科普貼:來自太陽的幽靈粒子八分鐘可到達地球

2020-12-05 中國青年網

   幽靈粒子,是指中微子。中微子很神秘,一個小小的粒子,居然能穿過地球。從太陽出發的中微子,只要8分鐘就可以到達地球。1000億個中微子與地球相遇,幾乎全部都能順利地穿越地球,再次進入茫茫的宇宙之中,只有1個中微子可能與地球上的原子發生作用。

   說它神秘,還因科學家猜想,宇宙中的中微子,像一個幽靈在飄蕩,怎麼也捉不到它。20世紀初,在研究放射物質的時候,人們注意到,原子核放出一個電子(或正電子)的時候,會帶走一些能量。可是,仔細地算一算,損失的能量比電子帶走的能量大,有部分能量丟失了。就像錢包裡的錢丟失了一部分,是被小偷竊走了。能量丟失,也是一宗失竊案。

   丟失能量,不論是怎麼丟失,丟在哪裡,在物理學家看來,都是嚴重的大事,令人頭疼。物理學中有一條重要定律,即能量守恆。按照這條定律,能量是不會丟失的,如果證實是丟失,是虧損,那麼能量守恆定律就靠不住了,不少的物理學理論就會垮掉。

   事關重大,一定要偵破「失竊案」,查明能量是怎麼丟失的,是哪個「小偷」竊走的。

   1931年,奧地利物理學家泡利出來說話了,說是放射物質的放射線β中,不僅有電子,同時還有一種我們尚不認識的粒子,這是個未露面的「小偷」,就是它帶走了丟失的能量。大物理學家費米十分欣賞泡利的觀點,還給這種未露面的粒子取了個正式名字:中微子—中性的微小粒子。

   在當年,科學家發現的基本粒子非常少,對中微子的理論,大多不相信,甚至認為,這只是找個理由來維護能量守恆定律,保住物理理論大廈。至於那個「小偷」,猶如幽靈,是抓不到的。

   捕捉中微子的工作,比設想的要困難得多。中微子是中性粒子,不帶電,不參與電磁作用,不惹是生非;它的運動速度很快,接近光速,穿透力強,來無蹤去無影。從假設存在中微子,直到捕捉到手,共用了25年的時間。

   首先是中國科學家王淦昌寫論文,提出了《探測中微子的建議》,設想了一個探測方法。那是1942年,王淦昌很年輕,風華正茂。他的建議,為一位美國科學家接受。通過實驗證實了丟失的能量的確是被中微子帶走了。

   經過漫長的搜尋過程,1956年,美國科學家柯文和萊因斯宣布,他們捉到了中微子。他們做了一個很大的探測器,埋在一個核反應堆的地下,埋得很深,經過相當長的時間,測到了從核反應堆中放出來的中微子束。

   十幾年以後,人們才捕捉到從宇宙空間射來的中微子。科學家做了一個直徑6米的大桶,埋在一個很深的金礦中,構成一架「中微子望遠鏡」,也捕捉到了中微子。

   神秘的中微子終於露面了。然而,科學家仍然沒有完全看清它的真面目,留下了一些新的難以破解的謎。

   在探測中微子的時候,科學家的第一個感覺是數量不夠,總是比預期數量少,而且「漏網」的數量很大,為什麼不能全部捕捉到呢?

   再一個重大問題是:中微子的質量問題。質量,靜止質量是粒子的重要性質。確定其他各種粒子的質量,沒有什麼困難,順順噹噹地解決了,唯有中微子的質量怎麼也定不下來。在科學界,有種種不同認識,還有種種相互矛盾的觀測記錄。中微子,仍然保留著神秘的色彩。

   有人說,中微子的質量是零,因為沒有質量,中微子才能在真空中以光速運動。這是根據美籍華裔科學家楊振寧和李政道的理論進行分析,得出來的結論。

   當然,也有懷疑的人,說這個問題要通過實際觀測來確定。在前蘇聯和美國都有科學家在進行腳踏實地的測定,同時宣布說,已經測到了中微子的質量,並把數據列舉了出來,好像已經找到可靠的證據。過了幾年,由別人來重複他們的實驗,數據又變了,好像應該是零。實測結果並不確定,依然定不下來。

   1987年,天文學家觀測到空間有一顆超新星爆炸,爆炸以後必然會拋出大量中微子,總有一部分中微子從宇宙空間闖到地球上來,科學家們紛紛啟動儀器進行觀測。觀測結果千差萬別,有的說中微子是有質量;有的說質量非常小,幾乎沒有;有的則明確地說,質量為零。

   中微子,微小,渺小。它那麼輕,輕得沒有質量,卻留給人們一連串謎。科學家們非常重視這些謎,不僅物理學家關心,天文學家也關心。

   宇宙間的各個星系,往往聚集成星系團,這是因為各星系之間存在著強大的引力。如果沒有強大的引力,就不會聚集成團,而會走向分離,越離越遠。

   這個強大的引力從哪兒來?大家都認為來自星系的質量。可是,仔細計算一下,問題又來了:星系的總質量不足以提供那麼強大的引力,最多只能提供20%,短缺的質量達到80%。

   從哪兒去尋找那些短缺的質量呢?

   從宇宙中密度極大的中微子身上去尋找,只要中微子有質量,就可以補那些短缺的質量。

   這些想法正確嗎?不敢說。中微子原來像個幽靈,難以尋覓;現在捕捉到手,卻又那麼神秘,留下了一連串謎。

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