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美国《科学》周刊评出了1998年的十大科技成果,其中之一,就是测定了中微子的质量;中国科学院的《1999年科学发展报告》,也将中微子研究称为“新物理的突破口之一”。
中微子是什么东西?为何科学家给予如此重视,而普通人又很少听说?严格说来,中微子还算不上“东西”,它的发现史可追溯到20世纪30年代前后。当时物理学家在研究β衰变时,看到了两个很难解释的现象。首先,原子在β衰变过程中辐射出β射线(由电子组成),其能谱是连续的,可是据量子论原理,能量被原子吸收或放射是连续的,换言之,绕着原子核旋转的电子,是处在分开的不同的能级之上的,故原子发射出的能量(实际上是原子内的电子发出的)其能谱也必不连续;第二,β衰变时辐射出的β射线,并未带走它应带走的全部能量,而其余部分也未留在原子之中,这一差额岂不是丢失了吗?故当时许多科学家认为,在β衰变过程中,能量并不守恒。1933年,著名物理学家泡利对第二点提出一个解释,他说能量守恒定律毋庸置疑,这一“丢失”的能量,是被一种不带电的、无质量的基本粒子所带走。
这是一种全新的思路,因当时已知的基本粒子只有三种:电子、质子和中子。泡利说,由于这种粒子无(或极小)质量,它跟其他粒子的相互作用也极微弱,因而不能为仪器所测出。那么β射线的连续能谱又是怎么回事?不久,物理学家费米指出,β射线并非出自原子核外面的电子,而来自原子核内,当然也就不受核外电子能级的制约,故其能谱连续并不奇怪。β衰变的具体过程是这样的:核内中子释放一个电子和另一个粒子,这样中子就变成了质子,故经β衰变后,原来的原子核就变成了其他(元素)的原子核。而这个不知名的粒子,费米称之为中微子,中微子的名称由此产生了。
中微子说到底是费米的一个假说,它真的存在吗?科学家作了长期的探测,却一直未有结果。在这一团疑雾之中,首先提出能证明中微子存在的人,是中国科学家王淦昌教授,当时他正在浙大工作。1942年,王氏在美国《物理学评论》上发表了题为《关于探测中微子的一个建议》的文章,一时引起了科学界的轰动,奈何时值抗日战争之际,他说:“我坚信这一实验能成功,但国内条件不具备,这实验只能让别人去做了。”此后美国科学家阿伦按王氏的设计,验证了中微子的存在。当时物理界评论说:“王—阿的实验结果,已为中微子假说和费米理论奠定了实验基础。”但话还得说回来,王—阿的实验是一种间接的验证,真正捕捉到中微子还是在十几年之后。到了1956年,莱因斯等终于找到了中微子。他们的探测器很简单,是一个内藏200立升氯化镉溶液的水槽,只要中微子穿过溶液,就有可能跟溶液的原子内的质子发生碰撞,而产生明显的闪光。而他们正是观测到了这种闪光(那是经光电倍增管放大的)。莱因斯因此而获诺贝尔获。他的探测成功,鼓舞了各国科学家对中微子的探测热情,都想搞清它的性质。
又是许多年过去了,人们对其性质依然知之甚少。例如,中微子究竟有没有质量,它有几种类型等等。直至20世纪60年代中期夸克理论兴起后,中微子研究才有了转机。
我们知道,这个五彩缤纷的宇宙物质世界,是由100 种左右的元素组成的,而各种元素的原子,皆由电子、质子、中子构成,质子和中子到20世纪60年代已被人们“劈开”,原来它们都是更小的粒子——夸克的组合物;至于电子,在某种条件下也能转变成夸克。这样,夸克就成了万物之本!据夸克理论,夸克共有六种类型(不算反夸克),它必对应于六种轻子(中微子属轻子),而轻子中已知有电子、μ子、τ子,故中微子只可能有三种:电子中微子、μ中微子、τ中微子。至此,中微子的种类疑难在理论上总算解决了。在以后的实验中,人们果然找到了它们的踪影。
可是中微子的性质依然不明!例如,其质量问题,许多科学家持否定态度(即没有质量)。另一方面,理论家认为,中微子在恒星内部的核聚变上,起着重要作用。例如太阳,它依靠氢的燃烧而发热发光,这一过程也是氢核聚变所拟而释放巨大能量的过程。在这一聚变中,中微子起着媒介作用,并最终飞离太阳;又如大质量恒星(比太阳大十几倍),在其核燃料耗尽时,会产生引力塌缩,此时,恒星内部因无核燃烧产生热能,恒星的外层物质在引力的拉牵下,迅速向中心挤压,以致中心物质中的电子,被挤入核内的质子中而成中子,故恒星的中心部位形成了一个异常密实的中子星。在这一过程中,引发了巨大的能量爆发,天文学家称之为超新星爆发,其中也涉及极强烈的中微子波。
显然理论远远跑在实验、观测的前面,使得一批科学家大为振奋,跃跃欲试,首当其冲的当然是太阳。可是对太阳中微子的长期观测、研究结果,却令人倍感困惑,这就是所谓的太阳中微子短缺疑难。具体地说,按理论,假定太阳辐射出的中微子应是100 颗(这是为了说明问题而任意假定的),但实测到只有65颗,那么还有35颗到哪里去了?唯一的理论解释是,中微子在空间运动时会产生振荡,即由一种类型的中微子转变成另一种类型的中微子,而其中的τ中微子又是无法测得的。这就是说,若100颗中微子在飞向地球时产生振荡,其中的1/3 变成了τ中微子,于是(这个1/3)就认为短缺了。但问题接踵而来,中微子若有振荡,则它必有质量。因此测量中微子的质量,就成了科学界的一个热点。更诱人的是探测超新星中微子,可是这种现象在银河系内可谓百年难逢。真是天文界的好运气!1987年,离开我们18万光年的地方(在我们的近邻,大麦哲伦星云中)出现了超新星爆发。
1987年2月下旬,中外新闻媒体都以醒目的标题, 报道了一则大新闻:超新星爆发。
第一批“看”到超新星爆发的观测手段,并非是一般的天文望远镜,而是中微子探测装置,它们仅收集到27颗,这也是人类第一次测得太阳以外的中微子,并据此判断出超新星爆发,还确定了它的位置在大麦哲伦星云等。
在此观测过程中,物理学家格拉肖(诺贝尔奖得主),利用中微子到达地球时的时间差,推算出了它的质量为11ev, 相当于电子质量的1/50000(电子质量:511kev,1ev=1.8×10[-33]克)。
最近一次测出中微子质量的是日本的探测装置——超级神冈中微子探测器。当1998年6月,日本科学家宣称他们测出了中微子质量后, 来自世界各地的科学家云集日本岐阜县的一个小镇——神冈町,以一睹这一探测过程为快。格拉肖说:“这是最近几十年来,粒子物理领域最重要的发现之一。”
这个探测装置设在神冈町地下1000米深的地方(中微子探测器一般都在地下,为的是屏蔽其他粒子的射入)。原是一个被废弃的矿场,现在设置了一个装有5万吨水的水池,其周围安装了1.3万个光电倍增管。只要中微子通过水池,它就有可能跟水中的氢原子核(即质子)发生碰撞,此时产生的光子,即被光电倍增管所捕获、放大,并将此信号传递给电脑,供科学家分析、研究。在此工作的120名美、日科学家说, 他们确证中微子处于振荡状态,也就是说,它确有质量,并测算出其质量为电子质量的百万分之一。
中微子的质量虽很小,其宇宙学意义却很大。现在我们知道,宇宙中的极大部分(90%以上)物质皆为所谓暗物质,它们是什么东西?科学家迄今还未搞清。而中微子在宇宙中的数量十分巨大,即使如此小的质量,其总质量足以超过目前已知的星系质量的总和。宇宙暗物质之谜,因此将局部解开。《科学》评论说,当人们得悉中微子确有很小质量之后,物理学家正忙于修改有关宇宙学的某些理论。但完全揭开中微子的神秘面纱,还得等一些时日。
对中微子的研究,不仅对物理学、宇宙学具有很大意义;同样,它对人们日常生活亦将有所贡献。目前被专家看好的,是利用中微子来进行通信。现在人们广泛使用的无线电通信,虽很方便,但电磁波在传送中,由于受到地形、天气、建筑物等的影响,有较大的衰减,而中微子通信则不然,用高能加速器产生的中微子束(10亿ev),即使穿过地球也只衰减0.1%,这是电磁波所望尘莫及的。 故在地球上的任意两点作中微子通信,,用不着像电磁波通信那样需要一系列的诸如卫星、微波站等昂贵的中继系统。人们相信,在本世纪,中微子在我们的日常生活中,将初显身手。
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