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宇宙法则入门版(1.10):如何计算中微子的质量?
日期:2017-7-10 9:47:32 访问次数: 作者:乔治·斯坦科夫 宇宙法则

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1.10 如何计算中微子的质量?


由于物理学无法解释质量的量,所以它产生了一些自相矛盾的说法, 当未来科学家重新审视这些观点时,这些说法将作为二十世纪这一实证学科知识混乱的宝贵文献。其中之一是关于中微子是否有静止质量的争论。这导致了一系列的昂贵实验①。


此外,人们普遍认为,现代宇宙学标准模型的命运与这个问题密切相关:中微子静止质量的存在将不可避免地推翻这一模型

在第9节(第二卷),笔者以宇宙法则为基础驳倒了标准模型。这个例子预见了新宇宙学的结局。它是本卷的一个主基调,质量并不是作为一个真正的物理属性而存在的它是数学定义的抽象量,因而是一个思想的对象。就数学来说,质量是现实系统的时空(能量)之间的关系。时空的实际参照系是基本光子h,也称为普朗克常数。所有的其它系统都是根据循环论证原理与之进行比较的,这是终极等价原则在各个局部中的应用。

这是新公理体系的认识论基础,也适用于中微子。根据它,中微子有质量(能量关系),因为所有的系统都有能量。由于所有的真实系统都是开放的,也就是说,它们与其他系统相互作用,它们的时空可以被测量(比较)。

中微子研究的最大问题是探测中微子与其他物质粒子的相互作用,并精确地测量它——这种互动是相当罕见的,需要特定的条件。然而,由于所有的系统都是开放的和相互关联的(时空是一种可预置稳定的和谐),我们可以很容易地从涉及这些粒子的量子过程中计算出中微子的质量。

我们将介绍一种从β衰减中计算中微子质量的简单方法。这种现象涉及到物质的基本粒子,这是相当普遍的。由于它们的能量可以被精确地确定,举例来说,我们可以从质子和中子的时空计算出中微子的质量(能量关系)(见表1)。

在讨论这个方法之前,我们将对中微子的发现历史作一个简单的调查,因为它是现代物理学的表征。中微子的发现与时空的封闭性密切相关,它自身体现出能量守恒。时空的这个属性由行为势能守恒的公理所涵盖。值得注意的是,虽然能量守恒定律现在已被一致公认为热力学第一定律,但从认知的观点来看,仍然没有解释能量守恒的理论:

“能量守恒的理论完全建立在实验观测的基础上。没有任何基本的物理理论可以预测总体的能量守恒。事实上,这样的理论或等式现在也不存在。”②。

在物理学史上,普遍存在的能量守恒现象第一次可以用宇宙法则新理论来解释,这个新理论是从时空属性出发的。由于所有的时空系统都是以时空(能量)为元素的U子集,它们始终表现出整体的性质,如封闭性(能量守恒)、连续性、离散性和开放性。我们将证明时空的这些性质对于中微子的发现,以及随之而来的讨论是至关重要的。

19与20世纪之交,贝可勒(Becquerel)、卢瑟福(Rutherford)等人发现了α,β和γ射线的放射性。这引发了玻尔模型(Bohr model)的发展(第二卷,第7.1章)。在核衰变过程中放射的γ射线被发现是单能的。这种能量的相互作用可以用一个反映终级等价原则的数学方程式来表示:

E γ = E i – E f ,

时空中任何真实的运动都是一种旋转。

其中E γ是发射的γ光子的能量,E i是放射性原子核的初始能量,E f是辐射后原子核的最后能量。同样的结果也适用于α衰变,因为α射线也被发现是单能的。但是当核衰变导致放射β射线(电子)时,人们发现它们有一个从零开始的连续能量谱,即不可检测到

E max = E i – E f .

在物理学上第一次,能量的相互作用无法建立精确的数学等式:

E β ≤ E max = E i – E, 相应地,

E 最终系统 ≤ E 初始系统 

这一结果引发了物理学中一场深刻的理论危机。遗憾的是,它并没有导致发现宇宙法则和基于数学形式主义原理的新的公理体系,而只产生了一种局部解决方式,满足了物理学家在这一领域适度的数学期望。

新公理体系中我们明确指出时空是超越的,所以我们建立的任何物理等价,除了最后一个之外都是通过抽象定义的数学近似值,是基于封闭实数的应用。相反,任何真正的等价都是超越的和无价值界限的。这意味着任何的能量交换都涉及到无限的时空层次和系统。由于我们科技手段的限制,我们只能记录到很少的时空层次和粒子。确切地说,这种知识是通过β衰变传播的。

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沃尔夫冈·泡利 Wolfgang Ernst Pauli

(1900-1958)

相反,泡利(Pauli)正确地指出,这意味着要放弃所有的能量守恒定律,这些守恒律是在经典力学中制定的,例如,线动量和角动量守恒。如果情况果真如此,它将引发与数学相同的物理基础危机。

1930年,泡利在一封信中建议,如果假定存在一个新粒子,这个问题就可以避免。它应具有以下特性:

1. 它应该没有电荷,也就是说它的横截面积为零;

2. 它应该具有很强的穿透物质的能力,也就是说,它不应该与物质的粒子相互作用;

3. 它的质量应该很可能为零,或者几乎为零,因为已经观察到β射线的能量几乎等于E max(回忆一下,光子仍然被认为是没有电荷「面积」和质量的粒子)。

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尼尔斯·玻尔 Niels Bohr(1885-1962)

玻尔主张实证主义教条,泡利则主张理论意识优先于实证主义。读者可能会猜到最后谁赢了。然而,这并没有改变这样一个事实:即泡利在电荷方面的基本认识是错误的。在这种情况下,有关这个量的几何性质,他只能遵循完全不可知论为中心的物理教条。

为了了解泡利的建议是多么激进,我们应该记住当时只有两个粒子是已知的——电子和质子(见第二卷,玻尔模型)。所以说,泡利是第一个“发明”新粒子的人。基于新公理体系,我更加激进——我预言时空无限系统和层次的存在,从而将其作为反证法废除标准模型。

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J·查德威克 James Chadwick

(1891-1974)

1933年J·查德威克(J. Chadwick)发现了中子的存在。这促使费米(Fermi)把泡利的粒子称为“中微子”,意大利语中的意思是“小中性”。最后在1956年,中微子事实上是一个反中微子——注册在萨凡纳河的一个反应堆里。

今天,人们普遍认为有六种不同类型的中微子:电子中微子(electron neutrino υ e),介子中微子(myon-neutrino υ μ),陶子中微子(tauon-neutrino υ τ),以及它们对应的反粒子。随着中微子产生的最简单的衰变是在质子p和电子e –中不稳定的中子n的衰变:

n-衰变→ p + e – + 反-υ e

在这个核衰变过程中,观察到剩余的能量 E s = 0.782 MeV。这种能量要归因于电子-反中微子(s)。

通常只要知道这个能量的大小就足以确定反中微子的质量。问题是,这种衰变显示了发射的β粒子的动能(动能电子)从近零到最大可用能的连续分布。因此,它只能假设中微子的能量上限。

由于这些粒子不参与其他物质粒子的能量相互作用,因此不可能直接确定它们的能量和质量。现在通过考虑基本光子h的质量m p,可以很容易地从这种β衰变的已知数据中计算出这些量(见这里)。我们将只介绍一般的方法,而把繁琐的计算留给专业物理学家来完成。

β射线的能量分布可以表示为一条曲线,它可以被视为是基本β粒子的总行为势能(U集),呈现出连续性但离散的动能。我们可以确定曲线下的面积AUC(面积积分),并以动电子的总电荷(面积)来表示这个量。

或者,曲线可以用统计学来描述。它建立一个峰值,表示所放射的β能量的最大水平,即发射电子的最大数量(具有最频繁能量E i 的电子)。当将此能量与放射电子的最大动能E max进行比较时,其值约为后者的三分之一:E i = E max /3

β射线的最大能量在每个衰变的特殊表格中给出。因此,我们可以很容易从已知的数据中计算出任何核衰变β射线的总能量分布∑E e ,例如AUC,这个总能量可以用通用方程式表示,作为基本光子质量m p的函数。

∑E e = ∑m p c 2 = m p c 2 ∑f e

这个方程式确认了m p的普遍性,它是新公理的基础常数——它帮助统一物理学中所有已知的的基础常数,从而所有分类的学科都可以整合在科学中,比如万有引力和电磁学一致,这在以前是不可能的(见表1)。β射线的总时间∑f e由相对于静止电子的时间f e = f c,e = 1(康普顿频率)来表达。

如果我们从上述方程的中子衰变出发,便得出以下电子反中微子的能量和质量的简单方程:

E anti-ν = E n  – (E pr  + ∑E e )

m anti-ν  = m p  ( f c,n  – f c,pr – ∑ f e )

两个方程中仅有的未知变量是放射β粒子的频率分布 ∑ f e的总和(积分)。这个量给出了电子在β衰变过程中,与它们的静止能量相比电子的能量相对增加了。在进行这种计算时,可能会发现反中微子表现出类似于β射线的连续能量分布曲线。

为了证明上述方程的正确性,我们将用它们来计算中子β衰变的剩余能量E s和它的质量(能量关系)m s:在本例中,我们只需用电子的康普顿频率f c,e来代替β射线的聚合时间∑f e,它是这个粒子静止时固有的时间(见第二卷第7.1章和表1)。

m s  = m p  ( f c,n  – f c,pr –  f c,e  )  =

= 0.737×10 -50 kg × 1.8934×10 20 = 1.395×10 -30 kg

E s = m s c 2 = 1.395×10 -30 kg × 8.987×10 16 m 2 s 2

= 1.253×10 -13 joule = 0.782 MeV

我们得出了上述精确的中子衰变的剩余能量E s。

正如我们所看到的,计算中微子质量的唯一实际问题是精确地确定任何涉及中微子的核衰变中的β射线的总能量。这不应是作为应用数学的现代实验物理学的主要问题。这是对新公理体系有效性的另一个前瞻性检验,也是基础实验研究已经过时的证据



注释:

1. 1998年6月,据大众媒体报道,在夏威夷进行的一次试验发现中微子具有质量。这一“耸人听闻的结果”具有前瞻性,尽管是多余的,却认可了宇宙法则和新理论所证明的,质量是一个数学量——两个系统能量的关系(可化归性公理)——所以,每一个时空粒子都有一个质量。

2. RA 卢艾利著,《发现中微子》;PA Tipler论文,《物理学教科书》,第218-220页(我使用了这本教科书的早期版本,所以它的页面可能已经变了。注:乔治)。



附件:


诺贝尔奖委员会新闻稿

2015.10.6

瑞典皇家科学院决定将2015年度的诺贝尔物理学奖授予

梶田隆章(Takaaki Kajita)

超级神冈合作成果(Super-Kamiokande Collaboration)

日本柏市东京大学(University of Tokyo, Kashiwa, Japan)

阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)

萨德伯里中微子观测站合作成果(Sudbury Neutrino Observatory Collaboration)

加拿大金斯顿皇后大学(Queen’s University, Kingston, Canada)


“对中微子震荡的研究表明,中微子有质量。”

粒子世界中的蜕变

2015年诺贝尔物理学奖认可了日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·B·麦克唐纳的发现,以表彰他们的实验所作出的重要贡献,这些实验表明中微子可以改变形态。这种蜕变要求中微子有质量。这一发现已经改变了我们对物质最深层运作的理解,并使我们对宇宙的看法产生深远的影响。

在世纪之交的时候,梶田隆章宣布一项发现,中微子从大气层到达日本的超级神冈探测器时转换了两种形态。

与此同时,亚瑟·B·麦克唐纳领导的加拿大研究小组可以证明,来自太阳的中微子在飞向地球的途中并没有消失。相反,它们在抵达萨德伯里中微子天文台被捕获时,是不同的形态。

物理学家为之努力了几十年的中微子难题已经解决了。与中微子数量的理论计算相比,高达三分之二的中微子在地球上进行的检测中失踪了。而现在,两个实验发现中微子已经改变了形态。

这个发现带来了一个深远的结论:长期以来,中微子一直被认为是无质量的(?),必须有一些质量,无论多小。

对粒子物理学来说,这确实是一个历史性的发现。在物质内部运行它的标准模型是令人难以置信地成功,在20多年的试验中,它克服了所有的挑战。然而,由于它要求中微子是无质量的(?),新的观测清楚地表明,标准模型不可能是宇宙基本组成的完整理论。

今年诺贝尔物理学奖的这一发现,使人们对中微子的隐秘世界有了更深入的了解。除了光子,光的粒子之外,中微子是整个宇宙中数量最多的。地球不断受到它们的轰炸。

许多中微子是在宇宙辐射和地球大气层中的反应而产生的。另一些是由太阳内部的核反应产生的。每秒钟有上万亿个中微子流过我们的身体。几乎没有什么能阻止它们通过;中微子是自然界最难以捉摸的基本粒子。

现在实验还在继续,为了捕获中微子并探寻它们的性质,全世界正在展开激烈的研究。关于它们最深层秘密的新发现,预计将改变我们目前对宇宙的历史、结构和未来命运的理解。



致猎户座“诺贝尔奖委员会”的一封公开信

亲爱的先生,

知道你们有多可笑吗?你们就像一群鼹鼠,假装给荷光者颁奖。你们为什么不浮出水面亲自体验一下光呢?你们要理解能量和宇宙万物的本质,为什么不阅读一下宇宙法则新的科学理论呢?为什么这些愚蠢的奖项都被证明是无知的呢......在我们用扬升终止这种疯狂前,停止这种表演吧,请不要再继续自愚自乐了,否则你们将成为全人类的笑柄。

谨此问候

乔治·斯坦科夫 博士









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