對(duì)于“我們?yōu)楹未嬖谟谟钪妗边@一問(wèn)題，如果我告訴大家“這一切可能與中微子有關(guān)”，大部分人可能會(huì)一頭霧水，甚至有人會(huì)很驚訝，覺(jué)得我在胡說(shuō)八道。
其實(shí)，隨著對(duì)中微子研究的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)它具有非常不可思議的性質(zhì)，甚至可能與暗物質(zhì)及宇宙暴脹存在密不可分的關(guān)系。我們能夠在宇宙中誕生可能也是中微子的眷顧和饋贈(zèng)。
大亞灣中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置（圖片來(lái)源：環(huán)球科學(xué)）
首尾相接的“宇宙之蛇”
在進(jìn)入正題之前，讓我們先來(lái)思考一下宇宙的大小。我們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂玫奈锲?，例如筆記本、鋼筆等文具，長(zhǎng)度大概只有十幾厘米，而我們的身高最多也只有幾米。隨著尺寸的不斷擴(kuò)大，車(chē)站、百貨商店等建筑可高達(dá)數(shù)十米，東京塔、東京晴空塔等建筑則可高達(dá)數(shù)百米。像富士山和珠穆朗瑪峰這樣的高山海拔可高達(dá)數(shù)千米。此外，地球的直徑約為 1.3 萬(wàn)千米，地球與太陽(yáng)之間的距離約為1.5 億千米，太陽(yáng)與海王星之間的距離約為 45 億千米。像這樣，表示大小的數(shù)字在不斷增大。
當(dāng)然，宇宙更加遼闊。太陽(yáng)系的外側(cè)是浩瀚的銀河系，銀河系的外側(cè)則遍布著以仙女座星系為代表的諸多星系，它們共同聚集構(gòu)成了星系團(tuán)。如果照此擴(kuò)大觀察的尺度，可以說(shuō)宇宙是無(wú)邊無(wú)際的。由于大爆炸產(chǎn)生的光能傳播的最遠(yuǎn)距離大約為 10^27 米，因此我們尚不了解超出這個(gè)距離之外的情況。不過(guò)，我們已經(jīng)把宇宙的可知范圍擴(kuò)大到了比筆記本和鋼筆的尺度大 29 個(gè)數(shù)量級(jí)的程度?？梢哉f(shuō)這種尺度的宇宙是非常巨大的。
不過(guò)，隨著對(duì)宇宙研究的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)除了大的物體以外，微小的物質(zhì)同樣至關(guān)重要。如果把筆記本和鋼筆的尺寸再繼續(xù)縮小，就會(huì)進(jìn)入原子、原子核、基本粒子的微觀世界。雖然現(xiàn)在的宇宙大到讓我們無(wú)法想象，但如果時(shí)光能夠倒流，宇宙就會(huì)不可思議地不斷縮小。另外，我們發(fā)現(xiàn)宇宙在剛誕生的時(shí)候，是非常微小且熾熱的。因此，要想查明宇宙如何誕生、如何演變?yōu)楝F(xiàn)在的模樣，我們還必須了解微小的世界。
為了真正理解無(wú)比巨大的宇宙，竟然得去研究微小的基本粒子世界，這真是太有趣了。我不禁想起了希臘神話中的銜尾蛇。這條蛇在吞食自己的尾巴時(shí)，軀體會(huì)呈現(xiàn)為圓環(huán)狀，它仿佛象征著和諧的宇宙。如果將蛇頭比作整個(gè)宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微觀世界就可以像銜尾蛇吞食著自己的尾巴那樣銜接在一起（圖 1-1）。宇宙與基本粒子之間仍然存在很多未解之謎，世界上許多研究者都對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。
圖1-1 銜尾蛇與和諧的宇宙 （在希臘神話中出現(xiàn)的銜尾蛇會(huì)吞噬自己的尾巴。我認(rèn)為我們的世界也是這樣的結(jié)構(gòu)，即宏大的宇宙與微小的基本粒子銜接在一起）
未知的“黑暗樂(lè)園”
宇宙究竟由什么構(gòu)成，其實(shí)我們尚未完全了解。2003 年，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射的觀測(cè)衛(wèi)星“威爾金森微波各向異性探測(cè)器”（WMAP）成功測(cè)得了宇宙的能量明細(xì)。聽(tīng)起來(lái)我們似乎已經(jīng)搞清楚了宇宙的成分，然而事實(shí)并非如此。只要提起宇宙，我們就會(huì)想到璀璨的繁星和絢爛的星系，然而它們的總量?jī)H占整個(gè)宇宙的0.5% 左右。此外，在本書(shū)后文中即將為大家介紹的中微子，在宇宙中所占的比例為 0.1% ～1.5%，也屬于宇宙中的少數(shù)派，甚至連由構(gòu)成我們身體的原子所構(gòu)成的所有物質(zhì)也僅占整個(gè)宇宙的 4.4% 左右。即使將以上所有物質(zhì)都加在一起，其占比也僅為宇宙整體的 5%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到 100%。
世間萬(wàn)物都由原子構(gòu)成，這是我們?cè)趯W(xué)校學(xué)到的知識(shí)。但是，宇宙中的原子總量甚至不到宇宙整體的 5%，所以這句話其實(shí)是完全錯(cuò)誤的。我真希望涉及這部分內(nèi)容的教科書(shū)能夠盡早得到修訂。以前，我們一直認(rèn)為物質(zhì)是宇宙的全部，然而物質(zhì)在宇宙中只是微不足道的少數(shù)派。
那么，其余的大部分是什么呢？對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)目前這仍是未解之謎。WMAP 的觀測(cè)結(jié)果顯示，暗物質(zhì)占宇宙能量總體的 22% 左右，暗能量則為 72% 左右。雖然物質(zhì)與這兩部分相加后，可以在比例上圓滿地湊成 100%，但我們尚不了解暗物質(zhì)和暗能量究竟是什么。我們只不過(guò)是給未知的神秘物質(zhì)和能量起了臨時(shí)的名字罷了（圖 1-2）。
不過(guò)，暗物質(zhì)這種不可思議的物質(zhì)，與恒星及星系的誕生和演化等問(wèn)題存在密不可分的關(guān)系，也與“我們?yōu)楹未嬖谟谟钪妗敝i息息相關(guān)。中微子的“親戚”被認(rèn)為是暗物質(zhì)的有力候選者之一。另一方面，暗能量則與宇宙的未來(lái)密切相關(guān)。雖然現(xiàn)在人類(lèi)已經(jīng)證實(shí)宇宙正在不斷膨脹，但不久前我們還一直認(rèn)為宇宙的膨脹速度是在逐漸減緩的。然而研究發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹速度竟然在不斷加快。我們認(rèn)為這很有可能是暗能量造成的。
圖1-2 宇宙的能量結(jié)構(gòu) （正常物質(zhì)約占宇宙整體的5%，宇宙的其余部分仍是未解之謎，圖中比值均為近似值）
宇宙中充滿了中微子
從宇宙的構(gòu)成要素來(lái)看，中微子僅占宇宙整體能量的0.1% ～1.5%，它在整個(gè)宇宙中似乎沒(méi)有什么存在感。但是，如果從其他角度來(lái)看結(jié)果會(huì)如何呢？前文從能量的角度分析了宇宙的構(gòu)成，接下來(lái)就讓我們從粒子數(shù)量的角度進(jìn)行比較吧。
雖然暗物質(zhì)的能量約占宇宙總能量的四分之一，但從粒子的數(shù)量來(lái)看，每立方厘米的空間中僅包含大約千萬(wàn)分之一個(gè)暗物質(zhì)粒子。然而在相同大小的空間內(nèi)，中微子的數(shù)量卻多達(dá) 300 個(gè)。
如果要統(tǒng)計(jì)構(gòu)成物質(zhì)的粒子的數(shù)量，那么中微子就是宇宙中數(shù)量最多的粒子。構(gòu)成我們身體的質(zhì)子、中子和電子等粒子僅占中微子數(shù)量的十億分之一。其實(shí)，宇宙中充滿了中微子。每立方厘米的空間內(nèi)包含 300 個(gè)中微子，這意味著在宇宙的任何角落都存在中微子。而且，太陽(yáng)等恒星還會(huì)不斷生成大量的中微子，每秒都有數(shù)百萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)我們的身體。盡管如此，但我們卻全然不知，這究竟是為什么呢？
圖1-3 粒子的數(shù)量 （與遍布于宇宙中的其他粒子相比，光子和中微子在數(shù)量上具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)）
其實(shí)，中微子是一種十分“靦腆”的粒子。我們要想發(fā)覺(jué)某個(gè)地方存在粒子，就需要粒子能對(duì)力產(chǎn)生反應(yīng)。由于質(zhì)子和中子能對(duì)引力產(chǎn)生反應(yīng)，所以只要它們與其他粒子發(fā)生碰撞，我們就能注意到它們的存在。但是，中微子對(duì)引力和電磁力都不能產(chǎn)生反應(yīng)，所以它可以肆無(wú)忌憚地穿過(guò)我們的身體而不被發(fā)覺(jué)。
那么，我們?cè)鯓硬拍塬@知中微子的存在呢？最簡(jiǎn)單的方法就是放置大量物質(zhì)。即便是同一個(gè)車(chē)站的站臺(tái)，在早高峰時(shí)段和白天的低峰時(shí)段也會(huì)呈現(xiàn)出不同的景象。早高峰時(shí)段車(chē)站內(nèi)人山人海，我們常常會(huì)陷入內(nèi)心焦急卻寸步難行的窘境。有時(shí)人潮過(guò)于擁擠，即使很注意腳下也難免會(huì)撞到他人。
同樣，假如在某處放置大量物質(zhì)，應(yīng)該偶爾會(huì)有一兩個(gè)中微子 “啪”地撞上來(lái)。如果我們要嘗試捕捉來(lái)自太陽(yáng)的中微子，那么需要放置多少鉛塊才可以讓中微子與其發(fā)生碰撞呢？計(jì)算顯示，只有把鉛塊堆積至 3 光年左右的厚度，才能確保中微子與其發(fā)生一次碰撞。3 光年是指光以每秒 30 萬(wàn)千米的速度傳播 3 年所經(jīng)過(guò)的距離，幾乎相當(dāng)于太陽(yáng)與離它最近的恒星之間的距離。地球上不存在數(shù)量如此龐大的鉛，即使存在，人類(lèi)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模如此巨大的堆積作業(yè)。中微子如此靦腆，又罕見(jiàn)地不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這種如同幽靈般的基本粒子讓人無(wú)法知曉它的存在。
探索原子的世界
我們自身和周邊的所有物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。通過(guò)對(duì)原子的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)原子由位于原子中心的原子核和圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子構(gòu)成。因此，經(jīng)常有人用太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu)類(lèi)比原子的結(jié)構(gòu)。
人類(lèi)從19 世紀(jì)90 年代后期開(kāi)始逐漸了解原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1897 年，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆森發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向幾乎處于真空狀態(tài)的、類(lèi)似于熒光燈的玻璃管兩端施加高電壓時(shí)，由此產(chǎn)生的陰極射線其實(shí)是一種微小的粒子。他將這種粒子命名為電子。
除了陰極射線這樣的放電現(xiàn)象之外，人類(lèi)還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了高溫物體放電和光電效應(yīng)（光照射到金屬上釋放出電子）等現(xiàn)象，從而認(rèn)識(shí)到在原子內(nèi)部還存在電子。電子是帶負(fù)電的微小粒子。由于原子基本都呈現(xiàn)電中性，因此我們推斷原子內(nèi)部一定存在某種帶正電的物質(zhì)。關(guān)于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究者提出了以下兩種假說(shuō)。
第一種是葡萄干蛋糕模型。該假說(shuō)認(rèn)為電子就像葡萄干一樣被揉進(jìn)了原子這塊蛋糕里，并均勻地散落其中。第二種是太陽(yáng)系模型。該假說(shuō)認(rèn)為電子如同太陽(yáng)系的行星一般圍繞著帶正電的原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種模型產(chǎn)生了極大的對(duì)立，直到1911 年才分出勝負(fù)。
英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福在利用α 射線轟擊金箔時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分α 粒子會(huì)徑直穿過(guò)金箔，偶爾會(huì)有少數(shù)α 粒子像被反彈一樣發(fā)生很大角度的偏轉(zhuǎn)。α 射線其實(shí)就是氦原子核，所以它比電子重，并且?guī)д?。通過(guò)盧瑟福的實(shí)驗(yàn)我們可以推斷，雖然原子內(nèi)部幾乎空無(wú)一物，但在其正中心存在一個(gè)類(lèi)似于芯的原子核，即太陽(yáng)系模型是正確的（圖1-4）。
此外，1919 年盧瑟福利用α 射線轟擊氮?dú)?，成功?shí)現(xiàn)了氮原子向氧原子的轉(zhuǎn)變，并由此發(fā)現(xiàn)了帶正電的新粒子——質(zhì)子。這一發(fā)現(xiàn)也表明，原子核中帶正電的物質(zhì)為質(zhì)子。
圖1-4 太陽(yáng)系模型（當(dāng)用α射線轟擊金箔時(shí)，大部分α粒子會(huì)徑直穿過(guò)金箔，只有少數(shù)α粒子被彈回。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，原子正中心存在一個(gè)原子核，并且電子圍繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)）
消失的能量
在原子模型實(shí)驗(yàn)稍早之前的1896 年， 法國(guó)物理學(xué)家安東尼·亨利·貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象。1898 年，盧瑟福通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射線共有三種類(lèi)型，并將其分別命名為α 射線、β射線和γ 射線。經(jīng)過(guò)更深入的研究，他發(fā)現(xiàn)β 射線實(shí)際上就是電子束。
然而，β 射線的進(jìn)一步研究帶來(lái)了新的問(wèn)題，即與釋放β 射線之前相比，釋放β 射線后總能量竟然變少了。我們?cè)趯W(xué)校學(xué)過(guò)物理學(xué)中最基本的法則——能量守恒定律，該定律認(rèn)為反應(yīng)前的所有能量之和與反應(yīng)后的總能量是相等的。
但是，釋放β 射線的β 衰變卻違背了能量守恒定律，β 衰變后的總能量減少，一部分能量不知所終。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家對(duì)此也感到十分疑惑，誰(shuí)也不知道為什么會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象。就連奠定了量子力學(xué)基礎(chǔ)的著名物理學(xué)家尼爾斯·玻爾也曾這樣說(shuō)：“原子核太微小了，那個(gè)層級(jí)的世界可能超出了我們的想象?；蛟S在那個(gè)世界里能量并不是守恒的。”
泡利的預(yù)言
在這種懸而未決的狀況下，僅有一人對(duì)此持有不同觀點(diǎn)，他就是沃爾夫?qū)?泡利。泡利提出了一種假說(shuō)， 認(rèn)為在β 衰變的過(guò)程中，雖然總能量看上去確實(shí)變少了，但這只是表面現(xiàn)象，能量肯定是守恒的，減少的能量一定以其他形式遵循了能量守恒定律。
泡利在此表達(dá)的意思，其實(shí)是說(shuō)可能存在一種不可見(jiàn)的粒子。雖然釋放β 射線前后能量看似不守恒，但其實(shí)是在該過(guò)程中產(chǎn)生的某種看不見(jiàn)的粒子帶走了部分能量，所以會(huì)造成一種總能量減少了的錯(cuò)覺(jué)。
今天，我們認(rèn)為泡利的假說(shuō)具有劃時(shí)代的意義，然而在當(dāng)時(shí)，這一假說(shuō)簡(jiǎn)直就是打破常規(guī)和禁忌的“瘋言瘋語(yǔ)”。不過(guò)，通過(guò)假設(shè)存在一種全新粒子來(lái)解釋這種不可思議的現(xiàn)象，也許真的行得通。但是，如果沒(méi)有足夠的依據(jù)，這樣的假說(shuō)是不會(huì)得到普遍認(rèn)可的。在當(dāng)時(shí)，大家也的確沒(méi)有對(duì)泡利的假說(shuō)給予積極的評(píng)價(jià)。
泡利本人似乎也預(yù)料到自己的假說(shuō)會(huì)遭受抨擊，于是申辯道：“其實(shí)，構(gòu)想新粒子是一種迫不得已的解釋?！彪m說(shuō)提出“不可見(jiàn)粒子”的構(gòu)想也無(wú)妨，但泡利也許由此感到內(nèi)疚和心虛了吧。據(jù)說(shuō)，他還在發(fā)言中宣稱(chēng)：“我愿意以一箱香檳作賭注，打賭人類(lèi)無(wú)論如何努力，也無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中捕捉到這種粒子?！保▓D1-5）
圖1-5 泡利的賭注 （泡利雖然預(yù)言到了中微子的存在，但他相信人類(lèi)無(wú)法發(fā)現(xiàn)這種粒子，并為此賭上了一箱香檳）
在確立這一假說(shuō)時(shí)，泡利為這種不可見(jiàn)的粒子起了名字。由于他預(yù)想到該粒子呈電中性，所以稱(chēng)其為“中子”。但是，在泡利提出這一假說(shuō)兩年后的1932 年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)，除了質(zhì)子以外，原子核中還存在另一種粒子。由于這種粒子也呈電中性，所以查德威克也將其命名為中子。當(dāng)時(shí)并沒(méi)有商標(biāo)注冊(cè)之說(shuō)，因此，雖然“中子”這一名稱(chēng)最早是由泡利提出的，但卻被實(shí)際發(fā)現(xiàn)了新粒子的查德威克占用了。
大家可能會(huì)認(rèn)為，尚未發(fā)現(xiàn)的粒子即使沒(méi)有名字也沒(méi)什么關(guān)系吧。然而，有一個(gè)人卻因此感到十分苦惱，他就是為這個(gè)不可見(jiàn)新粒子理論而絞盡腦汁的意大利物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米。
恩利克·費(fèi)米想研究泡利預(yù)言的粒子并撰寫(xiě)論文，但該粒子卻意外地失去了名字，這讓他束手無(wú)策。于是，他決定給這種粒子起一個(gè)新名字。經(jīng)過(guò)一番思考后，他想出了“中微子”（neutrino）一詞?！爸凶印痹谟⒄Z(yǔ)中寫(xiě)作“neutron”。費(fèi)米在該單詞之后加上詞尾ino（在意大利語(yǔ)中意為“小不點(diǎn)”），就變成了“中微子”（neutrino）。大家可能知道， 意大利人把嬰兒稱(chēng)為“bambino”?！爸形⒆印保╪eutrino）這個(gè)名字的意思是像中子那樣“呈電中性且極其微小的粒子”。日語(yǔ)中曾將其譯為“中性微子”，不過(guò)現(xiàn)在直接稱(chēng)其為neutrino（用片假名ニュートリノ表示）。
核電站中的“幽靈”
雖然泡利預(yù)言的不可見(jiàn)粒子圓滿地得到了“中微子”這個(gè)名字，但是尋找該粒子的工作異常艱辛。難怪當(dāng)時(shí)連泡利自己都認(rèn)為，無(wú)論做多少實(shí)驗(yàn)都可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)這種粒子。畢竟中微子是非常靦腆的粒子，所以捕捉這種粒子的難度非常大。
但是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家是非常了不起的，美國(guó)的弗雷德里克·萊因斯和克萊德·科溫通過(guò)不懈努力，在實(shí)驗(yàn)中成功發(fā)現(xiàn)了中微子（圖1-6）。
圖1-6 中微子的發(fā)現(xiàn)者 萊因斯（左）與科溫（右）
首先，他們二人思考了如何才能捕捉到中微子。由于中微子的預(yù)言源自β 衰變，他們想到或許可以在核試驗(yàn)基地附近開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。但是，經(jīng)過(guò)商討后他們認(rèn)為那里過(guò)于危險(xiǎn)，最終決定換成在核電站附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
我曾多次提到，中微子是一種幾乎可以穿透任何物質(zhì)的幽靈般的粒子。因此，萊因斯和科溫為用來(lái)探尋中微子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備起了“鬼驅(qū)人”（Poltergeist）這個(gè)名字。雖然不確定這個(gè)名字起得是否妥當(dāng)，但他們的確在1954 年首次發(fā)現(xiàn)了中微子存在的證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)中微子后，萊因斯和科溫立即興奮地給泡利發(fā)去電報(bào)：“我們捕獲中微子啦！”據(jù)說(shuō)泡利得知消息后也兌現(xiàn)了自己的承諾，真的送給他們一張能購(gòu)買(mǎi)一箱香檳的支票。從泡利發(fā)表中微子的假說(shuō)，到實(shí)際發(fā)現(xiàn)該粒子，這期間歷經(jīng)了24 年的漫長(zhǎng)歲月。
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