主講人：邢志忠
大家好！歡迎來到「小粒子大宇宙」系列課程。
這裡是中國科學院高能物理研究所，我是邢志忠。
這次科學公開課，我們大家一起來學習和探討一種神秘的基本粒子，它們的名字叫做中微子。顧名思義，中微子就是電中性的微小粒子。很多同學可能從來沒有聽說過中微子，但是我相信，很多同學應該聽說過薛丁格的貓。其實中微子和薛丁格的貓有很多相同之處，它們都和量子力學有非常緊密的關係。
首先，我們看一看什麼是薛丁格的貓。大家知道，薛丁格的貓是奧地利物理學家、量子力學的創始人之一薛丁格在1935年提出的一種假想實驗。什麼是假想實驗呢？就是你不需要在實驗室做真正的實驗，而是發揮你的想像力來假想一個物理過程。大家都知道，知識就是力量。但是愛因斯坦曾經說過：「Imagination is more important than knowledge」（想像力比知識更重要）。現在我們就像薛丁格那樣發揮自己的想像力，做一個薛丁格的貓的實驗。假設有一個封閉的盒子，裡面放進去一隻活貓，再放進去一瓶毒藥，然後放入一种放射性原子。放射性原子的用途就是為了打開毒藥的瓶子，這樣毒藥就可能毒死貓。同學們可能會好奇，為什麼要選擇放射性原子，而不是普通的開關？因為放射性原子不穩定，它們會分解，或者說會衰變。我們利用放射性原子的衰變作為開關就有它的好處。什麼好處呢？我們不知道這種原子什麼時候會衰變，所以就具有了不確定性。如果你打開了盒子發現貓還活著，就說明這種原子還沒有開始衰變；如果你發現貓已經死了，那毫無疑問原子已經衰變，打開了毒藥瓶。但是如果你沒有打開這個盒子，你就不知道貓是死是活，這時候貓就處在兩種可能的狀態：要麼死、要麼活，我們就把這種狀態叫做量子疊加態。也就是說，在你沒有打開盒子的時候，貓處在半死不活、不知死活的狀態。所以這種不確定性恰好就反映了量子力學非常令人困惑又非常令人著迷的一面。但是大家都知道量子力學是對的，它是描述微觀物理規律最成功的理論之一。
然後我們再看中微子，中微子和薛丁格的貓非常像，也具有量子屬性。中微子有三種不同的類型，它們在空間傳播的過程中，一種類型會轉化成另外一種類型。現在打個比方，一種類型的中微子是灰顏色的貓，另外一種類型的中微子是黃顏色的貓。當你通過實驗製備出這樣一種中微子束流，你在什麼地方來測量它就成了問題的關鍵。如果你選的地方合適，你發現中微子還是原來的類型，灰貓還是灰貓。如果你選的地址不合適，你可能就會發現灰貓已經變成了黃貓。那麼在不同的地點，甚至有可能中微子就是灰貓和黃貓的疊加態。所以從這一點來說，中微子的行為就和薛丁格的貓非常類似。我們做實驗，其實是要確定中微子處在不同類型的概率，或者說貓處在不同顏色的概率的大小。
為了向同學們解釋清楚什麼是中微子，以及它們有哪些屬性，我從大家熟悉的太陽系入手。大家都知道，太陽系非常大，太陽的質量特別巨大，地球和其他行星圍繞著太陽做近似的圓周運動。為什麼呢？因為它們之間存在萬有引力。大家學過萬有引力，也知道牛頓和蘋果的故事，但是同學們有沒有問過自己：砸在牛頓頭上的蘋果有多重？如果你問了這樣一個問題，雖然看起來很傻，但其實是個好問題。這說明你很好奇蘋果和牛頓以及地球之間的內在關聯，這就是萬有引力。原子系統其實和太陽系非常相似。我們知道氫原子的結構是電子圍繞著原子核運動，也是近似的圓周運動，更重、更複雜的原子也呈現出類似的圖像。原子核是由質子和中子構成的，質子帶正電荷，中子不帶電，因此帶正電的原子核和帶負電的電子之間就形成了電磁吸引力，這與地球和太陽之間的萬有引力是類似的，保證了原子系統和太陽系長得非常像。電子的質量特別輕，從質量的角度來說，從太陽繫到原子其實跨越了約60個數量級的物理尺度；兩者雖然是宇觀和微觀之間的差異，但在結構上有很大的相似性。這一點顯得特別神奇！
質子是穩定的，電子也是穩定的，但是中子不穩定。科學家已經探測到自由中子的平均壽命只有880秒，也就是說不到15分鐘的壽命。它會衰變，會變成質子、電子和一種神秘的新粒子，這種新粒子就是我們今天要討論的中微子。
早在1930年，為了解釋中子衰變的末態電子的能量好像丟失了一部分這樣一個實驗事實，奧地利物理學家泡利——就是提出泡利不相容原理的那個泡利——假設有一種新粒子在中子衰變過程中產生，然後又偷偷地逃逸了，攜帶走了一部分能量。所以，你如果做實驗，只測量反應末態的電子能量，你會發現能量丟失了一部分。泡利設想這樣的一種新粒子具有一些很奇特的性質：它的體重特別輕，遠遠地輕於電子；它飛得非常快，接近於光速；它的性格非常內向、特別害羞，也就是說它一般不和其他粒子或其他物質交朋友（相互作用），它特立獨行；另外，它還是電中性的粒子。有了這樣一些特殊的性格，在實驗上要想探測或捕捉到中微子就變得非常困難。
1933年底，泡利的好朋友、義大利物理學家費米接受了泡利提出的中微子假說，發展出一套中子衰變的有效場論，能夠計算出中子衰變的概率。這一點很重要，因為只有理論物理學家算出來核裂變的概率，實驗物理學家才能做實驗去檢驗泡利的假說對還是不對。到了1956年，美國科學家在核反應堆實驗中終於發現，確實存在泡利所假設的那種新粒子——神秘的中微子及其反粒子。
中微子重要嗎？非常重要！沒有中微子的世界是不可想像的。也就是說，自然界和人類都離不開中微子，也離不開中子衰變。我給大家舉兩個例子，大家都會有親身感受的例子。
第一個例子，你從小到大有沒有問過自己：太陽為什麼會發熱發光？可能有老師、有大人告訴你，太陽之所以發光發熱，是因為它的內部一直在發生核聚變反應。核聚變反應的過程就是四個質子聚變成氦四核，放出兩個正電子和兩個電子型中微子，再放出一部分能量。有一小部分能量從太陽中心傳到太陽表面，然後再傳遍整個太陽系，我們人類在地球上就能感受到來自太陽的光和熱。但問題是，這樣一個物理學機制你相信嗎？你說我信了，因為我感受到來自太陽的光和熱了，所以太陽中心肯定有某種反應。但那不一定是核聚變反應，其他的化學反應、物理反應也可能會發出光和熱。你要是一個好奇心特別重、特別喜歡刨根問底的學生，可能就想：是不是有其他辦法測量這種核聚變的末態產物？比如說測量氦四核或正電子，來驗證太陽中心真的發生了這樣的核聚變過程。但是很遺憾，我們在地球上沒有辦法測量上述核聚變反應所產生的氦四核和正電子。為什麼呢？因為這些粒子帶電，它們的自由程非常短，它們沒有辦法從太陽中心飛到太陽表面，所以唯一的希望就是去探測核聚變反應產生出來的電子型中微子。
剛才說了，中微子性格很害羞，它一般不和其他小朋友打交道，所以它的自由程特別長，有可能從太陽中心順利到達太陽表面，再從太陽表面傳播到地球。如果你在地球建造一臺合適的探測器，你就有可能探測到來自太陽的中微子。如果你既感受到了光和熱，又看到了來自太陽的中微子，你是不是就會認為科學家告訴你太陽中心發生了核聚變這件事更可信？我想是。
1968年，科學家真的在地球上探測到了來自太陽的中微子，而且他們還發現，每秒鐘有超過1萬億個太陽中微子穿過你的身體。你說這怎麼可能？我一點感覺都沒有！這是怎麼算出來的？科學家可以在地球上探測太陽中微子的通量，就是每秒鐘每平方釐米能測量到多少個中微子。然後你算一下自己身體的表面積是多少，乘上太陽中微子的通量，你就會得出一個非常驚人的數值：每秒鐘竟然有不止1萬億個太陽中微子穿過你的身體。但是它們不會對你造成任何傷害。原因很簡單，就是因為太陽中微子太害羞了，它們雖然從你的身體穿過去，但是基本不會與你身體中的原子核以及電子發生反應，也不會讓你感受到任何不適。
第二個例子可能更令有些同學感到驚奇，就是我們人體自身是具有放射性的。而放射性就是核裂變，我們身體中某些中子會發生裂變，釋放出中微子，甚至會釋放出光子。釋放出多少呢？如果你的體重在50公斤到60公斤之間，你體內含有的微量放射性元素，比如說鉀四十，大概有十毫克左右。這樣的放射性原子發生核裂變，每秒鐘有多少中微子釋放出來？你可以做一個計算，最後你會發現，每天每夜可以放出幾億個中微子以及幾千萬個光子。放出光子的過程和放出中微子的過程略有差別，科學家已經用非常精密的儀器探測到了來自人體自身的光子。但是中微子太害羞了，所以我們目前還沒有可靠的辦法來探測人體自身所產生的中微子。喜歡吃香蕉的同學要注意咯，香蕉是富含鉀四十的，所以它有可能幫助你補鈣，因為從鉀四十衰變到鈣四十就會放出中微子。
我們已經知道了中微子有這麼多神奇的特性，但是這還不夠，它們還有兩個神秘的性質。一方面，它們不是孤單的一種粒子，它們其實有三種類型，相當於三姐妹。其實電子也不是孤單的一種，它也有三姐妹，我們分別稱之為電子、繆子和陶子。有些科學家喜歡用狗來描述電子和它的姐妹，我們不妨稱它們為帶電輕子狗，輕子的意思就是質量比較輕的基本粒子。既然電子和它的小姐妹們可以用狗來描述，中微子又總是和電子以及其他帶電輕子一起產生，那麼我們何不用貓來描述中微子呢？因此自然界也存在三種中微子，我們稱之為中微子貓，即電子型中微子貓、繆子型中微子貓和陶子型中微子貓。
剛才已經說了，中微子的質量特別小，但它們輕到什麼程度呢？大家想像一下，每個自由中微子的體重都不超過電子體重的500萬分之一，非常非常輕，因此它們在空間飛行的速度特別接近光速。由於它們的體重太輕了，現有的任何科學實驗裝置都沒有辦法探測到具有確定質量的中微子。我們只能通過弱相互作用，也就是中微子參與的相互作用，或者說中微子可以與其他物質發生關係的反應過程，來探測中微子質量態的量子疊加態，後者就是我們上面所說的電子型、繆子型和陶子型中微子。
你可能會問，不是說用任何辦法都不能直接探測到中微子嗎，那科學家怎麼做實驗呢？沒錯，你質疑得對，我們其實在具體實驗中，是通過探測和中微子一起伴生的帶電粒子來判斷中微子的存在及其類型的。比如說我看到了電子，我就可以判斷與之相關、但看不見的粒子是電子型中微子，以此類推。
既然了解了中微子這麼多性質，現在我們來看看它們為什麼和薛丁格的貓長得特別像，這就是中微子振蕩現象。有質量的中微子還具有一種神秘的量子相干屬性，它們和薛丁格的貓的屬性非常類似。我先給同學們介紹兩個概念，其實前面已經提到了，一個是中微子質量態，另外一個是中微子相互作用態。中微子的質量態就是中微子具有確定質量的時候所處的狀態，那麼相互作用態就是它和其他小朋友打交道的時候所處的狀態，兩者是不相等的。你可能會問，為什麼不相等？大家想一下：如果你一個人呆在家裡，周圍沒有其他人，你可以穿著睡衣來測量你的體重，這時候你就處在質量態；但是你如果到了學校來上課，周圍有老師和同學，在眾目睽睽之下你就不能太隨便了，因為這時你和其他人在發生相互作用。所以你穿睡衣的狀態和你穿校服的狀態是不一樣的，這一點非常容易理解。
中微子作為基本粒子也是這樣，因此我們發現中微子的相互作用態其實就是質量態的量子疊加態。中微子不同的類型之間會有混合，然後在空間傳播的時候，一種類型有可能轉化成另外一種類型。在傳播的過程中，不同質量的中微子的飛行速度當然就不一樣，有大有小，然後它們就會發展出不同的相位，這一點和光的雙縫幹涉實驗有相似之處。你在空間的某一距離處設置了探測器，想要探測中微子，但由於中微子的質量特別小，你其實沒有辦法測量它們的質量態，而只能測量它們的相互作用態。這時候，在探測器中，發展出不同相位的中微子質量態會重新進行量子疊加，形成新的相互作用態。你做一下計算，算出能看到哪種類型的中微子，以及看到的概率有多大。你會發現，你所探測到的中微子類型，可能和最初源處所產生的中微子類型不太一樣，這一點與薛丁格的貓很相似。科學家在實際的研究中，用量子力學的語言可以寫出中微子的質量態和相互作用態之間的關聯，用混合角來描述這種關聯，可以算出來一種類型的中微子保持不變或者轉化成另外一種類型的中微子的概率有多大。等將來同學們長大了，學了量子力學和中微子物理學，你自己就會做這種計算了。你算出來之後發現，這樣的概率是和正弦函數有關係的，因此你就會畫出一個圖來，縱坐標是中微子存活或者轉化的概率，橫坐標就是中微子在空間傳播的距離。你把探測器放在不同的位置會看到不同類型的中微子，或者好幾種類型的中微子的一種疊加，相當於薛丁格的死貓和活貓的疊加。這就是神奇的中微子振蕩現象。
那麼，這種現象是真的嗎？是真的！科學家已經在不同的實驗中探測到了中微子振蕩。尤其是我們中國科學家在大亞灣反應堆中微子振蕩實驗中，完美地展現了中微子的這種神秘的量子屬性。2011年底到2012年初，經過差不多兩個月的運行取數，大亞灣國際合作組成功地探測到了來自大亞灣核電站、嶺澳核電站、嶺澳二期核電站的電子型反中微子在傳播將近兩公裡的距離時消失了一部分，少了差不多6%。這6%去哪裡了呢？它們轉化成了其它類型的反中微子，即繆子型和陶子型反中微子。我們的探測器對其他類型的反中微子不敏感，所以只看到了電子型反中微子的缺失。把這樣一個重要的觀測結果與我們通過量子力學計算的電子型反中微子存活的概率相比較，你就能夠確定相應的中微子混合角，也就是描述中微子質量態和相互作用態之間關聯的混合角的大小，它恰好是8.8度加減0.8度（一共有三個8）。特別巧的是，2012年3月8號國際婦女節這一天，大亞灣合作組在北京高能所召開了新聞發布會，現任高能所所長、當時是大亞灣合作組中方發言人的王貽芳老師向全世界宣布：我們的實驗看到了短基線反應堆中微子振蕩現象，並測量到了最小的中微子混合角。這在國際學術界引起了很大的轟動。2012年美國《科學》期刊評選出來的年度十大科學突破，就包含了大亞灣實驗測量到反應堆中微子振蕩和最小的中微子混合角。所以說這是一個非常了不起的發現，它恰好體現了在微觀世界中，中微子這樣一種神奇的粒子是具有薛丁格的貓的量子屬性的。
接下來大亞灣實驗的後續實驗，我們稱之為江門反應堆中微子振蕩實驗，會利用新的反應堆所釋放出來的反中微子，在距離源處差不多53公裡的地方進行探測，希望看到新的中微子振蕩現象，從而確定中微子的質量順序。什麼是中微子的質量順序呢？我們前面說中微子具有三種類型，對應三種不同的質量態。處於第一種質量態的中微子最重，還是第三種最重？現在科學家還不知道答案。中國的江門實驗將精確測量中長基線的反應堆中微子振蕩，來確定中微子的質量順序，這也是一個非常重要的科學實驗。等同學們長大了，還有機會加入江門實驗組，因為江門實驗的運行周期很長，可能會達到20年，不僅要測量中微子的質量順序，還會探測太陽中微子、大氣中微子和超新星中微子，以及研究宇宙其他的一些奧秘。毫無疑問，這是非常令人期待的一個大科學實驗！
最後我留三道思考題，請大家想一想中微子和宇宙的關係：
中微子是暗物質嗎？
中微子影響宇宙的演化嗎？
中微子和宇宙的反物質消失之謎有關嗎？
大家可以查查文獻思考一下。
今天的科學公開課就上到這裡，謝謝同學們。再見！
註：本課程主要針對中小學生群體，因此部分內容和表述在通俗易懂與科學準確之間做了一定程度、甚至頗為艱難的平衡。