慕容青草的博客
哲學園地
中微子及與之相關的亂象
戴榕菁
中微子是所謂的基本粒子標準模型中最奇幻和具有爭議性（如【[1]】）的粒子，從對它的構想，發現，以及認識的發展中我們可以領略到現代理論和實驗物理運作的一些特征。
1. 簡單背景
在1910年代人們發現beta衰變產生的電子輻射動能呈現連續曲線的形狀因而與量子領域的能量跳躍分布不符，似乎是有一部分能量消失了，而beta衰變中的電荷數是守恒的。在1920到1930年代，很多人提出了不同的理論來解釋beta衰變的能量問題，著名的泡利不相容原理的泡利也於1930年提出beta衰變中應該是伴隨著一個未知的不帶電而且質量很小的粒子的產生以滿足能量守恒的問題，他給那種粒子起名為中子（Neutron）。但在1932年詹姆斯·查德威克發現了原子核中質量更大的中性粒子，並將之命名為中子（Neutron），所以在1933年費米就將當初泡利提出的在beta衰變中產生的質量很小的中性粒子改名為 中微子（Neutrino）【[2]】。
直到1956年才有人第一次在核反應堆中發現了中微子，而且還是反中微子【[3]】。到了1968年才有人第一次發現了自然界【[4]】中的中微子。中微子被確認為有三種，一種是電子中微子，一種是muon子中微子，還有一種是tau子中微子。1956年發現的是電子中微子，muon子中微子和tau子中微子分別在1962年和2000年被確認發現【[5]】。
下麵來看一下圍繞著中微子的一些亂象。
2．超光速之爭【[6]】
2011年9月，歐洲核子研究中心(CERN) 與意大利格蘭薩索的國家實驗室的合作項目OPERA【[7]】發布的計算結果顯示，在他們的實驗中，17 GeV 和 28 GeV 中微子的速度超過了光速。 2011年11月，OPERA 重複了它的實驗，但有所改變，因此可以單獨確定每個檢測到的中微子的速度。 結果顯示出相同的超光速。
這下子何止是一石激起千層浪，又何止是捅了馬蜂窩！哇，可以說是讓相對論學者的世界炸開了鍋。這還了得，這不是在太歲頭上動土嗎？於是排山倒海的壓力撲向OPERA團隊。什麽霍金，韋恩伯，馬庫，克勞斯等等得過諾獎的沒得過諾獎但公眾叫得出名的人物們以及其它各種團隊都紛紛出來口誅筆伐指責OPERA團隊大逆不道；他們或是在OPERA實驗報告中挑雞蛋裏的骨頭或是幹脆整出自己所謂重複的實驗報告來，總之就是要說明OPERA團隊是胡扯。一個有趣的現象是OPERA的報告文章上有一大串簽名，而反OPERA的各種文章上的也有一大串簽名，其人數甚至還超出了OPERA文章的簽名，讓人想起中國文革時文攻武鬥時要各自戰隊表態的勁頭。當然，OPERA報告上簽名的應該都是當初相關實驗的參與者，但是明確了反OPERA的目的之後，那些反OPERA文章的的簽名者們難道也全都參與了隨後進行的反實驗嗎？打個問號。
總之，一陣炮聲隆隆之後，OPERA團隊不出意料地敗下陣來，畢竟對方手裏握著他們的命根子---科研基金（funding）。盡管團隊成員在一場（沒有介紹何人發起的）對團隊領導的不信任投票中拒絕投下不信任票，OPERA團隊的發言人 Ereditato 和物理協調員 Autiero 還是不得不於 2012 年3月30日打起鋪蓋卷走路【[8]】。Ereditato 在辭職信中指出，“OPERA 合作的行為始終完全符合科學的嚴謹性：無論是在公布結果時還是 當它為他們提供解釋時。”
放在若幹年前，我肯定會相信反OPERA團隊的結果，畢竟人家是在對OPERA報告進行雞蛋裏挑骨頭的分析之後再重複了的實驗結果嘛。但是在經曆了去年對20世紀物理學界的一係列令人瞠目結舌的戲劇性操作的了解之後，我堅決保留相信OPERA的結果而不是反OPERA的報告的權利。不知你們怎麽想，反正我無法心安理得地接受在對科學實驗進行有組織的政治打壓後的鐵拳下得出的結果，更何況我已經以大量的實驗證據和邏輯分析證明了狹義相對論是錯的！！！
2.1. 超新星預警
在主流理論界排擠打擊有關中微子超光速運動的報告的同時，天體物理界有一個與之似乎多少是背道而馳的操作：建立通過觀測太空中的中微子射線來預警超新星爆發的射線的到來【[9]】。而這個預警所依據的原理卻是中微子比作為射線的光波先到達地球。他們的理論是：超新星爆發時，光子被困在超新星中幾個小時，中微子卻在幾秒鍾內就能逃脫超新星跑出來，而中微子速度基本上是光速，所以，中微子可以比光子早幾個小時到達地球。
這樣的說辭聽起來很別扭。首先，如果超新星發出的光能可以被完全忽略，就沒必要預警，因為預警了也看不見，而中微子之所以不會被困在爆發的超新星中是因為它們不與其它物質發生作用，因此僅僅為了知道中微子的到來就完全沒有必要預警。但如果超新星發出的光波到達地球後還能被看見，那說明發出的光還很多，畢竟多少光年以外的光到達了地球。但那麽多的光子你說它統統地被困在超新星內，等中微子都跑出去幾小時了才跑出來，聽上去多少有點象是一種不合邏輯的想象，或者說是可以引起想象的心理暗示。
要知道按照現有的理論光子是沒有質量的，中微子是有質量的，有質量的就不但會受到超新星巨大的引力場的影響，而且在與其它粒子的碰撞過程中也容易損失能量，再加上前麵提到的主流物理界已確定中微子的速度比光速慢，現在說中微子會比光子提前幾個小時到達地球，這聽上去不合理。
維基百科【[10]】上有這麽一段話：
【超新星中微子是核心塌陷超新星爆炸過程中產生的弱相互作用基本粒子。一顆大質量恒星在其生命終結時會坍縮，釋放出大約 1058 個中微子和反中微子（所有輕子類型）。 不同中微子和反中微子種類的光度大致相同。 它們以持續數十秒的爆發形式帶走了垂死恒星約 99% 的引力能。 典型的超新星中微子能量為 10 至 20 MeV。超新星被認為是兆電子伏能量範圍內最強和最常見的宇宙中微子源。】
這裏他們所說的引力能是一個很含糊的措辭。如果那是總能量，那就是沒必要強調“引力”二字，如果不是總能量，那就是要扣除恒星中的光能。但以太陽為例，由它因內部的核聚變而向外發射的光芒這一點可見它內部及表麵都應該是充滿著光能的，相信其它的恒星也應如此。
另外，在上麵那段話中他們又提到【中微子和反中微子種類的光度】，這就意味著一部分中微子本身也要轉變為光子，否則就不存在（不會與光子發生作用的）中微子的光度之說。如果中微子的速度低於光速的話，就算其它的光子都如物理學界所言被困在超新星中數小時，那些由中微子轉變而成的光子應該和中微子一樣瞬間離開了爆發的超新星，既然光速大於中微子的速度，他們就應該先測到由超新星發出的一部分光子而不是中微子。
這裏我們要注意到，SNEWS網站上並沒有說光子要被困在超新星爆炸中具體多少小時，隻是說hours。但另一方麵距離地球比較近的一顆被認為有可能發生超新星爆炸的獵戶座的參宿四星到地球的距離是400光年，而上麵提到的2011年由OPERA團隊做出的實驗認為中微子運行750公裏所需時間比光子少了60納秒。按照這個結果換算下來中微子可以比光子提前84小時從參宿四星到達地球，把這84小時看作hours雖然稍微多了點，但也還是說的過去的，畢竟光子要花上3504000小時從參宿四星到達地球。
就這麽巧？這怎麽聽上去有點像是陽奉陰違表麵上承認中微子比光子慢實際上仍然把中微子看成比光子快呢？
3. 正反中微子
對於反物質稍具常識的人都知道，正反物質相遇時因為擁有相反的電荷會互相湮滅而產生光子。但中微子沒有電荷，哪兒來的反物質？又為什麽說第一個被發現的中微子就是反中微子呢？
對於這個問題的回答理論物理界又表現出了一個特有的技能------打馬虎眼。費米實驗室的回答是他們正在試圖證明反中微子和中微子其實是一回事兒；當然，為了要讓這個馬虎眼具有說服力，還需要借助物理學界的另一個萬用法寶-----數學模型。。。。這裏物理學界扯出的數學模型叫做馬約拉納方程【[11]】，並說凡滿足這個模型的粒子就和它的反粒子是一回事兒。
結果是到頭來他們也沒解釋清楚為什麽在從未發現中微子可以和什麽東西碰撞湮滅的例子而且又假設中微子沒有電荷的前提下會提出中微子的反粒子的。
與此同時，理論物理界倒是給出了一個用來區別中微子和反中微子的定性標準為：反中微子是自旋與中微子相反的粒子。但這顯然不能自圓其說，因為他們既沒有說自旋相反的兩個中微子碰到一起會彼此湮滅，也確實從來沒有這麽說過。。。。反正“邏輯不通湊合著過”就是物理學界在20世紀練就的一個法寶。
此外，人們至今為止也還從未確定地捕捉到過中微子（意思是有人可能以為自己曾捕捉到過，但不確定）。那麽人們又如何判定中微子的自旋方向呢？
我在“基本粒子的半徑真為零嗎？”一文中提到泡利大師為了避免電子出現超光速的旋轉速度，把電子的自旋設定為每一個基本粒子都具有的不是轉動但類似轉動的抽象的內在特性。我在那裏少說了一點：根據標準模型，這個抽象的自旋的數值必須守恒而且還要滿足角動量守恒。根據這一點，他們可以判斷出產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應該有左旋和右旋吧，那麽到底是左旋的是中微子右旋為反中微子呢，還是右旋為中微子左旋為反中微子呢？結果粒子物理學界告訴我們，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，隻不過右旋的中微子和左旋的反中微子除了會產生引力外不會產生任何其它力因而被稱作“惰性（反）中微子”，而實驗室裏發現的的都是左旋的中微子和右旋的反中微子，它們除了會產生引力外還會通過所謂的弱作用力與其它粒子發生作用。
換言之，自旋是不能拿來作為正反粒子的唯一判斷的，而中微子又因為沒有電荷而無法象其它基本粒子那樣用相反的電荷來判斷正反物質。。。。這聽上去怎麽又那麽別扭呢？你明明根本就沒有判斷正反中微子的明確依據，卻非要整出個反中微子的名堂，然後再試圖證明正反中微子是一回事！如果證明不了是一回事，又說明什麽呢？說明正反中微子碰撞會湮滅？你又沒有任何理論可以支持這一點，是好玩嗎？
當然物理學界之所以會把中微子的正反粒子特性搞得那麽莫名其妙地邏輯混亂也不能說是完全為了好玩，而是有他們的苦衷。具體的邏輯如下（詳見附錄）：
1）根據標準模型，中微子隻能通過弱作用力參與核子反應，而弱作用力隻和左旋的正粒子和右旋的反粒子發生作用【[12]】。
2）beta衰變（β−衰變）中的質子和中子的自旋數都是整數而且方向一致，而作為反應產物的電子的自旋數為1/2，因此同為反應產物的中微子就必須具有一個-1/2的自旋數，所以中微子的自旋必須為反中微子。
3）1956年第一個發現中微子的β+衰變因為中微子是反應物，而在反應產物中有自旋數為-1/2的正電子，所以作為反應物的中微子的自旋必須為-1/2，所以它也是反中微子。
上麵這通邏輯告訴我們標準模型的兩套語法在中微子這裏出現了兜不攏的問題：
根據第一套語法，弱作用力隻和左旋的正粒子及右旋的反粒子發生作用，而自旋數又必須要守恒，那麽按照這第一套語法，在β−衰變中中微子與電子同為反應產物，而在β+衰變中中微子為反應物和正電子為反應產物，所以這兩種衰變中的中微子都必須為反粒子。
根據第二套語法，正反粒子擁有不同的電荷。但是，中微子沒有電荷，所以應該不具備正反粒子的條件。
但是，在標準模型的語法中，似乎更看重第一套語法，所以先假定沒有電荷的中微子也具有正反粒子再說，然後再試著證明它們因為滿足馬約拉納方程所以其實是一回事兒。
由此我們可略見被過度誇大的現代科學精密實驗的可信度到底有多大。
3.1. 萬一證明了正反中微子是一回事之後。。。。
萬一將來有一天證明了不具備電荷的中微子的正反粒子其實是一回事的話，新的麻煩又來了。因為前麵提到，在還沒有弄清中微子和反中微子到底是否一回事之前，物理學家們已經給它們設想好了惰性的配對：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，那麽不但前麵的第一套語法所說的弱作用力不和右旋的正粒子發生作用的法則會被打破，而且惰性中微子和惰性反中微子也失去了存在的依據。。。。這對理論物理學界來說也算得上是一筆額外的損失，因為一些理論物理學家們已經把惰性中微子設想為暗物質了。
4. 中微子的質量
中微子的質量可以說是關於中微子的理論又一精彩之處。首先，沒人知道中微子的質量到底是多少。當初物理學界曾以為中微子沒有質量，後來發現中微子在運行中可以在對應電子的中微子和對應muon子的中微子以及對應tau子的中微子之間變來變去，因此判定中微子應該有質量。
所有的文章中都是這麽說的，至於為什麽中微子在那三個品種之間變來變去就說明中微子有質量這一點，他們給出的理由是中微子的質量是這三種質量的疊加，所以可以隨時變來變去。至於為什麽是這三種的疊加以及如何變來變去的，並沒有人能給出明確說明。這時他們又拿出來百試不爽的法寶：數學模型。他們按照他們的想象給出了一個有三個特征根的數學模型，然後就很滿足地說，那就是為什麽中微子是三個品種的疊加。。。。其實，這種遊戲凡是學過代數的普通大學生都能玩，反正不用解釋物理機製，隻要找出一組數學方程能湊出滿足一定條件的三種解就行了------盡管他們連在自然中那三種解到底是什麽都不清楚。完全是連蒙帶猜。
其實，從他們如何判別那三種中微子的依據應該能夠體會到物理學家們的難處。他們是這樣判斷中微子的品種的：當中微子參加的反應中有電子時，那麽相應的中微子就是電子中微子，當中微子參加的反應中有muon子時，那麽相應的中微子就是muon子中微子，當中微子參與的反應中有tau子的時候，那麽相應的中微子就是tau子中微子。
可見，與判斷正反中微子一樣，判斷中微子的品種基本上也是一種語法的判別------用相伴的輕子（lepton）來給中微子的種類貼標簽，至於具體某個品種的中微子的質量到底是多少，沒人知道。為了謹慎起見，物理學家們特別申明：不要以為tau子比muon子重，muon子比電子重就可以推斷它們對應的中微子誰比誰重。在這樣的背景下，除了玩令人嗨一把的數學遊戲之外要物理學家們明確說明為什麽中微子在三個種類之間變來變去可以作為中微子有質量的物理依據是有一定的難度的。
不過，我猜他們最可能的依據應該是如何在著名的愛因斯坦的質量能量關係E=mc2和愛因斯坦的光子能量公式E=hf之間做選擇的問題。他們或許認為如果中微子沒質量，它就應該滿足E=hf，如果它有質量就應該滿足E=mc2；同時，中微子在不同品種之間的變來變去讓他們覺得有必要用量子疊加進行解釋，而三種質量的疊加可能比三種頻率的疊加對他們來說更容易接受，所以就得出結論說中微子應該是有質量的。
5. 應用
中微子的應用又是一個聽起來很有趣的話題。已有德國公司號稱他們很快可以生產出用中微子射線做能源的手表，但與此同時在南極的在地下一公裏半深處的體積為一立方公裏的世界上最大的測定中微子的名為IceCube的觀察站【[13]】每天隻能測到275個中微子。德國手表每天能接受到多少個中微子來為他們提供能源？
6. 中微子和希格斯
根據基本粒子的標準模型理論，所有質量不為零的基本粒子都是通過那個在加速器中撞擊了十億次後出現的僅十的負22次方秒的小隆包代表的希格斯粒子從希格斯場中獲取質量，但是，費米實驗室告訴你們，這不一定適用於中微子【[14]】。
7. 結束語
我不是物理工作者，我隻是在履行早已被這個世界遺忘的作為哲學的一個最基本的功能的給物理學找毛病的職責而已。我這裏所依據的知識性的內容全部來自物理學界自己的報告，我隻是在指出他們的報告中的邏輯混亂之處而已。
圍繞著中微子的亂象讓我們再次看到被狹義相對論的枷鎖套牢的物理學之可憐，更可憐的是如我在“基本粒子的半徑真為零嗎？”一文中指出的，現有的物理學理論體係永遠也擺脫不了狹義相對論的枷鎖。
附錄
按照現有的知識，所謂的beta（β−）衰變的反應式為：
n0 → p+ + e− + νe−
其中n0是中子，p+是質子，e−是電子，νe−是反（電子）中微子。這與當初泡利大師的設想是一致的。這裏的電子的自旋數為1/2，所以按照自旋數守恒以及弱作用力隻對左旋的正粒子和右旋的反粒子產生作用的標準模型語法，反應式右邊就一定要出現被認為是自旋數為-1/2的反（電子）中微子。
1956年第一次發現中微子的實驗的為β+衰變，其反應式為：
νe− + p+ → n0 + e+
這裏的正電子的自旋數為-1/2，所以反應式左邊一定要出現自旋數為-1/2的反（電子）中微子。
這裏會產生一個問題：在1910年代就已經知道的beta衰變和1956年核反應堆旁邊觀察到的現象都被認為有所謂的反（電子）中微子參與，而且在兩種情況下都沒有實際捕捉到任何中微子，為什麽物理學界就認為1956年是發現了中微子，而之前就不是呢？我猜答案應該是：1956年那次是有一種未知的粒子的存在產生了中子和正電子，而這種現象正好可以用之前已經假設好了的核子反應可以產生中微子以及中微子撞擊質子可以生成中子和正電子的理論來解釋，而在這以前的beta衰變中隻是發現能量守恒（及自旋守恒）不能得到滿足因而還不能作為中微子存在的證據。
[[1]] Fermilab (2022). “Do sterile neutrinos exist?” [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=NMrSel7qpUg&t=1s
[[2]] Wikipedia. “Beta decay”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay. Last edited on 12 February 2023, at 16:00 (UTC).
[[3]] Wikipedia. “Cowan–Reines neutrino experiment”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Cowan%E2%80%93Reines_neutrino_experiment. Last edited on 20 January 2022, at 10:44 (UTC).
[[4]] Wikipedia. “Homestake experiment”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Homestake_experiment
[[5]] Fermilab. “The History of Neutrinos”. Retrieve3d from: https://neutrinos.fnal.gov/history/
[[6]] Wikipedia. “Neutrino”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino#:~:text=In%20September,the%20speed%20of%20light. Last edited on 22 February 2023, at 19:38 (UTC).
[[7]] Wikipedia. “OPERA experiment”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/OPERA_experiment. Last edited on 9 August 2022, at 08:51 (UTC).
[[8]] Wikipedia. “Faster-than-light neutrino anomaly”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Faster-than-light_neutrino_anomaly#:~:text=In%20the%20months%20after%20the%20initial announcement,when%20it%20provided%20an%20explanation%20for%20them. Last edited on 21 February 2023, at 15:32 (UTC).
[[9]] SNEWS. (2015) “SuperNova Early Warning System”. Retrieved from: https://snews.bnl.gov/whatissnews.html
[[10]] Wikipedia. “Supernova neutrinos”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Supernova_neutrinos. Last edited on 4 January 2024, at 02:43 (UTC).
[[11]] Wikipedia. “Majorana equation”. Retrieved from: https://en.wikipedia.org/wiki/Majorana_equation. Last edited on 4 August 2022, at 20:14 (UTC).
[[12]] Hélio da Motta 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1558 012014. Retrived from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1558/1/012014/pdf
[[13]] IceCube Neutrino Observatory. “IceCube Quick Facts”. Retrieved from: https://icecube.wisc.edu/about-us/facts/#:~:text=Every%20day%2C%20275%20million%20cosmic,(as%20of%20October%202022).
[[14]]‘Fermilab “How much does a neutrino weigh?”. Retrieved from: https://neutrinos.fnal.gov/mysteries/mass/#moreinfo
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下麵這個由費米實驗室的林肯博士講演的視頻充分表現了粒子物理學界打馬虎眼的拿手好戲。。。。他說按照測不準原理，質量被認為基本為零的中微子的質量可以在極短的時間內達到質子質量的100倍然後釋放出質量為質子100倍的玻色子，卻不說為什麽。。。。但在今天的主流的粒子物理文獻或教材中會告訴你，並不是中微子的質量變為質子質量的100倍，也不是中微子釋放出質量為質子100倍的玻色子，而是那個作用的過程從真空中借用了質量為質子100倍的虛擬玻色子來充當作用力的中介，而測不準原理決定了這個過程很短。。。。
也許林肯是對的而主流文獻是錯的，也許林肯是錯的而主流文獻是對的，也許他們都不對。。。。反正他們都沒有說清楚那個能量突變是怎麽來的。。。。測不準原理並不能解釋能量的突然變化。。。。其實，整個量子場論都解釋不清楚這一點。。。。另外，他所說的能量測不準原理導致能量可以暫時不守恒也不是所有的人都認同。。。。總之，這個視頻是粒子物理內部之混亂的又一個例子：
隻有當你了解到現在的實驗室測量到的中微子是以幾十，幾百來數的時候，你才能體會到上麵那個視頻中有多少心理暗示。。。。。心理暗示已成為今天的物理科學所仰仗的一個工具。。。。。