10月6日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟-麥克唐納，他倆因為發(fā)現中微子震蕩而獲得2015年度諾貝爾物理學(xué)獎！
對于不少人來(lái)說(shuō)，因為平時(shí)工作忙，沒(méi)時(shí)間關(guān)心，對中微子不是很了解，更別提中微子震蕩了。恰好在下以前看過(guò)大量關(guān)于中微子的資料，今天寒木就來(lái)詳細說(shuō)說(shuō)。
中微子是什么
中微子，中微子，名字中既然有一個(gè)“子”，這說(shuō)明它是一種小粒子；同時(shí)它還有一個(gè)“中”字，說(shuō)明它跟我們熟悉的中子一樣，也不帶電，中性的；還有一個(gè)‘微’字，說(shuō)明中微子非常非常小，比中子電子還要小得多得多，甚至于，以前的科學(xué)家們還認為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的。只是后來(lái)，人們才認為，中微子是有質(zhì)量的，但非常非常小，有點(diǎn)接近零。也正因為這樣，中微子非常神奇，它的速度非?？?，不到1秒鐘，它就能穿過(guò)地球。
別說(shuō)地球，它甚至能穿過(guò)太陽(yáng)。太陽(yáng)每分每秒都在產(chǎn)生大量的中微子，平均每秒鐘，會(huì )有好多萬(wàn)億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體。
中微子怎么發(fā)現的
既然中微子嗖一下就穿過(guò)了地球，穿過(guò)我們每個(gè)人的身體，怎么去抓住它？抓不住它，你又怎么證明存在中微子這種粒子？
事實(shí)也是如此，當初，中微子只是一種推測出來(lái)的粒子而已。而這里面，故事還挺有趣。
話(huà)說(shuō)，好幾十年前，全世界的物理學(xué)家們被一個(gè)問(wèn)題深深地困擾著(zhù)，這就是‘貝塔衰變’中能量不守恒的問(wèn)題。
貝塔衰變很好理解，咱們以碳元素為例。碳元素排在第六位，通常它的原子核里面有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子，可是呢，有的碳原子核里面卻有8個(gè)中子，6加上8等于14。所以，咱們把這類(lèi)原子叫做碳14。
碳14很神奇，它們會(huì )向外發(fā)射電子。原來(lái)呀，碳14的原子核很不穩定，它里面的某個(gè)中子有變身術(shù)，會(huì )變成1個(gè)質(zhì)子加上1個(gè)電子！
早在100多年前，對于碳14的這種現象，被當時(shí)的科學(xué)家們稱(chēng)為——貝塔衰變！
說(shuō)完了貝塔衰變，咱們再來(lái)說(shuō)說(shuō)能量不守恒又是啥情況。
還是拿碳14來(lái)舉例，碳14發(fā)生貝塔衰變的時(shí)候會(huì )放出能量，而能量由電子帶走，所以貝塔衰變時(shí)，會(huì )發(fā)射電子。按道理，電子具有多少能量應該是固定的，可奇怪的是，就算是完全相同的幾個(gè)碳14原子，它們發(fā)生衰變時(shí)，發(fā)射出來(lái)電子，能量竟然不一樣。
咱們來(lái)打個(gè)比方，有幾把完全一樣的手槍?zhuān)斎?，手槍子彈也是完全一樣的?？涩F在呢，朝相同的方向射擊，有一把手機能把子彈射到300米遠的地方，有一把呢，只能射到270米的地方，還有一把更可憐，只能射到250米遠的地方。你們說(shuō)這奇怪不奇怪？
為什么子彈射程不一樣？
是不是有的子彈，彈藥比較少，有的比較多？是不是每個(gè)碳14都不一樣？
但是，你怎么證明兩粒碳14不一樣？無(wú)法證明，所以，所有的碳14是一模一樣的！
怎么辦？
面對這個(gè)問(wèn)題，當時(shí)的科學(xué)家們可是傷透了腦筋，不管怎么折騰，總是找不到原因。搞到最后，實(shí)在實(shí)在是沒(méi)辦法了，當時(shí)的著(zhù)名科學(xué)家波爾只好說(shuō)，我猜，能量守恒定律可能不是正確的。至少在微觀(guān)世界，能量守恒定律是不通用的。
這下，波爾可是栽了個(gè)跟斗，鬧了笑話(huà)。因為能量守恒定律是我們這個(gè)宇宙的法則，它還從沒(méi)失效過(guò)。如果為了解釋小小的貝塔衰變，就輕易推翻能量守恒定律，那這代價(jià)也太大了。所以，很多科學(xué)家對波爾的這種解釋很別扭。尤其是那個(gè)叫泡利的科學(xué)家，他非常不爽，因為泡利這人是個(gè)極度追求完美的人?？墒悄?，不爽歸不爽，他一時(shí)也找不到別的解釋。
后來(lái)，物理學(xué)家們決定召開(kāi)一個(gè)會(huì )議，共同商討這個(gè)當時(shí)物理學(xué)上最大的謎題。而泡利本來(lái)是要參加的，可是最后，他臨時(shí)有一個(gè)舞會(huì )，而且他說(shuō)，無(wú)論如何他不能缺席這個(gè)舞會(huì )。就算不能參加，泡利也想發(fā)表自己的看法，所以在1930年12月4日這一天，他寫(xiě)了一封信給參加會(huì )議的人，這是一封名垂青史的信，在信上，泡利說(shuō)“我有一個(gè)置之死地而后生的想法，為了確保能量守恒定律的正確性，我認為在貝塔衰變的過(guò)程中，除了發(fā)射出電子外，還有一種神秘的看不見(jiàn)的粒子，就是這種粒子帶走了部分的能量……”。1931年的時(shí)候，他又一次在物理學(xué)大會(huì )上提出并修正了他的看法。他說(shuō)：“這種粒子是不帶電的，沒(méi)有質(zhì)量的，也是不與任何物質(zhì)發(fā)生作用的，所以我們是探測不到的。”
現在我們已經(jīng)知道，泡利說(shuō)的這種神秘粒子，其實(shí)就是中微子。
但是作為嚴謹的科學(xué)家，泡利有自知之明，他猜測存在中微子這種粒子后，頓時(shí)亞歷山大，甚至有點(diǎn)后悔。
為什么呢？
因為泡利預言存在中微子，可是中微子無(wú)論如何是不能被觀(guān)測到的，那這幾乎等于沒(méi)說(shuō)。因為我們可以隨意套用這種預言，比如，寒木也可以預言，咱們每個(gè)人的肚子里面都長(cháng)著(zhù)一棵樹(shù)，可是無(wú)論如何我們是看不到這棵樹(shù)的，就算鉆到肚子里面也看不見(jiàn)。所以，泡利意識到自己犯下了一個(gè)非常大的錯誤，他感到很郁悶，為此，他自己也這樣承認，向別人寫(xiě)信：“我做了件糟糕的事，我預言了一種無(wú)法觀(guān)測到的粒子……”
泡利是個(gè)很可愛(ài)的科學(xué)家，他不但對自己要求嚴格，對別人也要求很?chē)?，同時(shí)說(shuō)話(huà)很刻薄，他總是喜歡給別的物理學(xué)家挑刺，而且不留情面。泡利的這種完美主義是出了名的。一次，他看了一位年輕的物理學(xué)家寫(xiě)的一篇論文后，評價(jià)說(shuō)“這論文不只不正確，它甚至連錯誤都算不上”。還有一次，一個(gè)意大利物理學(xué)家做完報告，準備離開(kāi)會(huì )議室時(shí)，泡利對他說(shuō)“我從來(lái)沒(méi)聽(tīng)過(guò)這么糟糕的報告?！?，泡利說(shuō)完后，他又突然回過(guò)頭，對瑞士的一個(gè)物理化學(xué)家說(shuō)“我想如果你做這次報告的話(huà)，情況可能會(huì )更糟糕。”
還有一次，泡利想去一個(gè)地方，但不知道怎么走，一位同事告訴了他。后來(lái)這位同事問(wèn)他那天是否找到了想去的地方，泡利不僅沒(méi)有表達謝意，反而諷刺說(shuō)“在不談?wù)撐锢韺W(xué)的時(shí)候，你的思路總是很清晰。”
你看，既然泡利對別人都這樣，那他對自己就更嚴了。所以泡利預言存在不能被觀(guān)測到的中微子后，他的苦惱是可以理解的。
泡利是1958年去世的，在他去世的前兩年，也就是1956年，泡利終于可以揚眉吐氣了，因為美國科學(xué)家萊因斯和柯溫探測到了中微子存在的證據，這讓萊因斯在1995年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，而柯溫呢，因為他已去世多年，所以沒(méi)有獲獎。
泡利按理也應該獲獎，但他老人家早在1945年的時(shí)候就把諾貝爾物理學(xué)獎拿到手了。
太陽(yáng)中微子消失之謎
說(shuō)完了證實(shí)中微子確實(shí)存在的證據后，科學(xué)家們的信心更足了，其中就有一個(gè)雄心勃勃的美國科學(xué)家，名叫戴維斯。他準備在地下1500米深處探測那些從太陽(yáng)發(fā)射出來(lái)的中微子。
中微子穿透力超強，不到一秒的功夫，就把整個(gè)地球給穿過(guò)去了。怎么探測？別急，中微子并不是從來(lái)不跟任何物質(zhì)發(fā)生發(fā)應，它還是會(huì )跟某些特殊的原子發(fā)生反應，比如氯原子和氫原子，只是非常少而已，100億個(gè)穿過(guò)地球的中微子中，大約會(huì )有一個(gè)中微子與物質(zhì)發(fā)生碰撞。
100億中只有1個(gè)，這也太少了，但是別忘了，宇宙中所有的恒星還有地球上各種核電站無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生中微子，所以中微子非常非常的多，平均每秒鐘就會(huì )有1萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)我們每個(gè)人的身體，中微子是宇宙中數量最多的粒子之一，茫茫的宇宙空間中，大約每立方厘米的體積內就有300個(gè)中微子。
那么，戴維斯為什么非要在地下1500米深處探測中微子呢？在地上不挺好？
因為地面上有大量的來(lái)自宇宙空間的射線(xiàn)，這些射線(xiàn)會(huì )干擾實(shí)驗。所以，咱們國家大亞灣的那個(gè)中微子探測裝置同樣也是設在大山里面，為的是讓厚厚的巖石擋住各種射線(xiàn)。
戴維斯的實(shí)驗是這樣的：
他將615噸四氯乙烯液體灌入地下1500米深處的一個(gè)大池子里，然后數十年如一日地等待中微子的降臨。根據天體物理學(xué)家對太陽(yáng)的認識，經(jīng)過(guò)嚴密計算太陽(yáng)發(fā)射中微子的數量情況，戴維斯得出結論，他那個(gè)裝滿(mǎn)四氯乙烯的大池子每天應該能捕獲一個(gè)中微子。然而，經(jīng)過(guò)多年的觀(guān)察，平均下來(lái)，他四天才能逮著(zhù)一個(gè)。其余的中微子跑哪去了？當時(shí)，也就是1968年左右，科學(xué)家們很困惑，要么是戴維斯的實(shí)驗不精確，要么是天體物理學(xué)家們對于太陽(yáng)的認識有錯誤。戴維斯一年又一年不斷地完善實(shí)驗，最終結果還是一樣。
戴維斯說(shuō)，我的實(shí)驗沒(méi)問(wèn)題。
言下之意是，太陽(yáng)中微子消失之謎，責任不在我，可能在天體物理學(xué)家的頭上。
可是呢，天體物理學(xué)家們也很委屈，他們算啊算啊，計算了好多遍，最終還是堅定地說(shuō)：我們對太陽(yáng)模型的計算絕對沒(méi)有錯！
奇怪了，既然誰(shuí)都沒(méi)有錯，那到底誰(shuí)錯了呢？這就是著(zhù)名的“太陽(yáng)中微子消失之謎”。
戴維斯不管那么多，還是常年在那1500米深的金礦里干著(zhù)捕捉中微子的偉大事業(yè)，他這一干就是30年。在這30年中，他總共才探測到大約2000個(gè)中微子。
后來(lái)呢，在日本的神岡，同樣也有一個(gè)大型中微子探測器，叫超級神岡探測器，由一個(gè)叫小柴昌俊的日本科學(xué)家負責領(lǐng)導。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗，小柴昌俊他們也發(fā)現，確實(shí)存在中微子消失的現象。
哦，原來(lái)這不怪戴維斯，因為兩個(gè)探測器都同時(shí)證明了中微子消失的現象。那么，為什么會(huì )有一部分中微子消失呢？1998年的時(shí)候，這個(gè)謎題終于被解開(kāi)了，因為在這一年，超級神岡探測器證明了中微子具有一種神奇的本領(lǐng)——中微子在飛行的途中會(huì )變身！就像悟空能變成一只小豬一樣。
中微子家族有三兄弟，這三兄弟分別叫“電子中微子”、“陶中微子”、“繆中微子”。這三種中微子在飛行的途中會(huì )互相變化，飛一會(huì )兒，你變成我，再飛一會(huì )兒，我又變成你。它們總是變來(lái)變去的，這種現象就叫做中微子振蕩。
中微子振蕩示意圖。
太陽(yáng)中微子消失之謎解開(kāi)了。戴維斯那個(gè)老舊的中微子探測器，只能探測到電子中微子，而其它的兩種是探測不到的。也就是說(shuō)，當電子中微子飛到地球上后，搖身一變，成了繆子中微子后，探測器就探測不到了，所以，并不是中微子消失了，而是它變成了另一種當時(shí)還沒(méi)有能力探測的其它中微子而已。戴維斯沒(méi)有錯，天體物理學(xué)家對太陽(yáng)的計算也沒(méi)有錯。為了表彰戴維斯和小柴昌俊在中微子研究上的貢獻，瑞典皇家科學(xué)院宣布，戴維斯和小柴昌俊同獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎。
梶田隆章
上文咱們說(shuō)了，超級神岡探測器由小柴昌俊負責領(lǐng)導，而今年獲諾貝爾獎的梶田隆章恰好受業(yè)于小柴昌俊。
小柴昌俊曾經(jīng)說(shuō)：“在繼承我衣缽的弟子當中，有2人足以獲得諾貝爾獎”。這里的兩人，其中一個(gè)就是指梶田隆章，而今年，2015年，梶田隆章果然就獲獎了。
梶田隆章的獲獎理由是：預言并發(fā)現了中微子震蕩的存在！
關(guān)于中微子的實(shí)驗
1998年，科學(xué)家們曾經(jīng)做過(guò)這樣的實(shí)驗，就是先在一個(gè)地方人工發(fā)射中微子，當這些中微子穿過(guò)250千米厚的地層后，成功地被另一個(gè)探測器檢測到。從發(fā)射到檢測到，時(shí)間間隔只有短短的0.00083秒，并且證實(shí)，檢測到的中微子是來(lái)自人工發(fā)射的那個(gè)方向。
科幻一下，以后要是發(fā)明出中微子通信，那地球兩端的人，就可以利用來(lái)回穿過(guò)地心的中微子打電話(huà)了……
1987年2月23日，幾個(gè)天文臺同時(shí)觀(guān)測到大麥哲倫星云中，1顆叫做‘SN 1987A’的超新星開(kāi)始爆發(fā)。消息公布后，科學(xué)家們馬上檢查埋在地下的中微子探測器，結果發(fā)現，在天文臺發(fā)現超新星爆發(fā)之前，幾個(gè)探測器已經(jīng)提前3小時(shí)捕獲了共24個(gè)來(lái)自超新星的中微子，這其中就有11個(gè)中微子是被超級神岡探測器探測到的。雖然，在這次超新星爆發(fā)中，科學(xué)家總共只捕捉到了區區24個(gè)中微子，但是，科學(xué)家們能根據這個(gè)數量，大體推斷出這次超新星爆發(fā)的規模和其他一些重要情況。自從這次觀(guān)測到超新星的中微子后，又一門(mén)新學(xué)科誕生了，那就是中微子天文學(xué)。我們知道，宇宙中存在大量的星際塵埃，對光有很強的遮擋作用，這讓我們難于探測到遙遠宇宙的奧秘，而中微子呢，它恰好可以穿過(guò)大量物質(zhì)，所以中微子以后能夠為我們帶來(lái)宇宙極深處的信息。
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