中微子能否穿過直徑一公裡的中子星?

2021-01-18 優美生態環境保衛者

中微子是隨著人類對微觀世界探索的日益深入,不斷總結、尋求突破和自我否定過程中最終發現和印證的一類物質。大家或許對中微子了解地都不太深入,不過對於它的其中一個特徵-極強的穿透力應該早有耳聞,我們的身體每時每刻都有無數中微子穿過,而我們對此一點感覺都沒有,甚至整個地球也阻擋不住中微子的穿過,由於它的極難觀測性,科學界形象地稱之為「幽靈粒子」。那麼,假如我們用物質密度極大的中子態物質,比如直徑一公裡的中子星,能否阻擋住中子星的穿透呢?

中微子的發現可謂一波三折,曾經一度使得科學界對之前建立起來的基礎物理科學體系「遙遙欲墜」。它的發現,可以追溯到19世紀末、20世紀初,那個時期對於核物理特別是微觀粒子的研究剛剛興起,但是對於微觀粒子體系中還一直沒有發現中微子的存在。隨後,愛因斯坦提出了質量守恆定律,用以闡釋在一個封閉系統中,無論發生何種的物理或者化學變化,系統內組成物質的所有質量總和保持不變。此後,科學家發現,當在進行核裂變反應時,質量總會發生一定程度的虧損,這種現象愛因斯坦通過深入研究,將質量和能量進行了統一,又提出了質能守恆定律,從而將質量與能量都看作是物質存在的基本屬性,二者呈現明確的對應關係,這一定律從更高的高度深入闡釋了物質的統一性,成為推動科學理論研究和發展的基礎之一。

然而,當科學家們在進行中子衰變相關研究時,卻發現中子通過β衰變為質子和電子的過程中,反應後系統的總質能與反應前存在一定的虧損,在排除所有實驗誤差之後這種虧損依然存在,這就使得一部分科學家比如玻爾,提出了在β衰變過程中不遵守質能守恆定律,這個物理基石面臨被推翻的危險。當然,也有一部分科學家比如泡利,則認為質能守恆定律不可能錯誤,只不過在β衰變過程中了,除了已知的質子和電子微觀粒子以外,依然存在著另外一種之前從來沒有被發現、很難被監測到的特殊粒子,正是它帶走了一部分的能量。隨後,費米根據泡利等科學家的觀點,通過量子力學理論,推導出了費米子衰變的連續能譜公式,從理論上解釋了β衰變過程中會有一種特殊的粒子,與產生的電子同時出現。此後,又有科學家通過K-俘獲原子的反衝試驗,間接證實了中微子的存在。

在此之後,科學家們圍繞中微子的探測和特性展開了一系列研究,結果發現,無論是在恆星內部的核聚變、超新星爆發以及放射性元素的衰變等過程中,都會釋放出中微子。從中微子的性質來看,它本質上屬於輕子,也就是說在正常的原子結構中,是不包含中微子的,只有當由質子、中子組成的原子核結構被打破,然後這些微觀的粒子重新組合形成新的原子核時,中微子才會被釋放出來。

中微子曾一度被認為是自由態的中子,不過隨著中子的發現和命名,才得以改名為中微子。中微子與中子同樣具有1/2自旋、自由性很強、不帶任何電荷等性質,而且遵循泡利不相容原理,所以它倆都屬於費米子。不過,二者也具有明顯的差別,中子屬於強子,不在基本粒子範疇,有明確的質量;而中微子屬於輕子,不參與強相互作用和電磁作用,僅受到弱相互作用和引力的影響,同時有無靜止質量科學界現在還沒有統一的結論。

正因為中微子具有上述特性,特別是它的高度自由性,以及不帶電荷、沒有磁矩,幾乎不參與和其它物質的作用,再加上運動速度非常快,僅比光速慢一丁點,所以極難被觀測到,穿透能力也超強,據推測,中微子從地球的一端穿透到另一端,僅需0.02秒。2017年,科學家通過位於南極洲的「冰立方」,探測到了來自40億光年外一個橢圓星系發出的中微子,這是迄今為止捕捉到的距離地球最遠的中微子。

根據科學家們的判斷,由於中微子幾乎不會與任何物質發生作用,理論上100億個中微子才可能只有1個出現例外,所以阻擋物的厚度多少,對阻擋中微子的效率起不到什麼作用。原子內部的強核力以及電荷轉移帶來的電磁作用,在中微子身上毫無效果,而弱核力也只有在發生β衰變的瞬間對中微子產生一些影響,所以無論是人的身體,還是地球,抑或5公裡的鋼板,對中微子來說,在根本上都看不眼。

即使是處於中子簡併態的中子星,由於中子與中子之間還沒有達到能夠進一步結合的地步,所以中子星最基本的物質組成-中子之間也會存在巨大的排斥力,這也就造成了中子互相之間會有一定的空間間隔,而且中子本身也並非完全緻密的存在,其中還會有更微小的粒子存在,也存在一定的「空隙」。再加上中子星表面的逃逸速度只有光速的一半,以中微子的高度自由性和近光速運行的特徵,穿透中子星也不在話下。

那麼,唯一能夠阻擋住中微子,或者說中微子的最終歸宿,則只能是宇宙的終極武器-黑洞了,在其事件視界以內,連光線都無法逃逸,那麼速度稍慢一些的中微子一旦進入黑洞的視界以內,則會被強大的引力束縛住,再也逃脫不出來,最終則會墜向黑洞的奇點,在那裡將變為更加微小的亞粒子或者其它未知的形態,結束其無比神秘的一生。

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