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神秘的中微子 “现代物理学所有理论的基石”——爱因斯坦于1905年提出的狭义相对论，正在受到一个“小小的中性粒子”的冲击。这个小家伙就是今天这篇文章的主角——神秘的中微子。 狭义相对论认为，没有任何物质的速度能超过光速。然而假设中微子超光速现象客观存在，那么其意义会非常重大，整个物理学理论体系将因之重建，人类对宇宙如何运转的理解也将改变。 没有电荷，呈电中性，有极强的穿透力，质量非常小，与其他物质只存在弱相互作用，至今我们还不能完全掌握和认识它的特性。 1930年，奥地利著名物理学家沃尔夫冈·泡利在研究原子核放射β粒子的时候发现原子核蜕变前的能量比蜕变之后要大，这个现象与神圣的能量守恒定律相悖。泡利随即提出了相关假说，他认为有一种无法探测到的新的中性粒子带走了那一部分消失的能量。正是这种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去才导致实验中能量守恒定律的失效。 1931年，意大利著名物理学家恩里克·费米在参加罗马会议期间和泡利就这种无法探测的中性粒子进行了讨论。“中微子”这个术语是费米在一次闲谈中提出的，最初只是为了与尚未在实验中探测到的“中子”加以区别。1932年，当真正的中子被发现后，费米将泡利预测的无法探寻到的中性粒子正式命名为“中微子”。1933年，费米在意大利完成了一篇关于β衰变的基础性论文。费米的这篇论文将泡利的假说从定性转变为一个定量的、有超凡预见价值的完备理论，并在理论上肯定了中微子的存在。 中微子由于具有奇异的特性，致使它在物理学上的探索和发展甚是缓慢。在探索中微子的道路上，一位中国物理学家的身影如灯塔一般指引着大家的研究方向，他就是被誉为“中国核武器之父”、“中国原子弹之父”的王淦昌院士。他对中微子早期的研究工作有很大的启示和推动作用。 1930年，就在泡利刚刚提出关于中微子是否存在的假说的时候，王淦昌也正在关注这个问题。当时他还是德国柏林大学的一名研究生。1941年，王淦昌教授完成了一项重要的搭桥工作，他写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章。由于当时国内各学术刊物经费困难，科学技术也相对落后，王淦昌就将这篇探测中微子的实验方案论文寄到了美国，并于1942年1月在《物理评论》上发表。事后证明，正是由于这篇文章的引领和指导作用，人类才会在今天认识到中微子的存在。 1942年6月，王淦昌的论文发表后不久，美国物理学家艾伦开始按照王淦昌的建议做了K电子俘获实验。几年之后，艾伦发表了一篇被认为是该年度甚至是该年代物理学界最重要的论文之一—《一个中微子存在实验证据》，通过实验结果证实了中微子的存在。然而受到当时世界整体科学条件的限制，实验并不是非常成功。王淦昌知道结果后仍不满意，1947年又写了《建议探测中微子的几种方法》发表在《物理评论》上。1952年，艾伦与罗德巴克合作，第一次成功地完成了实验，同一年戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证明一个中子在β衰变过程中产生的中微子不是几个而是一个。 在完成了证实中微子存在的试验之后，进一步的工作就是测量中微子与质子相互作用所引起的反应，直接探测中微子。但是中微子本身的特性决定了探测实验的困难，中微子体积小，运动速度快，与物质的相互作用又弱。所以，直到1956年这项探测试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。整个实验选择在拥有强中微子源的核反应堆进行，选用氢核（质子）作为靶核，同时配备两个容器，容器中则装满了液体闪烁计数器，这种计数器的特点就是每来一个射线就会发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的 频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。这项伟大的实验，最终让莱茵斯于1995年获得了诺贝尔物理学奖。 中微子的研究在粒子物理学乃至整个物理学中都占有极其重要的地位。针对中微子的研究成果已经摘得至少三次物理学界中的最高荣誉——诺贝尔物理学奖！随着物质显微镜以及高能加速器、对撞机的发展，现在我们已经能够知道中微子家族有三个成员，它们分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子。每种中微子的发现时间至少间隔20年，这是由于它的特殊性及科技发展的程度所决定的。粒子的波长是与同粒子的速率成反比的，唯一探寻粒子的途径就是提高被探测粒子的速率，所以我们只能不断制造更高能的物质显微镜来满足我们对认识微观世界的求知欲。源自于宇宙大爆炸、超新星爆发和宇宙中其他物理过程所残留下来的中微子充斥着整个宇宙，我们周围到处都有它的身影，其具体数值是每立方厘米100个左右。我们的每一举手投足之间，都有成万上亿个中微子越过我们的眼睛，透过我们的身体，甚至穿过地球。 通过许多顶尖的物理学家对中微子家族半个多世纪的研究，我们认识了许多关于中微子的性质、运动变化规律，但这仅仅是茫茫大海中为数不多的几朵浪花而已，关于它的许多问题仍然困扰着全球最顶级的物理学家们，有待于他们去探索和研究。比如中微子的质量问题到底是怎么回事？反中微子是中微子本身还是一种新粒子？有没有右旋中微子？中微子的速度与光速相比到底是快是慢？这些谜正是将微观世界与宏观世界联系起来的重要环节。倘若中微子的研究领域有所突破，相信对我们真正了解宇宙会有关键性的帮助。 对中微子的研究，不仅在高能物理和天体物理中具有重要的意义，而且在我们的日常生活中也有现实意义。比如中微子通讯，由于中微子可以自由、快速且基本无耗地穿透地球，那么将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点间进行通讯联系，从而无需昂贵而复杂的卫星或微波站。又如利用高能中微子束对地层进行CT扫描，可对深层地层的未知世界进行勘探。 我们坚信，随着科学技术水平的不断提高，科学装备逐步精良，在不久的将来，人们对中微子必定会有更深入的了解和应用。到那个时候，或许一切关于宇宙的奥秘和地球的谜团都将得到合理的解释，而人类也将真正打开一个完全未知的新世界。 |
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