè)的時(shí)大多會(huì)參加一個(gè)蒙頭儀式，也即掛兜帽的儀式。兜帽是學(xué)位服的一部分，形狀如同一條拓?fù)渖晕?fù)雜些的圍脖，只有碩士以上的人才有資格掛。畢業(yè)前他一直以為兜帽不過是件裝飾品，給原本冗長(zhǎng)乏味的學(xué)位服增添些色調(diào)和繁復(fù)。它的真正的功能，是直到他參加了自己的蒙頭儀式才知道。
那是教務(wù)長(zhǎng)面對(duì)著黑壓壓的一場(chǎng)子人說，你們就要掛上兜帽了，可你們知道兜帽是干啥子用的嗎? 它可不僅僅是學(xué)問的象征。原來在中世紀(jì)，學(xué)問是不可以用來當(dāng)飯吃的，學(xué)者必須象乞丐一樣自謀生計(jì)，兜帽便是學(xué)者的討飯袋子。于是他才恍然大悟，蒙頭儀式就是丐幫的加袋儀式。
也許類似《求是論壇》有網(wǎng)名為“本土人”的人說：“傳統(tǒng)經(jīng)典，真正是黔驢技窮了！”
不知堅(jiān)持實(shí)數(shù)類似的超光速生態(tài)，還是堅(jiān)持點(diǎn)內(nèi)額外維虛數(shù)類似的超光速生態(tài)，黔驢技窮？
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