[时事资讯] 诺奖揭秘：每1秒钟就会有1万亿个中微子穿过你的身体

-->

10月6日，瑞典皇家科学院宣布，日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟-麦克唐纳，他俩因为发现中微子震荡而获得2015年度诺贝尔物理学奖！

图为阿瑟-麦克唐纳。

对于不少人来说，因为平时工作忙，没时间关心，对中微子不是很了解，更别提中微子震荡了。恰好在下以前看过大量关于中微子的资料，今天寒木就来详细说说。

中微子是什么

中微子，中微子，名字中既然有一个“子”，这说明它是一种小粒子；同时它还有一个“中”字，说明它跟我们熟悉的中子一样，也不带电，中性的；还有一个‘微’字，说明中微子非常非常小，比中子电子还要小得多得多，甚至于，以前的科学家们还认为中微子是没有质量的。只是后来，人们才认为，中微子是有质量的，但非常非常小，有点接近零。也正因为这样，中微子非常神奇，它的速度非常快，不到1秒钟，它就能穿过地球。

别说地球，它甚至能穿过太阳。太阳每分每秒都在产生大量的中微子，平均每秒钟，会有好多万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。

中微子怎么发现的

既然中微子嗖一下就穿过了地球，穿过我们每个人的身体，怎么去抓住它？抓不住它，你又怎么证明存在中微子这种粒子？

事实也是如此，当初，中微子只是一种推测出来的粒子而已。而这里面，故事还挺有趣。

话说，好几十年前，全世界的物理学家们被一个问题深深地困扰着，这就是‘贝塔衰变’中能量不守恒的问题。

贝塔衰变很好理解，咱们以碳元素为例。碳元素排在第六位，通常它的原子核里面有6个质子和6个中子，可是呢，有的碳原子核里面却有8个中子，6加上8等于14。所以，咱们把这类原子叫做碳14。

碳14很神奇，它们会向外发射电子。原来呀，碳14的原子核很不稳定，它里面的某个中子有变身术，会变成1个质子加上1个电子！

这下就好玩了，你想呀，原子核里面的1个中子变成质子和电子后，那原子核里面岂不是会多出一个质子？既然质子多了1个，那它就不能再是碳元素了，它变成了氮元素，因为氮元素排行老七。

早在100多年前，对于碳14的这种现象，被当时的科学家们称为——贝塔衰变！

说完了贝塔衰变，咱们再来说说能量不守恒又是啥情况。

还是拿碳14来举例，碳14发生贝塔衰变的时候会放出能量，而能量由电子带走，所以贝塔衰变时，会发射电子。按道理，电子具有多少能量应该是固定的，可奇怪的是，就算是完全相同的几个碳14原子，它们发生衰变时，发射出来电子，能量竟然不一样。

咱们来打个比方，有几把完全一样的手枪，当然，手枪子弹也是完全一样的。可现在呢，朝相同的方向射击，有一把手机能把子弹射到300米远的地方，有一把呢，只能射到270米的地方，还有一把更可怜，只能射到250米远的地方。你们说这奇怪不奇怪？

为什么子弹射程不一样？

是不是有的子弹，弹药比较少，有的比较多？是不是每个碳14都不一样？

但是，你怎么证明两粒碳14不一样？无法证明，所以，所有的碳14是一模一样的！

怎么办？

面对这个问题，当时的科学家们可是伤透了脑筋，不管怎么折腾，总是找不到原因。搞到最后，实在实在是没办法了，当时的著名科学家波尔只好说，我猜，能量守恒定律可能不是正确的。至少在微观世界，能量守恒定律是不通用的。

图为波尔。

这下，波尔可是栽了个跟斗，闹了笑话。因为能量守恒定律是我们这个宇宙的法则，它还从没失效过。如果为了解释小小的贝塔衰变，就轻易推翻能量守恒定律，那这代价也太大了。所以，很多科学家对波尔的这种解释很别扭。尤其是那个叫泡利的科学家，他非常不爽，因为泡利这人是个极度追求完美的人。可是呢，不爽归不爽，他一时也找不到别的解释。

图为泡利。

后来，物理学家们决定召开一个会议，共同商讨这个当时物理学上最大的谜题。而泡利本来是要参加的，可是最后，他临时有一个舞会，而且他说，无论如何他不能缺席这个舞会。就算不能参加，泡利也想发表自己的看法，所以在1930年12月4日这一天，他写了一封信给参加会议的人，这是一封名垂青史的信，在信上，泡利说“我有一个置之死地而后生的想法，为了确保能量守恒定律的正确性，我认为在贝塔衰变的过程中，除了发射出电子外，还有一种神秘的看不见的粒子，就是这种粒子带走了部分的能量……”。1931年的时候，他又一次在物理学大会上提出并修正了他的看法。他说：“这种粒子是不带电的，没有质量的，也是不与任何物质发生作用的，所以我们是探测不到的。”

现在我们已经知道，泡利说的这种神秘粒子，其实就是中微子。

但是作为严谨的科学家，泡利有自知之明，他猜测存在中微子这种粒子后，顿时亚历山大，甚至有点后悔。

为什么呢？

因为泡利预言存在中微子，可是中微子无论如何是不能被观测到的，那这几乎等于没说。因为我们可以随意套用这种预言，比如，寒木也可以预言，咱们每个人的肚子里面都长着一棵树，可是无论如何我们是看不到这棵树的，就算钻到肚子里面也看不见。所以，泡利意识到自己犯下了一个非常大的错误，他感到很郁闷，为此，他自己也这样承认，向别人写信：“我做了件糟糕的事，我预言了一种无法观测到的粒子……”

泡利是个很可爱的科学家，他不但对自己要求严格，对别人也要求很严，同时说话很刻薄，他总是喜欢给别的物理学家挑刺，而且不留情面。泡利的这种完美主义是出了名的。一次，他看了一位年轻的物理学家写的一篇论文后，评价说“这论文不只不正确，它甚至连错误都算不上”。还有一次，一个意大利物理学家做完报告，准备离开会议室时，泡利对他说“我从来没听过这么糟糕的报告。”，泡利说完后，他又突然回过头，对瑞士的一个物理化学家说“我想如果你做这次报告的话，情况可能会更糟糕。”

还有一次，泡利想去一个地方，但不知道怎么走，一位同事告诉了他。后来这位同事问他那天是否找到了想去的地方，泡利不仅没有表达谢意，反而讽刺说“在不谈论物理学的时候，你的思路总是很清晰。”

你看，既然泡利对别人都这样，那他对自己就更严了。所以泡利预言存在不能被观测到的中微子后，他的苦恼是可以理解的。

泡利是1958年去世的，在他去世的前两年，也就是1956年，泡利终于可以扬眉吐气了，因为美国科学家莱因斯和柯温探测到了中微子存在的证据，这让莱因斯在1995年获得了诺贝尔物理学奖，而柯温呢，因为他已去世多年，所以没有获奖。

泡利按理也应该获奖，但他老人家早在1945年的时候就把诺贝尔物理学奖拿到手了。

太阳中微子消失之谜

说完了证实中微子确实存在的证据后，科学家们的信心更足了，其中就有一个雄心勃勃的美国科学家，名叫戴维斯。他准备在地下1500米深处探测那些从太阳发射出来的中微子。

中微子穿透力超强，不到一秒的功夫，就把整个地球给穿过去了。怎么探测？别急，中微子并不是从来不跟任何物质发生发应，它还是会跟某些特殊的原子发生反应，比如氯原子和氢原子，只是非常少而已，100亿个穿过地球的中微子中，大约会有一个中微子与物质发生碰撞。

100亿中只有1个，这也太少了，但是别忘了，宇宙中所有的恒星还有地球上各种核电站无时无刻不在产生中微子，所以中微子非常非常的多，平均每秒钟就会有1万亿个中微子穿过我们每个人的身体，中微子是宇宙中数量最多的粒子之一，茫茫的宇宙空间中，大约每立方厘米的体积内就有300个中微子。

那么，戴维斯为什么非要在地下1500米深处探测中微子呢？在地上不挺好？

因为地面上有大量的来自宇宙空间的射线，这些射线会干扰实验。所以，咱们国家大亚湾的那个中微子探测装置同样也是设在大山里面，为的是让厚厚的岩石挡住各种射线。

戴维斯的实验是这样的：

他将615吨四氯乙烯液体灌入地下1500米深处的一个大池子里，然后数十年如一日地等待中微子的降临。根据天体物理学家对太阳的认识，经过严密计算太阳发射中微子的数量情况，戴维斯得出结论，他那个装满四氯乙烯的大池子每天应该能捕获一个中微子。然而，经过多年的观察，平均下来，他四天才能逮着一个。其余的中微子跑哪去了？当时，也就是1968年左右，科学家们很困惑，要么是戴维斯的实验不精确，要么是天体物理学家们对于太阳的认识有错误。戴维斯一年又一年不断地完善实验，最终结果还是一样。

戴维斯说，我的实验没问题。

言下之意是，太阳中微子消失之谜，责任不在我，可能在天体物理学家的头上。

可是呢，天体物理学家们也很委屈，他们算啊算啊，计算了好多遍，最终还是坚定地说：我们对太阳模型的计算绝对没有错！

奇怪了，既然谁都没有错，那到底谁错了呢？这就是著名的“太阳中微子消失之谜”。

戴维斯不管那么多，还是常年在那1500米深的金矿里干着捕捉中微子的伟大事业，他这一干就是30年。在这30年中，他总共才探测到大约2000个中微子。

后来呢，在日本的神冈，同样也有一个大型中微子探测器，叫超级神冈探测器，由一个叫小柴昌俊的日本科学家负责领导。经过多年的实验，小柴昌俊他们也发现，确实存在中微子消失的现象。

哦，原来这不怪戴维斯，因为两个探测器都同时证明了中微子消失的现象。那么，为什么会有一部分中微子消失呢？1998年的时候，这个谜题终于被解开了，因为在这一年，超级神冈探测器证明了中微子具有一种神奇的本领——中微子在飞行的途中会变身！就像悟空能变成一只小猪一样。

中微子家族有三兄弟，这三兄弟分别叫“电子中微子”、“陶中微子”、“缪中微子”。这三种中微子在飞行的途中会互相变化，飞一会儿，你变成我，再飞一会儿，我又变成你。它们总是变来变去的，这种现象就叫做中微子振荡。

中微子振荡示意图。

太阳中微子消失之谜解开了。戴维斯那个老旧的中微子探测器，只能探测到电子中微子，而其它的两种是探测不到的。也就是说，当电子中微子飞到地球上后，摇身一变，成了缪子中微子后，探测器就探测不到了，所以，并不是中微子消失了，而是它变成了另一种当时还没有能力探测的其它中微子而已。戴维斯没有错，天体物理学家对太阳的计算也没有错。为了表彰戴维斯和小柴昌俊在中微子研究上的贡献，瑞典皇家科学院宣布，戴维斯和小柴昌俊同获2002年诺贝尔物理学奖。

图为小柴昌俊。

梶田隆章

上文咱们说了，超级神冈探测器由小柴昌俊负责领导，而今年获诺贝尔奖的梶田隆章恰好受业于小柴昌俊。

小柴昌俊曾经说：“在继承我衣钵的弟子当中，有2人足以获得诺贝尔奖”。这里的两人，其中一个就是指梶田隆章，而今年，2015年，梶田隆章果然就获奖了。

梶田隆章的获奖理由是：预言并发现了中微子震荡的存在！

图为梶田隆章。

关于中微子的实验

1998年，科学家们曾经做过这样的实验，就是先在一个地方人工发射中微子，当这些中微子穿过250千米厚的地层后，成功地被另一个探测器检测到。从发射到检测到，时间间隔只有短短的0.00083秒，并且证实，检测到的中微子是来自人工发射的那个方向。

科幻一下，以后要是发明出中微子通信，那地球两端的人，就可以利用来回穿过地心的中微子打电话了……

1987年2月23日，几个天文台同时观测到大麦哲伦星云中，1颗叫做‘SN 1987A’的超新星开始爆发。消息公布后，科学家们马上检查埋在地下的中微子探测器，结果发现，在天文台发现超新星爆发之前，几个探测器已经提前3小时捕获了共24个来自超新星的中微子，这其中就有11个中微子是被超级神冈探测器探测到的。虽然，在这次超新星爆发中，科学家总共只捕捉到了区区24个中微子，但是，科学家们能根据这个数量，大体推断出这次超新星爆发的规模和其他一些重要情况。自从这次观测到超新星的中微子后，又一门新学科诞生了，那就是中微子天文学。我们知道，宇宙中存在大量的星际尘埃，对光有很强的遮挡作用，这让我们难于探测到遥远宇宙的奥秘，而中微子呢，它恰好可以穿过大量物质，所以中微子以后能够为我们带来宇宙极深处的信息。
图为超新星SN 1987A。
图为1054年发生的一次超新星爆发后的遗迹，我国宋朝的天文学家记录了这次天文事件。
图为正在注水的超级神冈探测器。

图为注满水的超级神冈探测器。

图为设在南极洲的“冰立方”中微子探测器示意图。

图为冰立方地面实验室。

图为，一个小探测仪正在缓缓放入钻好的冰立方的冰洞中。