孫文德

去年，中微子具有質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，被我國(guó)科學(xué)家和美國(guó)《科學(xué)》周刊評(píng)選為1998年度世界重大科技新聞之一。1999年初，中國(guó)科學(xué)院在《1999科學(xué)發(fā)展報(bào)告》中又將中微子研究稱(chēng)為“新物理的突破口之一”。中微子究竟是什么東西?中微子的研究為什么如此受到科學(xué)家們的重視?要回答這些問(wèn)題，就要從中微子的發(fā)現(xiàn)說(shuō)起。

中微子的發(fā)現(xiàn)

中微子的發(fā)現(xiàn)，還要從19世紀(jì)末20世紀(jì)初對(duì)放射性的研究談起。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在量子世界中，能量的吸引和發(fā)射是不連續(xù)的。不僅原子的光譜是不連續(xù)的，而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續(xù)的。這是由于原子核在不同能級(jí)間躍遷時(shí)釋放能量而引起的，是符合量子世界的規(guī)律的?？善婀值氖?，物質(zhì)在B衰變過(guò)程中釋放出的B射線由電子組成的能譜卻是連續(xù)的，而且電子只是帶走了它應(yīng)該帶走的能量的一部分，還有一部分能量卻失蹤了。

到了1933年，意大利科學(xué)家費(fèi)米提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用。β衰變就是原子核內(nèi)一個(gè)中子通過(guò)弱相互作用衰變成一個(gè)電子、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中微子。

由于中微子與其他粒子的作用非常微弱，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)科學(xué)家們一直未能直接觀測(cè)到它。50年代中期，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)教授弗雷德里克·萊因斯及其同事在氯化鎘溶液中發(fā)現(xiàn)了中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞時(shí)發(fā)出的明顯的頻閃，從而證實(shí)了中微子的存在。為此，他與發(fā)現(xiàn)輕子的美國(guó)物理學(xué)家馬丁·珀?duì)柗窒砹?995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

驚世發(fā)現(xiàn)：中微子有質(zhì)量

在微觀世界中，中微子一直是一個(gè)無(wú)所不在又不可捉摸的過(guò)客。中微子產(chǎn)生的途徑有很多，如恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、超新星的爆發(fā)、宇宙射線與地球大氣層的撞擊以及地球上巖石等各種物質(zhì)的衰變等。由于中微子與物質(zhì)的相互作用極弱，難以捉摸，以致人們至今對(duì)它的認(rèn)識(shí)還很膚淺，就連它有無(wú)質(zhì)量也一直沒(méi)有搞清楚。

為了研究中微子的性質(zhì)，各國(guó)建造了大量的探測(cè)設(shè)施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測(cè)裝置、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測(cè)設(shè)施以及美國(guó)在南極地區(qū)建造的中微子觀測(cè)裝置。

日本神岡町的地下中微子探測(cè)裝置，設(shè)置在一個(gè)地下1公里深處廢棄的鋅礦坑中。這是一個(gè)巨大的水池，裝有5萬(wàn)噸水，周?chē)胖昧?．3萬(wàn)個(gè)光電倍增管探測(cè)器。當(dāng)中微子通過(guò)這個(gè)水池時(shí)，由于水中氫原子核的數(shù)目極其巨大，兩者發(fā)生撞擊的概率相當(dāng)高。碰撞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的光子被周?chē)墓怆姳对龉懿东@、放大，并通過(guò)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，供科學(xué)家們分析和研究。

1998年6月，日本科學(xué)家們宣布：從他們的中微子探測(cè)裝置掌握的足夠?qū)嶒?yàn)證據(jù)說(shuō)明中微子具有靜止質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們的廣泛關(guān)注。來(lái)自24個(gè)國(guó)家的350多名高能物理學(xué)家云集日本小鎮(zhèn)神岡町，親眼目睹了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。美國(guó)哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家謝爾登·格拉林指出：“這是最近幾十年來(lái)粒子物理領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。”

將大放異彩的中微子天文學(xué)

中微子具有質(zhì)量的意義非同一般。雖然單個(gè)中微子的質(zhì)量微不足道，但由于宇宙中中微子的密度與光子相仿，比其他所有粒子都要多出數(shù)十億倍。所以它的總質(zhì)量也就非常驚人。中微子有無(wú)質(zhì)量還關(guān)系到人類(lèi)所在的宇宙將如何演變?？茖W(xué)家目前認(rèn)同的有兩種設(shè)想：一種情況是宇宙將像現(xiàn)在這樣永遠(yuǎn)膨脹下去，另一種情況是它膨脹到一定程度后將會(huì)在自身引力的作用下發(fā)生收縮，至于會(huì)產(chǎn)生哪一種情況，將取決于宇宙的總質(zhì)量。如果總質(zhì)量小于某個(gè)臨界值，宇宙自身的引力就不夠大，前者將會(huì)發(fā)生；反之則為后者。

對(duì)中微子的研究不僅可以告訴我們宇宙整體的質(zhì)量，而且可以揭示浩瀚的太空深處各種星體的奧秘。這是因?yàn)閺男乔騼?nèi)部發(fā)出的光很難穿過(guò)龐大的星球，我們現(xiàn)在所觀測(cè)到的星光、太陽(yáng)光只是星球、太陽(yáng)表面發(fā)出的光，只有中微子才能暢通無(wú)阻地將星球、太陽(yáng)內(nèi)部的信息帶給我們。

1987年2月23日格林尼治時(shí)間10點(diǎn)35分，南半球的幾個(gè)天文臺(tái)觀測(cè)到大麥哲倫星云中一顆超新星開(kāi)始爆發(fā)。這消息公布后，幾個(gè)有大型地下中微子天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室立刻查閱了數(shù)據(jù)證錄磁帶，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)天格林尼治時(shí)間7點(diǎn)35分左右總共捕獲了24個(gè)來(lái)自超新星的中微子，記錄下了十分珍貴的信息。

正是中微子可以穿過(guò)大量的物質(zhì)卻幾乎不發(fā)生任何反應(yīng)，從而為我們帶來(lái)了宇宙深處的中微子信息。雖然此次超新星爆發(fā)時(shí)我們只記錄下了24個(gè)中微子，但卻可以推算出這顆超新星爆發(fā)的總能量和爆發(fā)后形成的中子星的直徑與質(zhì)量?？梢灶A(yù)計(jì)，中微子天文學(xué)將在21世紀(jì)大放異彩。

能穿透地球的中微子通訊

對(duì)中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我們的日常生活中也有現(xiàn)實(shí)意義，其中可能的應(yīng)用之一就是中微子通訊。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長(zhǎng)距離傳送要通過(guò)通訊衛(wèi)星和地面站。而中微子穿過(guò)地球時(shí)損耗很小，用高能加速器產(chǎn)生的10億電子伏特的中微子穿過(guò)地球時(shí)只衰減1/1000，因此從南美洲可以使用中微子束穿過(guò)地球直接傳至北京。把中微子流加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息，將來(lái)在地球上任意兩點(diǎn)進(jìn)行通訊聯(lián)系，無(wú)需昂貴而復(fù)雜的衛(wèi)星或微波站。我們相信：隨著對(duì)中微子物理研究的不斷深入，將給人類(lèi)帶來(lái)巨大的收益。

(責(zé)任編輯／錢(qián)利群)