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超光速違背相對論嗎? 2011-09-23 23:53:23
中微子速度超過光速的實驗報告已經成了一個大新聞。連中學生都在議論。網上標題黨寫道:愛因斯坦從墳墓驚醒了。

其實,先不論這個實驗結果是否能被確認,超光速並不違反愛因斯坦的相對論。

考慮一個靜止質量為m, 速度為v的粒子,其
相對論的能量公式為  E^2 = p^2 + m^2  (光速c=1),
其中動量 p = mv/sqrt(1-v^2)  (sqrt 為平方根),
E = m /sqrt (1-v^2)。

如果一個有實質量(m!=0)的粒子從低速(v<<1)開始加速,則其能量會不斷增加,要加速到光速需要無窮多能量。所以從低速開始,根據相對論,粒子是不可能達到光速的,更不可能超過光速。

但是如果粒子的質量是虛數,那麼我們可以看出,要使能量、動量等觀測量為實數,則上面公式中平方根內必須是負數 
1 - v^2 <0 
也就是 v^2 >1 , 也就得出 v >1 。

因此根據相對論,靜止質量為虛數的粒子速度必須大於光速。而且從能量公式可以看出,這種粒子速度越大,能量反而越小;如果速度為無窮大,則其動量為 |m|c,但能量為0。

用相對論術語,普通粒子的能量、動量是類時的(time-like),而超光速粒子(虛質量)的能量、動量則是類空的 (space-like)。

中微子有三種。太陽內部的核聚變反應會產生大量的所謂電子中微子。但實驗檢測到的電子中微子卻只有理論計算的三分之一。後來發現,原來中微子在從太陽到地球的途中轉化為其他類型的中微子。物理學家們因此推斷,中微子的靜止質量不為0,而是有一個很小的量,約百分之一電子伏。然而到目前為止,似乎還沒有實驗確定中微子的靜止質量。

如果中微子超光速被最後驗證,中微子其實是超光速粒子,物理學、宇宙學的許多疑難問題也許會獲得巨大的突破。


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