為什麼中微子能夠輕鬆穿過地球？

伽瑪射線可以穿透20釐米厚的鉛板，但與中微子的穿透力相比，就是小巫見大巫了。中微子具有極強的穿透力，除了黑洞等少數天體以外，幾乎能穿透宇宙中的任何物質，穿透地球自然也不在話下。那麼中微子為什麼具有如此強的穿透力？

來自1987a超新星的證據

1987年2月23日，距離地球16.3萬光年的大麥哲倫星雲中的一顆名為1987a的超新星發生了爆炸，它是近400年來天文學家觀測到的最亮的一顆超新星。

在爆炸產生的可見光被地球上的天文望遠鏡觀測到的3小時前，全球範圍內有三臺中微子探測器探測到了來自該超新星的中微子爆發，該中微子的爆發過程僅持續了十幾秒。正是這短短的十幾秒，證明了中微子可以輕鬆穿透地球。

     

大麥哲倫星雲只有在南半球才能看得到，日本的中微子探測器則位於北半球，按理說中微子輻射會被地球擋住，可事實並非如此，中微子不僅穿過了地球，還被地球另一端的中微子探測器檢測到了。

來自1987a超新星的中微子之所以比光先到達地球，就源於其極強的穿透力。中微子與光都產生於核反應，而超新星塌縮是從內部開始的。當超新星爆發時，中微子能夠比光先行穿透恆星的外殼。

以太陽為例，光從太陽表面到達地球需要約8分鐘，而太陽光從恆星中央到達太陽表面則需要幾百萬年的時間。這是因為光在恆星內部穿行時，需要不斷經歷吸收再輻射的過程。中微子的速度幾乎與光速相當，並且可以毫無阻礙地穿行於太陽內部，所以可以比光更早到達恆星表面。

     

上圖為1987A超新星的爆炸遺蹟

物質間的相互作用

古希臘學者德莫克利特提出了最早的原子論，看似密不透風的牆，實際上是由許多名叫原子的粒子構成的，原子是不可再分的微觀粒子。現如今我們已經知道，除了暗能量和暗物質，宇宙中的普通物質都是由原子構成的，並且原子是由更為微觀的質子、中子和電子構成的。20世紀下半葉，科學家又發現質子和中子等強子是由更為基礎的夸克構成的。

            

現如今，粒子物理學中的標準模型認為，物質是由62種基本粒子（引力子未被證實）構成的。這62種粒子分為兩種類：費米子和玻色子，費米子的自旋為半奇數，玻色子的自旋為整數。費米子又分為夸克和輕子兩大類，電子和中微子都屬於輕子，它們是構成物質的基本粒子。玻色子也分為兩類，一類是規範玻色子，負責傳遞相互作用；另一類是標量玻色子（希格斯玻色子），通過希格斯機制賦予粒子質量。            

宏觀物質間的相互作用，從微觀角度來看，就是這些粒子間的相互作用。力就是物質之間的相互作用，科學家們發現宇宙中存在4種基本力：電磁力、引力、弱核力和強核力。

     

1，電磁力：它與我們的生活息息相關，摩擦力、彈力、分子力等本質上就是電磁力，化合物的形成以及化學反應就與電磁力有關，我們能夠拿穩筷子、能夠看見這個世界都與電磁力有關。帶電荷的粒子之間便會發生電磁相互作用，光子就是傳遞電磁力的媒介粒子。

2，引力：地球的形成、太陽系的形成、銀河系的形成等都與引力有關，天體運動在引力的作用下變得井然有序。有質量的物體便具有引力。相對論認為引力的本質是時空彎曲，有質量的物體能使時空彎曲。

3，弱力：它是僅作用於微觀世界的一種力，力的作用範圍（力程）非常短，是存在於費米子之間的一種相互作用。原子核衰變便與弱力有關。弱力依靠w玻色子及z玻色子進行傳遞。

4，強力：它也是僅作用於微觀世界的一種力，帶色荷的粒子之間會發生強相互作用。夸克由於具有色荷，就存在強相互作用，依靠膠子進行傳遞。原子核的形成便與強力有關。

     

中微子是一種質量和體積極小的中性粒子

上世紀20年代，物理學家在研究貝塔衰變（存在於放射性原子核中的一種衰變）的過程中，發現有部分能量丟失，這是很嚴重的問題，因為能量守恆定律受到了挑戰。中微子就是1930年泡利為了解決貝塔衰變中能量不守恆這個問題而提出來的。1933年由費米正式命名為中微子。1942年中國科學家王淦昌提出利用電子俘獲來驗證中微子存在的方法。當時正值第二次世界大戰，直到1956年才由美國科學家在核反應堆中正式觀測到。

     

如圖所示，在衰變過程中，核內一個中子會轉變為一個質子，並釋放出一個負電子和一個反電子中微子。這就是負貝塔衰變。

中微子由於很難被探測和捕捉到，因此又被稱作幽靈粒子。這是因為中微子的質量極小，僅為電子質量的幾百萬分之一，引力作用極弱。除了黑洞這類的強引力源外，地球和太陽這類天體的引力根本束縛不了它。中微子不僅比電子質量輕得多，體積也比電子小得多。此外，中微子不帶電荷，所以不參與電磁相互作用。中微子由於是費米子，因此會參與弱相互作用。

中微子是一種輕子。輕子包括3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子、μ中微子和τ中微子），以及它們各自的反粒子。通常所說的中微子就是指電子中微子，其它兩種中微子都不穩定，會發生衰變。直到2000年美國費米實驗室才發現了第3種中微子——τ中微子。中微子在傳播的過程中還會相互轉化，發生中微子震蕩現象。中微子的秘密有很多，迄今為止，有很多科學家因中微子相關的研究而獲得諾貝爾獎。

     

上圖為位於日本神岡地下1千米的中微子探測器，研究人員正在為探測器注入超純水。

中微子廣泛存在於宇宙中，每立方釐米大約100個。宇宙大爆炸產生了大量的中微子，太陽和核電站也會產生中微子。當你正在看這篇文章的時候，就有數量眾多的中微子穿過你的身體和地球。

微觀世界存在廣闊空間

世界上存在密不透風的牆嗎？從宏觀世界來看，是這樣子的。可從微觀世界來看，粒子與粒子之間存在非常廣闊的空間。

     

以原子為例，從質量上看，原子核佔原子總質量的99%。可從尺寸上對比，如果原子的直徑相當於地球的直徑，原子核就相當於一座幾十米高的大廈，而電子就是這個大廈中的兵乓球。微小的電子就在這麼廣闊的空間中繞著原子核運動。質子和中子分別由三個夸克構成，夸克也很小，它們也並沒有緊緊的挨在一起。如果把核外電子全部壓進原子核，那麼由這種新型原子構成的地球的直徑僅為20多米。由此可見，微觀世界非常空曠。

此外，微觀世界中粒子的運動規律與宏觀世界不同，一切粒子都具有波粒二象性，並且粒子的運動是不連續的。

     

如圖所示，電子並不像行星繞恆星那樣圍繞原子核運轉，而是按概率隨機分布在原子核周圍，形象地稱之為電子云。

總結

看似密不透風的「電子云」牆，對於質量極小且不帶電的中微子來說，既不會與物質發生電磁相互作用，也極難受引力影響。中微子的個頭比電子小得多，對於由原子構成的地球來說，地球就是一個縫隙非常非常大的篩子，中微子很容易就從這些縫隙中溜走。

中微子基本上只會受弱相互作用的影響。弱力不像引力或電磁力那樣，只有當兩個費米子挨得比較近時才會發生弱相互作用。在原子世界中，由於原子核和電子都很小，中微子更小，它們幾乎很難發生碰撞，那麼發生弱相互作用的概率就很低了。據估計，在100億個中微子中，只有一個中微子會與物質發生反應。當中微子穿過地球後，只會發生很微弱的能量衰減。基於此，科學家們希望利用中微子進行通信。