中微子的速度它們到底有多快？

中微子的傳播速度真的很快。我們常用一眨眼來形容短暫的時間，而這些小粒子直接穿過整個地球，所花時間比你眨眼時間還短。在所有有質(zhì)量的粒子中，它們是最快的，幾乎以宇宙中最快的速度光速行進。那么，它們到底有多快？

你可能聽說過，來自太陽的光需要八分鐘才能到達地球。當你仰望太陽時，實際上看到的是它八分鐘前的樣子，那是在所有這些光子傳播1.496億公里到達地球之前。

但是以光速行進時，會發(fā)生一些奇怪的事情。如果你是一個光子，那么這段旅程似乎根本不需要時間。對于以光速行進的光子來說，旅程是瞬間發(fā)生的。與光子相比，我們移動得非常慢，因此我們對時間的體驗截然不同。從愛因斯坦的狹義相對論中，我們知道物體運動得越快，時間就越慢，對于以光速運動的光子來說，時間會停止。所以一個光子同時經(jīng)歷了整個宇宙的時間線。

當我們討論中微子的速度時，我們?yōu)槭裁匆務摴庾幽兀亢喍痰幕卮鹗?，在實際層面上，中微子的運動速度非常接近光速。我們試圖通過測量中微子長距離行進所需的時間來測量中微子行進的速度。但即使在我們最精確的實驗中，我們也沒有足夠的分辨率來測量中微子速度與光速的明顯不同。

現(xiàn)在，讓我們更具體一點。如果我們知道中微子的質(zhì)量，我們可以使用愛因斯坦的狹義相對論方程從中微子的能量中計算出它的速度。但困難的是，我們實際上并不知道中微子的質(zhì)量，并且無法測量它。有一些實驗幫助縮小了中微子質(zhì)量范圍，例如KATRIN實驗最近表明，中微子的質(zhì)量必須小于0.8eV/c2。

因此，假設中微子質(zhì)量為0.7 eV/c2并給定1GeV的能量，這將告訴我們中微子以光速的0.9999999999999999995倍的速度行進。仙女座星系距我們250萬光年，這意味著一個光子需要250萬年才能到達這里。如果一個光子和一個 1GeV中微子同時從仙女座星系出發(fā)，中微子將在光子之后0.0004 秒到達。到這里我們就可以明白，為什么我們無法衡量其與光速的差異了。

但是，為什么我們?nèi)绱丝隙ㄖ形⒆舆\動得比光速更慢呢？我們知道中微子有一個特別之處，那就是它們在移動時會改變風味。這個事實告訴我們，與光子不同，中微子會經(jīng)歷時間，它們并沒有以光速行進。

中微子的質(zhì)量還有一些量子力學的怪異之處，它們實際上是三種不同質(zhì)量狀態(tài)的混合體：質(zhì)量一、質(zhì)量二和質(zhì)量三，這是量子疊加的一個例子。我們要記住的一件重要事情是粒子也是波，并且波的長度不是無限的。因此，可以將粒子視為波的一小部分或“波包”。

當中微子在加速器中誕生時，它開始時是所有三種質(zhì)量狀態(tài)的疊加，這意味著所有三種質(zhì)量狀態(tài)的波包都是重疊的。只要波包重疊，就會有相干中微子。這些質(zhì)量狀態(tài)中的任何一種都可能在探測器中發(fā)生相互作用，我們無法分辨出其中的區(qū)別，這導致了中微子振蕩現(xiàn)象。

質(zhì)量不同的物體應該以不同的速度行進，如果中微子傳播的時間足夠長，三種不同質(zhì)量狀態(tài)的三個波包會隨著時間慢慢散開，直到它們不再重疊，這會導致我們所說的退相干。

在那種情況下，我們不會看到中微子振蕩。我們每次都會出現(xiàn)相同比例的電子、μ子和τ中微子，但是要獲得這些退相干中微子，它們必須經(jīng)過一段不可思議的距離，比我們在地球上進行的任何實驗都遠得多。

我們所知道的唯一可能經(jīng)歷這種現(xiàn)象的中微子是那些自大爆炸以來一直在旅行的中微子，不幸的是此時它們的能量非常低，以至于我們沒有足夠靈敏的探測器來觀察它們。

綜上所述，測量中微子的速度絕非易事，還有更多的東西有待發(fā)現(xiàn)。2011 年，OPERA實驗報告了一項測量結果，顯示中微子移動速度超過光速。

但隨后的調(diào)查表明，這實際上是實驗中的設備錯誤，中微子畢竟服從狹義相對論。有趣的是，交叉檢查OPERA結果的實驗之一ICARUS，它使用不同的計時系統(tǒng)測量了與OPERA相同的中微子，但還是沒有任何重大突破。

審核編輯：劉清