李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

二、中微子问题

摘要: 本文首先分析了中微子不具有电磁质量，只有引力质量，参与引力作用和弱相互作用，不参与电磁作用和强相互作用，提出了中微子就是广义相对论中提出的引力波，使广义相对论的的基础更加牢固，提出了中微子不具有相对时间，不满足Lorentz transformation，与Lorentz transformation不矛盾，宇称不守恒仍然成立，解释了中微子的穿透力特别强的原因和重力双谷现象。

关键词：引力质量、中微子、弱相互作用、宇称不守恒、引力波、重力双谷

（一）中微子的发现

20世纪30年代，科学家发现原子核在衰变前后的能量不一致。瑞士物理学家泡利在1931年最先假设有种新粒子“窃走了”能量。后来的发现证明泡利的假设是正确的，物理学家费米遂将这种微小的中性粒子称为中微子。如果中微子有引力质量，那么根据Einstein的质能方程，必须把能量E*的一部分用来产生中微子，这样留给电子的能量就比E*小。泡利推算出中微子是没有质量的观点是错误的，由于中微子的引力质量非常小，因此在埃利斯的实验中发现电子也偶尔确实会有能量为E*的情况。　1978年，斯坦福大学物理学家马丁·佩尔和同事发现了τ轻子，在理论上这意味着τ中微子的存在，因为中微子是轻子的“前辈”。但是，由于τ中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，因而一直难寻踪迹。1982年，费米实验室的科学家用实验支持了τ中微子存在的假设。1989年，欧洲核子研究中心科学家证实τ中微子是标准模型中的第三个，也是最后一个轻中微子。1980年，前苏联的科学家曾对氚b能谱的测量推得中微子有静止质量。1998年6月，日本科学家经过一段时间的观测后，也证实了中微子具有静止质量。根据电子、放射性核和子核的旋转情况，泡利推算出中微子具有自旋，是左手征的。在量子力学中，场的能量集中在波包中，electric field的能量集中在光子中，因此引力场的能量应当集中在中微子中。光波是electromagnetic field（即电磁质量）的传播，机械波是中微子（即引力质量）的传播。它们具有共性，说明了电磁质量和引力质量的等价性。　

中微子质量可能只有电子的百万分之一，中微子产生于太阳内的放射性衰变过程，或者宇宙射线中。中微子是基本粒子中的成员，分为三代。本世纪六七十年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆三位科学家对基本粒子进行了分类，提出粒子物理学的框架是标准模型，即特质由12种基本粒子构成。它们包括6种夸克和6种轻子。夸克和轻子的大小不足原子的十亿分之一。夸克包括下、上、奇、粲、底、顶，共6种。轻子分为三代，第一代包括电子、电子中微子；第二代包括μ（缪子）子和μ中微子；第三代包括τ子和τ中微子。第一代电子中微子和第二代μ中微子已分别在1956年和1962年通过实验被证实存在。

　　由于中微子和电子都是一种轻子，但是中微子是电中性的，核力和电磁力都对中微子不起作用，因此实际上它与任何物质只能发生引力作用与弱相互作用。电子（同时具有引力质量和电磁质量）参与弱相互作用，但弱相互作用的主角是中微子（只具有引力质量），中微子具有波粒二象性，它的能量用hv表示。

　　 1994年，两个“天才设计师”———加利福尼亚大学研究生维多里奥·保罗内和费米国家实验室物理学家拜伦·伦德伯格提出了建立“τ型中微子直接观测器”的构想，这一想法得到费米国家实验室的支持，并在两年后建成了观测器。

　　 从1997年起，54位来自美国、日本、希腊和韩国的科学家在费米实验室合作探测τ中微子。他们用粒子加速器制造一股可能含有τ中微子的中微子束，然后让中微子束穿过“τ中微子直接观测器”内一个约1米长的铁板靶。这一铁板靶被两层感光乳剂夹着，感光乳剂类似于胶卷，能够“记录”粒子与铁原子核的相互作用。物理学家用3年时间从靶上的600多万个粒子轨迹中鉴定出了4个表征τ轻子存在和衰变的痕迹，这也是表明τ中微子存在的关键线索。τ轻子的痕迹被科学家拍摄下来，并在计算机中形成三维图像，其主要特征就是其轨迹里有个结，这是τ轻子在形成后迅速衰变的表现。据估算，几十万亿个τ中微子中只有1个与靶中的铁原子核相互作用并生成一个τ轻子。由此，科学家第一次找到了τ中微子存在的直接证据。

美国加利福尼亚大学物理学家菲利普·雅格尔接受记者电话采访时说，发现τ中微子存在的直接证据具有重要意义，它使科学家对物质基本粒子有个完整认识。雅格尔是“τ中微子直接观测器”的建设者之一，观测器构想提出者之一维多里奥·保罗内曾是他带的研究生。雅格尔说：“由于我们现在有能力探测到τ中微子，我们就能够设计出将物理学带到超越标准模型层次的实验。在不久的将来，将诞生更加激动人心的中微子物理学。”

（二）中微子的物理本质

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：４．引力能否被屏蔽？７．引力子，你在何方？８．新以太是否存在？６４．太阳中微子之谜能否解决？６５．中微子有无静止质量？６６．有无中微子振荡？２８．宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？

北京大学的刘川教授认为：中微子有质量（假设中微子振荡实验正确），它的速度小于光速。因发现第二代μ中微子而与人分享1988年诺贝尔物理学奖的莱昂·莱德曼评论说，找到τ中微子的直接证据是非常重要且等待已久的结果。说其重要，是因为科学家将据此进一步研究三代中微子之间的关系；说等待已久，是因为25年前τ轻子就已经被发现，现在“另一个鞋子终于掉了下来”。τ轻子的发现者、荣获1995年诺贝尔物理学奖的马丁·佩尔说，证实τ中微子的存在具有里程碑的意义。在找到粒子家庭全部成员之前，粒子间相互转换的研究难以展开，现在这一障碍已被扫除。τ中微子的发现会给现实生活带来什么改变？这还是科学家们无法预言的。不过，正如居里夫人100年前发现原子核裂变时没有人知道这一发现会有什么用处、而40年后人们用它制造原子弹和发电一样，τ中微子的发现也将给科学的发展带来深远影响。30年前，科学家计算出了从太阳流失的电子中微子的数量，但实际观测到的中微子的数量小于计算值。2001年加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家证实了早先一些实验得出的假设：中微子事实上并没有失踪，只是在离开太阳后转化成了τ中微子和μ中微子，因此躲过了科学家的探测。笔者认为这三种中微子可以互相转化，说明它们都是只具有引力质量。中微子的反粒子是反中微子。现代科技界认为中微子总质量上限确定到不及10亿分之一的氢原子质量，使暗物质的一种可能形式，它们在全部暗物质中最多只占有1/8的分额。【2】

从场的space-time本质的观点看，谈论中微子的总质量是没有意义的，这种观点是错误的。An.Lee认为中微子就是由正负电子结合的产物，正负电子可组成为一正一负两个自绕一组的稳定结构，也可以两对正负电子组成四个一组具有相互传递缠绕的稳定结构，还可以组成为六个一组的具有立体空间相互缠绕的稳定结构。他认为中微子的正负电子学说推导出中微子应当具有基本三种类型，这和我们实际中探测到的三种中微子（电子中微子、μ中微子和τ中微子）是完全一致的。他说中微子的正负电子学说可以通过中微子相互碰撞和正负电子零速度下飘逸实验来证实。他表示，物理学世界及其研究还要以正负电子作为基点来考虑才行。按照这个思路，具有正引力质量的中微子至少应当是三种情况，即两倍电子的质量2m_e，4m_e，6m_e.中微子的质量可能关系到宇宙平衡。宇宙中如果弥漫这种东西，而且是相对比较一致的，那么我们的宇宙就是一个均衡态的宇宙。光的传递可能是需要中微子作用的，只是我们觉察不到。笔者认为中微子是正负电子中和的引力质量部分。

在一定的条件下，这些轻子和夸克之间可以互相转化。但它们之间并不是你包含我或我包含你，而似乎是你中有我，我中有你。这反映粒子并不都是基本的。那么，在粒子世界中，是否能找出基本要素呢？根据有关事实认为：中微子和电荷是构成轻子和夸克的二大要素——中微子加上整份电荷构成了荷电轻子中微子加上分数电荷构成了夸克。中微子有三种，这是粒子分为三代的基础。这三种中微子是同一物质的三种不同状态，正如同一物质会有固态、液态、气态一样。下面就以部分粒子的衰变为例，来作一下描述。

中微子质量m_υ的实验测定值是根据相对论公式：E²=P²c²+m²_υc⁴来定义的，1966年全球平均的实验数据显示m²(v_e)=-27±20eV²。后来实验上进一步控制β粒子能量在源中的损失，把1991——1995年间被认为不可靠的9个实验数据排除掉，在2000年的粒子表中给出新的全球平均值，m²(v_e)= -2.5±3.3eV², m²(v_μ)= -0.016±0.023eV²，式中的负号说明中微子的引力质量为负数，实验中观察到的只是其数值，没有考虑到其量纲。

1956年宇称不守恒发现后，为解释有中微子参与的弱相互作用过程，李政道、杨振宁提出了二分量中微子理论，其物理实质是假定自然界只存在左旋中微子与右旋反中微子而不存在右旋中微子与左旋反中微子。中微子这种永久纵向极化的性质之所以可能，是因为当时中微子质量被认为等于0，因而左旋中微子与右旋反中微子永远以光速运动，同时一切观察者所在的惯性系间的相对速度v都不可能超过c的缘故。假如中微子是亚光速的Dirac粒子，具有微小的质量m_υ，设它在S系以速度u＜c运动，则当S`系观察者以速度v相对于S系运动，又设v平行于u且v＞u时，他将看到一个左旋中微子变成右旋中微子，一个右旋反中微子变成左旋反中微子，于是中微子不可能永久纵向极化的了，出现了宇称守恒的四分量中微子理论。即中微子的静止质量不为0与宇称不守恒的实验事实相矛盾。【1】证明宇称不守恒的实验-钴在低温下的β衰变。

如果假定中微子运动速度为光速，不能用相对时间度量，那么就可以解释中微子与引力场具有引力质量，但不满足Lorentz transformation，因为只有具有时间量子属性的引力质量才满足Lorentz transformation。 因此中微子虽然具有引力质量，但仍然以光速运动，静止质量为0，并不是亚光速的Dirac粒子，这样便与宇称不守恒的实验事实相符合。在【1】中倪光炯教授提出了中微子可能是超光速粒子，但这又和狭义相对论矛盾。

长期以来，科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验尚未成功。根据广义相对论，当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波，这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样。因此，任何物体都在无时无刻地辐射引力波，它在宇宙中是无处不在的。例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。地球由此而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿（即1039）倍。我们之所以感受到引力，惟一的原因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了。但是，引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波，它不会产生我们通常能察觉到的任何效应。例如，地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0.001瓦，因而在几十亿年中，它向太阳靠拢的距离简直微不足道。而假如500亿颗直径为1公里的速度撞向地球，所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯波。不过没有人能活着看到这个结果。Einstein的广义相对论预言：引力波（也称重力波）的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。

光子与中微子、引力场与electric field非常类似，可以设想中微子就是Einstein广义相对论中的引力波，这样就可以解释万有引力的平方反比关系，中微子密度大的点，空间曲率大。由于绝对space-time能量最低，根据能量最低原理，正引力质量之间只有吸引力，而且可以解释引力质量的惯性问题。最近美国的科学家发现引力波是黑洞（笔者注：其实是引力质量巨大的天体，后面分析不存在黑洞）旋转时带动周围的时空结构产生，便说明了这一点。由于引力场由中微子构成，因此现代物理学认为中微子的穿透力特别强。

质子+电子→中子+中微子，中子的引力质量大于质子和电子的引力质量之和，所以中微子的引力质量为负值，反中微子的引力质量为正值，产生反中微子实际上是吸收了中微子。由于中微子的引力质量的绝对值很小，因此在上面的变化中能量不守恒，原因在于space-time本身参与了能量的交换。

现代物理学认为：由于中微子比其它物质粒子的总数多十几亿倍，因此整个宇宙中中微子质量的总和大大超过其它物质的质量总和，占宇宙总质量的99% 以上 ，中微子可能是控制宇宙运动变化的关键性因素。根据场的本质是相对space-time的观点，这种说法是错误的。

在大雨过后，偶尔会打一个响雷。这时我们会听到一种与闪光同时到达的声音。这种声音听起来象是快速地撕一张薄纸。几秒钟后才听到轰鸣的雷声。只要注意，这种现象经常会被发现。这种现象只能说明，存在着一种空气以外的流体物质，它可以传递纵波。这一现象完全可以在实验室里再现。笔者认为这就是中微子流——引力波。

(三)重力双谷现象

自然依据：物理学家Alis于1954、1959年两次实验，发觉日全食前后地球重力会有异常变化现象。1995年日全食期间，印度科学家首次观测到“食甚”前约一个小时的12个微加重力低谷。1997年3月9日，中国科学家在漠河的日全食观测中，测量到有两个异常的重力场低谷，这两个低于理论值的重力谷对称地发生在日食“初亏”和“复圆”之际，有4-5个微加的“重力双谷”。2000年在澳洲的日食观测中、2001年6月21日非洲日全食，都得到类似的结果。

1日食现象

月球在绕地球运行的过程中，有时会走到太阳和地球的中间，月球的影子落在地球的表面上，在影子里的观测者就会看到太阳被月球遮蔽的现象，叫做日食。 日食分日全食、日偏食与日环食三种。全盘和环食的过程分初亏、食既、食甚、生光、复国等5种食象，偏食只有初亏、食甚与复圆3种食象。对于日全食，从食既到生光只有三、四分钟，有时不到一分钟。月球在地面上形成的本影区，在地面的西边缘开始形成，自西向东扫过的地带称为全食带，在东边缘结束。如图2所示。

1、2 1995年重力异常低谷现象

1995年10月24，日食首先在伊朗形成，在太平洋结束。观测者在印度的Dhoraji镇（22o44′，70o27′），测量到日全食前约1小时的重力异常[1]。如图2所示[1]

重力低谷对应的时间（地方时）上午6：30到7：15，日食在1995年10月24日新德里时间的上午7：22在伊朗最早形成，自西向东移动，很快进入印度（即观测点附近），4个小时后在太平洋结束[1]。该观测点仅看到日偏食，偏食食分80%。接近全食带的起点，远离全食带的终点。

1、3 1997年重力异常双谷

1997年3月9日的这次全食，全食带从亚洲北部开始，在北冰洋结束。漠河在全食带内，我国科学家在漠河首次发现日食期间有两个异常的重力场低谷，这两个重力谷对称地发生在日食“初亏”和“复圆”之际， 4-7个微加的“重力双谷”。如图3所示[2]：

在图3看出，1997年3月9号，漠河观测到的日食时间为：初亏时间8：03：29；食既9：08：18；生光9：04：11；复圆：10：19：50。曲线为日食发生时测量到的重力变化量。很明显重力减小双谷与漠河该点的日食[2]没有关联一致性。

1997年天文年历给出的预报，97年3月8、9日的日食[3]：

重力的第一个低谷在偏食始到全食始，第二个低谷在全食终到偏食终。

2重力异常与天体几何位置

月球在绕地球运行的过程中，有时会走到太阳和地球的中间，月球的影子落在地球的表面上，在影子里的观测者就会看到太阳被月球遮蔽的现象，叫做日食。

日食开始时，月球圆轮与地球圆面西边缘相切于H1点，地表上点在当地日出时见初亏，这也是地球上最先看到初亏的地点。故在日食图上标为偏食始。月轮继续向东移动，在地面上开始形成本影时，即日全食开始。月球向东移动，本影消失，即全食终，到偏食终。太阳、地球、月亮三者的空间关系如图4所示：

用太阳球面与地球公切面，形成一个锥形体，太阳一端粗，地球一端细。月球围绕地球做公转运动，进入或离开锥形面。当要进入时，正好与锥形面外切，在地面的西边缘，形成日偏食，即偏食始。全日食在西边缘最早形成时，月球与圆锥面内切。这对应偏食始到全食始。表现全日食过程有全食带如下图所示：

1995年印度测量到的重力场低谷与其对应，1997年测量到的重力双谷，时间上早的那一个低谷也是与偏食始到全食始对应。后一个重力低谷与全食终到偏食终对应。

笔者认为重力双谷现象说明引力场有中微子构成，日食期间月球在地球与太阳之间，从而减弱了太阳形成的引力场。

参考文献：

【1】《物理》第31卷4期255页 2002年 北京

【2】《物理》第31卷11期759页 2002年 北京

附录：

新华社东京2006年2月15日电（记者钱铮）日本、美国等8个国家的科学家15日正式启动“冰立方”计划，准备借助南极点附近的冰观测宇宙的高能基本粒子———中微子。共同社15日援引日本千叶大学副教授吉田滋的话说，“冰立方”计划将依靠4800个检测仪，观测中微子和冰撞击时所产生的微弱的光，目前安装完成的540个检测仪已经投入观测工作。目前，8个国家的科学家正在南极点附近的冰层垂直向下挖洞，最深达冰面以下2500米。他们将间隔17米设置的60个检测仪用电缆连接起来，并把电缆下放到冰洞中深1400米至2500米的位置。科学家们打算在六角形的广阔冰层上，以125米的间隔设置80个这样的冰洞。到2009年，科学家们计划在南极建成体积为1立方公里的中微子观测站———“冰立方”。它的体积将是目前世界最大的中微子观测装置———日本的“超级神冈”体积的2万倍，主要观测来自北极方向穿过地球的中微子。 据悉，“冰立方”计划将耗资约300亿日元（约合2．57亿美元），其中美国承担80％，剩下的20％由日本、英国、德国、比利时、荷兰、瑞典和新西兰7个参与国分担。 中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中。它可以自由穿过地球，不与任何物质发生作用，因而难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。中微子研究是当前物理学研究的一大热点，美国科学家雷蒙德•戴维斯和日本科学家小柴昌俊因为在探测宇宙中微子方面取得的成就而获得2002年诺贝尔物理学奖。

据新华社北京2006年6月8日电　中国和美国科学家将联手在大亚湾核电站进行大规模的粒子物理实验。这项耗资近5000万美元的实验是中美两国迄今最大的基础科学研究合作项目。主持这个项目的中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长陈和生8日在接受新华社记者专访时说:“国际合作组将在大亚湾核电站附近设置3个探测器进行中微子测量。”他说:“我们将在2008年建成隧道，2009年安装探测器，2010年开始获取数据。”根据计划，中方将投入1.5亿元人民币(约合1870万美元)，负责基本建设和建造一半探测器；美方投入2500万至3000万美元，负责建造另一半探测器。　　陈和生说:“比较国际上目前进行的太阳、大气、反应堆和加速器这几类中微子实验，反应堆中微子实验最有可能获得突破性成果。”　　大亚湾与岭澳核电站群目前共有4个反应堆。大亚湾核电站紧邻高山，可以提供中微子实验必需的宇宙线屏蔽，这是一个巨大的优势。世界上其他可用于反应堆中微子实验的核电站附近都缺乏足够的岩石覆盖。陈和生说:“我们已完成大量深入研究和计算，并多次实地考察，提出利用大亚湾反应堆群精确测量中微子混合角θ13的设想。这是目前世界上精度最高的实验方案。”中微子探测器为半径2.6米、高5米的圆柱体，每个重约100吨，里面分隔成3层同心圆柱。3个探测器将分别放置在山腹内，最近的距核电站360米，最远的2000米。一条隧道从地面进入山腹，连接3个放置探测器的地下实验室。联合投资这个重要实验并将参加合作研究的机构包括美国的布鲁克黑文国家实验室、劳伦斯·伯克利国家实验室。陈和生说:“大亚湾反应堆中微子实验投入相对较少而物理意义重大，有可能获得重大创新成果，这是中国基础科学研究领域的一次重大机遇。”

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