如何理解中微子的味不是质量的本征态？ 第1页

这是个很有趣的问题，我以前也很困惑。

1，先来念两句诗：

横看成岭侧成峰，远近高低各不同。

同一座山，采用不同的观测方法（横看/侧看）看到的现象是不同的。中微子就是这样一座山。

下面是一图流：

自由运动的粒子是处在动能的本征态（图里的H是相对论动能表达式，实际上中微子一般不用薛定谔方程描述，哈密顿量也不是这样的，图片只是示意），当我们观测自由中微子时（如果可以的话），采用的是有测量能量功能的探测器，即测中微子的能谱，而可以从动能的表达式可以看出这时候起作用的是中微子的质量。所以观测自由中微子（“横看”）时测到的是质量本征态 .

中微子参与弱相互作用时，起作用的是其“味道”，中微子味道的测法是这样的：通常情况下轻子味道数（ eμτ 数）守恒，假如一个中微子和探测器中的物质的原子核反应后生成了一个新的原子核和一个μ子，原子核不带轻子味道数，而μ子的μ数为1，由于反应前后轻子味道数守恒，所以我们断定参加反应的中微子μ数为1，是μ子中微子。类似，一个原子核反β衰变为一个新原子核，放出一个正电子和一个中微子，原子核不带e数，而正电子e数为-1，所以那个中微子的e数应该为1，是电子中微子。

我们继续上面原子核衰变放出的中微子的故事，假设有大量相同的原子核都这样衰变放出了大量的电子中微子，这些中微子是通过弱相互作用产生的，我们观测它们的产生是“侧看”，“看”到它们都是最上面那一行的，味道e本征态。它们产生后立即飞了出去，运动过程中它们是自由中微子了，我们再观测它们就是“横看”了，于是我们从测到的能谱和动量谱一算，发现这些原本一样的中微子的质量不一样了，这反映出中微子味道本征态和质量本征态不重合，味道本征态是不同质量本征态的叠加。

当然，我这幅图可能会让一些同学产生一种想法：“横看”和“测看”都不全面，如果我们“从上面看”的话就能一览全局，看到9个味道本征态和质量本征态重合的“基本单元”了啊。可惜这9个“基本单元”只是为了方便大家认知而作的，目前在实验中并没有发现。

由于这个奇怪的性质，我们可以用量子力学的原理玩搞个有趣的小把戏：

从上面那批电子中微子中我们筛选出测到质量 的，然后用它们和物质反应。我们将观测到这些中微子和物质反应后的产物不仅有电子，还有μ子和τ子。而要记得这批中微子最初产生的时候都是电子中微子。同一批电子中微子，我们测了下它们的动能后，就让它们中一部分变成了μ子中微子或τ子中微子。这是因为对电子中微子测动能使其坍缩到3个质量本征态中的一个，而质量本征态是味道本征态的叠加，对质量本征态再测味道会使其坍缩到3个味道本征态中的一个，于是就出现了原来没有的味道（这本质上类似于斯特恩-格拉赫实验）。这就是中微子振荡。

实际上，目前直接测自由中微子还是很难的事，推测中微子有静止质量是根据中微子振荡现象，如果中微子静止质量为0，味道本征态就是质量本征态，初始产生的一种味道的中微子就不会因为自由运动过程中所处于的质量本征态是不同味道本征态的叠加而转化为其他味道的中微子。

细心的同学会说，这样不是破坏轻子味道数守恒了吗？没错，中微子振荡是目前观测到的唯一破坏轻子味道数守恒的过程（另一个可能的过程是无中微子双β衰变，不过还没测到）。

2，为什么会这样呢

可能说到这里不少同学还是不明白，我只是描述了现象但没有解释，为什么会这样呢？明明是我们先学过的：电子有电子的味道也有电子的质量，μ子有μ子的味道也有μ子的质量，为什么电子中微子有电子中微子的味道却没有电子中微子的质量？

恕我能力有限，不能从基础理论上作答。我只能这样说：物理学是实验的科学，随着新的实验现象的出现，人们对原有的物理概念会有新的认识。原本人们的认识中粒子应该是这样的：

“横看”和“侧看”是一个样（注意这幅图中m的下标和上一幅不同，说说为什么？），因为这些粒子只有“对角线元素”。而中微子还有“非对角元素”，这种现象称为“混合”。所以我只能说，过去在人们的认知中粒子只有“对角线”元素，处在类型（味道）质量自旋寿命等性质的本征态，而发现中微子等粒子的混合现象的发现扩展了人们对粒子的概念的认识。

所以同学们不要有太多纠结，大家要做的是接受实验现象，更新自己对粒子这一概念的认知。好像人们原本认为哺乳动物都是胎生的，直到发现了鸭嘴兽，使得人们更新了对哺乳动物的认知。而为什么会有鸭嘴兽，则是需要进一步研究的问题了。