中微子極強穿透力,需要五光年鉛板才能擋住,為什麼?

2020-12-04 鍾銘聊科學

#了不起的基礎科學#

難找的中微子

其實中微子穿透力強體現在方方面面,不僅僅是各項指標強到爆炸,而且放眼整個科學史,它幾乎也是最難被找到的(如果你非要說希格斯玻色子也行,那它就是僅次於希格斯玻色子的存在),而且還一度讓科學家們很崩潰,那究竟是咋回事呢?

上世紀30年代,科學家就發現在β衰變的額過程當中,衰變前後有質量的缺失。我們現在知道β衰變是中子生成了質子、電子還有中微子。但是當時的實驗只能夠發現質子和電子,而發現不了中微子。

這樣的情況真的讓科學家很崩潰,因為這就導致反應前後的質量是不守恆的,根據愛因斯坦的質能等價,也就是我們的E=mc^2的那個相關理論,質能是相互對應的,是一個東西,因此,質量不等價,就意味著能量也不守恆了。當時,量子力學的哥本哈根學派的領袖科學家尼爾斯·波爾就幾乎要放棄能量守恆定律。不過,也有科學家腦子是清醒的,比如:號稱上帝之鞭的泡利,就堅持認為,應該存在一種粒子,它只是質量很小很小。科學家費米還給這個粒子取名叫做:中微子。但截止於目前,科學家也只是猜想。

到了1956年,才有科學家利用核反應堆當中所產生的反中微子與質子反應,生成中子和正電子,用電子和正電子湮滅產生γ射線,通過檢測γ射線和用原子核俘獲中子來間接證明中微子的存在。聽起來是不是非常麻煩?所以,其實科學家找中微子都極其困難。

中微子為什麼會特別難找?

而中微子難找主要體現在兩個方面:

質量極其小,小到幾乎可以忽略。不帶電,又不參與電磁相互作用

質量極其小,小到幾乎可以忽略

我們來一個個解釋,中微子的質量非常小,據估算,中微子的質量上限最多也就只有電子的百分之一,要知道電子的質量已經是非常非常小的了。而且到目前為止,科學家還在想盡一切辦法把中微子的質量測準確,但每個科研小組拿出來的數據都相差很多,這足以見得它的質量有多麼難測。

那質量小為什麼就會穿透力強呢?

這是因為根據愛因斯坦的狹義相對論,靜止質量越接近於0的物體,它的速度就可以越接近於光速,靜止質量為0的光子就可以達到光速。由於中微子質量極其小,因此它的速度可以非常接近光速。

不帶電,又不參與電磁相互作用

在自然界中,存在四中相互作用:引力強相互作用弱相互作用電磁相互作用。它們就好比粘合劑,正是它們的存在,物質才能形成,強相互作用和弱相互作用確保了原子核能夠形成,而電磁相互作用確保了化學反應是在原子的層面上進行,引力則是起到聚合物質的作用。

而中微子由於質量實在,引力對它幾乎不起任何作用,而它不參與強相互作用,同時,由於它顯電中性,它並不參與電磁相互作用,這一點就和光子有很大的不同,光子是參與到電磁相互作用當中,一會我們再說參與與不參與電磁相互作用區別在哪。正是由於四大作用當中,中微子不參與其中的三個作用,而弱相互作用並不容易發生,這就導致它的穿透力特別弱,幾乎不和物質發生反應。我們來舉幾個具體的例子:

超強的穿透力

最常被人提及的就是太陽,太陽核心時時刻刻都在發生著核聚變反應,每產生3個光子都會同時產生2個中微子。

由於太陽內部是等離子狀態,說白了就是溫度特別高,電子和原子核不在構成原子,而是到處亂動,就像一鍋粒子粥。

這時,光子就會因為要參與到電磁相互作用當中,只能在等離子體內部到處亂撞,最後勉勉強強才能達到太陽表面,整個過程據科學家統計,大概需要14萬年的時間。而中微子由於不參與電磁相互作用,可以完全無視一切,直接從太陽內核穿到表面,整個過程只需要幾秒鐘的時間。

除此之外,我們再舉兩個例子:

每秒鐘大概會有10萬億個中微子穿過我們的身體,而我們根本無法感知到;一個中微子在宇宙中穿行1光年的路徑,和該路徑上的物質發生弱相互作用的概率只有50%左右。其實宇宙當中和中微子有類似的東西存在,那就是暗物質,按照目前主流的看法,它只參與到引力和弱相互作用,而不參與電磁相互作用和強相互作用。和中微子一樣,暗物質穿過我們的身體,其實我們也感知不到。

鬼魅的中微子

以上質量小和不參與四大作用力當中的三個作用,只是中微子穿透力強的原因。中微子除了穿透力強,而且行為特別詭異,這是因為中微子之間會相互轉換,中微子一共有三種(如果加上反粒子,就有6種),同樣是正物質的三種中微子會相互轉換,這也被稱為中微子振蕩。由於中微子振蕩的原因,科學家吃了不少苦。(因為在沒有發現3種中微子之前,科學家無論咋調試儀器都只找到理論計算結果的1/3的中微子數)

基於中微子的這些特質,所以中微子也被稱為幽靈粒子

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