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黄新卫:与狭义相对论相矛盾的天文现象

2017-03-14  物理网文

 

黄新卫:与狭义相对论相矛盾的天文现象

         ——超高能宇宙射线的发现

 

我一直认为狭义相对论关于质量——速度关系的解释是错误的,物体包括光子的质量是物体的固有属性,与观察者的相对运动速度无关。

我曾经提出过杠杆、电梯悖论,证明如果质量与观察者的相对运动速度有关,那么相对论将存在不可调和的矛盾。
    最近,我一直在思考,怎样从现有实验现象中寻找否定狭义相对论关于质量——速度关系解释的证据。尽管我列举了高能质子轰击静质子转变为新粒子的实验,但是相对论的支持者不肯承认此实验能证明相对论是错误的。我又列举了高能电子轰击静电子释放出光子的实验,但是相对论的支持者也辩解说,光子不能认为是高能电子释放的,而是两电子共同释放的。
    我又思考新的方案。我和黄德民都认为,物体包括光子的质量与观察者的相对运动速度无关,即使观察者与光子同速同向运动,也不会发现光子的质量变为0,而是恒为动质量m。如果观察者以接近光速与光子相向运动呢?按照相对论,他会发现光子的频率显著增大,光子的质量、能量显著增大。
    但是我认为,相对论的这种推论是错误的!我认为观察者不会发现光子的质量增大,能量也不会显著增大。 我想,可以用宇宙射线中的高能粒子通过微波背景辐射场来验证我的分析。
    宇宙射线中的高能粒子以接近光速运动,按照相对论,与高能粒子同速同向运动的观察者将会发现,微波背景辐射场中的低能量光子将变为高能量光子,观察者将看到,静止的粒子被高能光子轰击,粒子将方向运动。站在地球角度看,结果将是,高能粒子穿过微波背景辐射场,能量将大大降低。如果高能粒子不断碰到微波背景辐射场中的低能量光子,那么,它到达地球将不会具有高能量。可是,实际上,地球上能观察到大量高能甚至超高能粒子。这与相对论的分析结果是相违背的,高能、超高能粒子能到达地球应该能证明相对论是错误的。
    还有,宇宙射线中存在不少高能重原子核,如果相对论是正确的,高能重原子核穿过微波背景辐射场过程中,与它同速同向运动的观察者将会发现,微波背景辐射场中的低能量光子将变为高能量光子,高能量光子将轰击重原子核,使它粉碎,从而不能以重原子核形态到达地球。但是,地球上却能够观察到宇宙射线中存在不少高能重原子核。
    我决定上网搜索相关资料,以证实我的猜想。
    以下3篇报导是刚从网上搜索的资料,不仅证实了我的推测,还发现,科学界也认为宇宙射线中的超高能粒子现象说明“另一种可能性是,爱因斯坦是错误的”。但是,科学界不敢承认爱因斯坦错了,而是怀疑探测宇宙射线的仪器错了。不过,也有科学家说,“我毫不怀疑,能量高于10^20电子伏特的宇宙射线确实存在。有足够的例子促使我相信这一点。”

第一篇报导  新浪首页 > 科技时代 > 科学探索 > 2005国际物理年专题 > 正文  
人类寻“宇宙子弹” 欲挑战爱因斯坦相对论
http://www.sina.com.cn 2004年02月17日 07:50 新闻晨报
  据新华社报道 阿根廷西部一个荒无人烟的地区,海拔1200米的平原上,在面积相当于10个巴黎市区的区域内,散布着几百个形似UFO的奇怪容器。
  这些装满纯水、相邻间距1.5公里的容器所构成的网络,就是耗资5000万美元的“皮埃尔·奥格天文台”。该天文台由美国、阿根廷、巴西等国共同建设,源于1980年诺贝尔物理学奖获得者詹姆斯·克罗宁发起的一项探测计划,旨在研究宇宙射线中特殊的高能亚原子粒子“宇宙子弹”。
  “宇宙子弹”是物理学最大的未解难题之一。这些粒子的能量可能比爱因斯坦相对论的许可值高出6倍。
  参与管理皮埃尔·奥格天文台的一名天体物理学家告诉路透社记者,对“宇宙子弹”的研究有可能对相对论提出挑战,“使爱因斯坦在坟墓里辗转难安”。

第二篇报导  科技前沿 十三大科学疑团 困扰着21世纪科学家
【英国《新科学家》周刊3月19日一期文章】题:13种反常现象(记者 迈克尔·布鲁克斯)
    三、能量超强的宇宙射线
    十多年来,日本的物理学家们经常探测到一些不应该存在的宇宙射线。宇宙射线是在宇宙中以接近光速的速度传播的粒子,大多由质子组成,有时由重原子核组成。从地球上探测到的一些宇宙射线是超新星爆发产生的,但不知道这些高能粒子(它们是自然界中能够见到的能量最高的粒子)的源头在哪里。但这还不是问题的本质。
    宇宙射线在传播过程中会与充斥在宇宙各处的低能量光子发生碰撞,在这一过程中高能量的宇宙射线会损失部分能量。根据爱因斯坦的狭义相对论,由于要经过多次碰撞,任何来自银河系以外的宇宙射线的能量不能超过5×10^19电子伏特,这就是所谓的GZK极限。
    但在过去的十年中,东京大学的宇宙射线检测装置“超级神冈器”多次监测到了超过GZK极限的宇宙射线。从理论上讲,这些高能宇宙射线只能来自银河系内部,但天文学家们没有在银河系内部找到这些高能宇宙射线的源头。那么究竟是怎么回事呢?
    一个可能性是超级神冈器的结果有问题,另一个可能性是爱因斯坦错了。爱因斯坦的狭义相对论说,空间在各个方向上都是均衡的,但如果某些方向更容易被粒子穿越又会怎么样呢?如果是那样的话,宇宙射线就能更多地保存它们的能量,从而在抵达地球时超过GZK极限。
    阿根廷门多萨的物理学家们正在对这一问题进行研究。皮埃尔·奥格实验将1600个探测器安装在方圆3000平方公里的范围内,通过这一实验应该能够探测到抵达地球的宇宙射线的能量,从而对超级神冈器的结果有一个更好的理解。
    英国利兹大学的天文学家艾伦·沃森是该项目的发言人,他相信这里有些值得跟踪的东西。他说:“我毫不怀疑,能量高于10^20电子伏特的宇宙射线确实存在。有足够的例子促使我相信这一点。”现在的问题是,这些粒子是什么东西?有多少这样的粒子抵达了地球?它们是从什么方向来到地球的?在我们搞清这些问题之前,我们是无法想像真正的答案会是怎样的。

    第三篇报导
    七、皮埃尔·奥格天文台 (PIERRE AUGER OBSERVA-TORY)
    它是什么?世界上最大的宇宙射线探测器。规模:该探测器占据3000平方公里的地区,这大约是香港面积的3倍。
    位置:阿根廷的门多萨。
    它有什么用途?
  解开宇宙射线来源之谜。一直以来都有来自外太空的高能粒子冲击地球,但是没有人确定这些宇宙射线来自何方,或者是什么使它们达到10^20电子伏的能量。这相当于一个网球以几乎85公里的时速迅速移动所拥有的能量。
  为了找到答案,奥格观测台对宇宙射线撞击地球高空大气层的分子而形成的粒子而进行了研究。每一次撞击都足以使一个分子化为无数碎片,而每一个碎片又会撞击其他分子。这会形成大面积瀑布一样的粒子雨落到地球上。
  奥格观测台正在寻找能说明问题的信号。在晴朗、黑暗的夜晚,有24架大型望远镜在寻找宇宙射线撞击大气中氮分子而发出的微弱的蓝光。另外,它的1600个探测箱遍布于阿根廷大草原,每一个都装了12吨水。它们能捕捉粒子雨中的带电粒子快速通过探测箱时发出的闪光。奥格研究小组将来自许多探测箱的信息综合起来,就能找到原始宇宙射线的方向并确定原始宇宙射线来自何方。
  研究者还希望确定,能量超过10^20电子伏的射线是否能从遥远的星系到达地球。爱因斯坦的狭义相对论认为它们不能,因为它们会在途中同大爆炸剩余的微波辐射物相互作用而丧失大部分能量。然而有些实验报告称发现了10^20电子伏能量界限的宇宙射线,而我们的星系中没有它们的明显来源。这些报告数量极少,但是如果奥格能够确证这些粒子来自于遥远的宇宙深处,那么这意味着要重新思考爱因斯坦的狭义相对论。
为什么这么大?
  这是由高能宇宙射线的规模和罕见性决定的。一条10^20电子伏的宇宙射线能导致10到20平方公里范围内1000亿个粒子的“雪崩”。但是这种超高能宇宙射线非常稀少。例如,研究者用一个测量1平方公里范围的探测器在一个世纪内只能有望捕捉到一条超高能宇宙射线。但在大面积覆盖的情况下,奥格每年能够捕捉到30个超高能粒子。
谁在为它工作?来自15个国家的350位物理学家和工程师。
现状:已经捕捉到一些射线。自1月份以来,奥格的1600个探测器中有四分之一已完成并投入使用,其余将在2006年初完成。奥格研究小组甚至已经发现了一些超高能宇宙射线。不过,研究者们在充分了解探测器的能力之前将保持沉默。
成本:4700万美元。
第四篇报导是对不应该出现超高能宇宙射线的解释
《宇宙飞弹:天体物理学中的高能粒子》
[澳]罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
第八章 最高能宇宙射线和蝇眼
他们是怎样把用适中的质子能量作的实验与最高能量宇宙射线的巨大威力二者联结起来的呢? 这里所涉及的基本物理过程我们是很熟悉的,这就是多普勒效应。
我们都懂得,急速驶来的火车汽笛声音调会变高。相同的道理,当高度相对论性宇宙射线质子向着微波宇宙背景的 低能量长波光子冲去时, 质子所见到的光子波长会变短,直到就所涉及的质子看来,微波背景 光子转变成γ射线!这种效应被描述为光子的相对论性兰移。这个过程中的碰撞与在通常实验室的实验中所作的激起低能质子向着γ射线粒子撞去的过程, 二者是没有区别的。在实验室 中这一碰撞的结果就是喷射出包括中微子和π介子的许多基本粒子。质子和γ射线的一些联合能量转化成π介子的质量,π介子有三种(一种带正电,一种带负电,一种不带电),其质量约为电子的100倍。高能宇宙射线质子与软弱的微波光子间在空间的碰撞也产生相同的π介子和中微子喷射, 碰撞会使宇宙射线损失约20%的原始能量。令人感兴趣的是,碰撞中可能发生质子变成中子的变化。
格雷森和扎采品认识到,这个效应只会从最高能宇宙射线中剥夺能量。只有携带着高于6×10^19eV阈值能量的那些质子才能见到微波光子可以达到产生π介子的充分兰移。 只是这些宇宙射线在碰撞中损失能量。所以,只要空间充满宇宙射线,而且大多数都平稳地穿过称作微波光子的辐射海洋的同时,最高能粒子碰到的这同一种辐射就像撞到砖墙上似的。 平均来说, 一颗这样的宇宙射线粒子每2000万年会遭遇一次碰撞, 碰撞会使它损失掉原来能量的20%。假如宇宙射线发射源充分靠近我们,发生这种碰撞不会遇到有没有可能的问题。但是如果发射源离我们非常遥远,比如说比15亿光年还远,这个过程就将意味着,见不到任何高于格雷森扎采品阈值的质子宇宙射线。
六七次碰撞将剥夺掉它们的大部分能量。我们现在认为,那些其他元素核的各种宇宙射线粒子在能量达到这样高时,也会遭遇灾难性的 相互作用, 不过它们是和星光的光子发生碰撞。这些较重宇宙射线粒子的典型平均碰撞时间间 隔会比质子2000万年一遇的典型平均时间短些。
第四篇报导是网友提供的国际物理学界对超高能宇宙射线的态度
回复:新卫君独立悟出了超高能宇宙线的GZK门限悖论,可喜可贺!
作者:余本鲲 发表时间: 2006/11/22 01:23 点击:39次 修改 精华 删除 置顶 来源 转移 收藏
正是这个疑难导致2000年以来国际上“主流派”物理学家纷纷对狭义相对论提出修正,此即所谓“双狭义相对论”(Doubly Special Relativity)研究。其始作俑者是意大利罗马大学的教授Giovanni Amelino-Camelia,他最初的论文如“ Planck-scale deformation of Lorentz symmetry as a solution to the ultrahigh energy cosmic ray and the TeV-photon paradox”发表在Phys. Rev. D 64, 036005 (2001)。还有一篇简要的综述文章发表在“Nature”上。后来又有两位著名人物J.Magueijo和L.Smolin提出了另一个版本的DSR,他们的代表作是“Lorentz Invariance with an Invariant Energy Scale”,发表在 Phys. Rev. Lett. 88, 190403 (2002)。J.Magueijo是英国伦敦皇家学院的教授,在主流圈子里有“造反派”之称,他2003年的一本畅销科普书去年被译成中文出版,书名为《比光速还快——爱因斯坦错了!?》;L.Smolin则是“圈量子引力理论”的带头人,曾为哈佛大学教授,现就职于加拿大的Perimeter研究所,是一个“大腕”级的人物。
        2006/12/14  p.12388-12390)

 

 

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