中微子的速度到底有多快

中微子的传播速度真的很快。我们常用一眨眼来形容短暂的时间，而这些小粒子直接穿过整个地球，所花时间比你眨眼时间还短。在所有有质量的粒子中，它们是最快的，几乎以宇宙中最快的速度光速行进。那么，它们到底有多快？

你可能听说过，来自太阳的光需要八分钟才能到达地球。当你仰望太阳时，实际上看到的是它八分钟前的样子，那是在所有这些光子传播1.496亿公里到达地球之前。

但是以光速行进时，会发生一些奇怪的事情。如果你是一个光子，那么这段旅程似乎根本不需要时间。对于以光速行进的光子来说，旅程是瞬间发生的。与光子相比，我们移动得非常慢，因此我们对时间的体验截然不同。从爱因斯坦的狭义相对论中，我们知道物体运动得越快，时间就越慢，对于以光速运动的光子来说，时间会停止。所以一个光子同时经历了整个宇宙的时间线。

当我们讨论中微子的速度时，我们为什么要谈论光子呢？简短的回答是，在实际层面上，中微子的运动速度非常接近光速。我们试图通过测量中微子长距离行进所需的时间来测量中微子行进的速度。但即使在我们最精确的实验中，我们也没有足够的分辨率来测量中微子速度与光速的明显不同。

现在，让我们更具体一点。如果我们知道中微子的质量，我们可以使用爱因斯坦的狭义相对论方程从中微子的能量中计算出它的速度。但困难的是，我们实际上并不知道中微子的质量，并且无法测量它。有一些实验帮助缩小了中微子质量范围，例如KATRIN实验最近表明，中微子的质量必须小于0.8eV/c²。

因此，假设中微子质量为0.7 eV/c²并给定1GeV的能量，这将告诉我们中微子以光速的0.9999999999999999995倍的速度行进。仙女座星系距我们250万光年，这意味着一个光子需要250万年才能到达这里。如果一个光子和一个 1GeV中微子同时从仙女座星系出发，中微子将在光子之后0.0004 秒到达。到这里我们就可以明白，为什么我们无法衡量其与光速的差异了。

但是，为什么我们如此肯定中微子运动得比光速更慢呢？我们知道中微子有一个特别之处，那就是它们在移动时会改变风味。这个事实告诉我们，与光子不同，中微子会经历时间，它们并没有以光速行进。

中微子的质量还有一些量子力学的怪异之处，它们实际上是三种不同质量状态的混合体：质量一、质量二和质量三，这是量子叠加的一个例子。我们要记住的一件重要事情是粒子也是波，并且波的长度不是无限的。因此，可以将粒子视为波的一小部分或“波包”。当中微子在加速器中诞生时，它开始时是所有三种质量状态的叠加，这意味着所有三种质量状态的波包都是重叠的。只要波包重叠，就会有相干中微子。这些质量状态中的任何一种都可能在探测器中发生相互作用，我们无法分辨出其中的区别，这导致了中微子振荡现象。

质量不同的物体应该以不同的速度行进，如果中微子传播的时间足够长，三种不同质量状态的三个波包会随着时间慢慢散开，直到它们不再重叠，这会导致我们所说的退相干。在那种情况下，我们不会看到中微子振荡。我们每次都会出现相同比例的电子、μ子和τ中微子，但是要获得这些退相干中微子，它们必须经过一段不可思议的距离，比我们在地球上进行的任何实验都远得多。我们所知道的唯一可能经历这种现象的中微子是那些自大爆炸以来一直在旅行的中微子，不幸的是此时它们的能量非常低，以至于我们没有足够灵敏的探测器来观察它们。

综上所述，测量中微子的速度绝非易事，还有更多的东西有待发现。2011 年，OPERA实验报告了一项测量结果，显示中微子移动速度超过光速。但随后的调查表明，这实际上是实验中的设备错误，中微子毕竟服从狭义相对论。有趣的是，交叉检查OPERA结果的实验之一ICARUS，它使用不同的计时系统测量了与OPERA相同的中微子，但还是没有任何重大突破。

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院半导体所立场

编辑：了之