2024年11月，我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器建設(shè)進(jìn)入收官階段。這個(gè)位于廣東江門(mén)的大科學(xué)裝置深藏在地下700米，建成后將主要用于研究宇宙中的中微子。

中微子是構(gòu)成世界的基本粒子，也是宇宙中最古老、數(shù)量最多的物質(zhì)粒子之一。從中微子發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)有8位科學(xué)家因?yàn)橹形⒆友芯揩@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中微子為什么這么重要？中微子是如何被發(fā)現(xiàn)的？關(guān)于中微子的研究又會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)哪些進(jìn)步與發(fā)展？

一個(gè)大膽的假設(shè)

想要了解中微子，首先要從能量守恒定律說(shuō)起。作為物理學(xué)中的普遍性定律，能量守恒定律在科學(xué)探索中發(fā)揮著重要作用。20世紀(jì)初，有些科學(xué)家在研究原子核β衰變時(shí)，遇到了一個(gè)難以理解的事實(shí)：原子核在衰變時(shí)釋放的能量與電子帶走的能量不一致，電子帶走的能量比原子核釋放的能量少得多。

顯然，這一現(xiàn)象違背了能量守恒定律。物理學(xué)家們隨后展開(kāi)了一場(chǎng)激烈的爭(zhēng)論。有些物理學(xué)權(quán)威專(zhuān)家，對(duì)原子核β衰變中的能量是否守恒提出了疑問(wèn)。例如著名的丹麥物理學(xué)家玻爾認(rèn)為，能量守恒定律只取原子核多次衰變過(guò)程的平均值才有效，并非在每一次衰變中都成立。

玻爾提出的這種能量不守恒的想法，遭到了奧地利年輕物理學(xué)家泡利的反對(duì)。1930年年底，泡利提出了一種大膽的假設(shè)：能量守恒定律依然有效，但在原子核β衰變過(guò)程中，除了向外釋放電子，還釋放出了一種難以探測(cè)到的中性粒子，這種中性粒子也帶走了原子核釋放的能量。這種粒子，就是后來(lái)大家所說(shuō)的中微子。

泡利不僅提出了中微子假說(shuō)，還積極呼吁物理學(xué)家去搜索它。1930年12月，他給在德國(guó)參加放射性研究會(huì)議的與會(huì)者們致信，呼吁大家對(duì)中微子假說(shuō)進(jìn)行“檢驗(yàn)和裁決”。

不久后，意大利物理學(xué)家費(fèi)米運(yùn)用泡利的觀(guān)點(diǎn)，將中微子納入原子核β衰變的理論研究并進(jìn)行確切的闡述，成功解釋了原子核β衰變，并提出了一種新的自然力——弱相互作用理論。

隨著研究的不斷深入，中微子的神秘面紗被慢慢揭開(kāi)：中微子不帶電、質(zhì)量非常小、運(yùn)動(dòng)速度堪比光速、數(shù)量極為龐大、遍布整個(gè)宇宙空間……同時(shí)，多次實(shí)驗(yàn)反饋結(jié)果表明，中微子家族類(lèi)型多樣，各種類(lèi)型的中微子之間還可以相互轉(zhuǎn)化，目前已經(jīng)探測(cè)到的有電子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子等。

捕獲難度大的“信息存儲(chǔ)器”

實(shí)際上，中微子遍布全宇宙，大多數(shù)粒子的物理和核物理過(guò)程都會(huì)伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核反應(yīng)堆核裂變、太陽(yáng)核聚變、超新星爆炸、宇宙射線(xiàn)等。不過(guò)，想要證實(shí)中微子的存在卻不是一件容易的事。由于很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，中微子難以被直接捕獲，科學(xué)家們只能通過(guò)捕捉中微子經(jīng)過(guò)后留下的痕跡來(lái)證實(shí)它的存在。這種方法就好比我們看不見(jiàn)風(fēng)，卻可以通過(guò)樹(shù)葉的抖動(dòng)證明風(fēng)的存在。

第一個(gè)“捕捉”到中微子的是美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和科萬(wàn)。一次實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)O(shè)置了一個(gè)簡(jiǎn)易的中微子探測(cè)器：這是一個(gè)裝有有機(jī)液體的大桶，桶內(nèi)壁安裝了一種可以轉(zhuǎn)換微弱光信號(hào)的電子器件?？茖W(xué)家們通過(guò)觀(guān)測(cè)中微子束流穿過(guò)有機(jī)液體后出現(xiàn)的光信號(hào)，來(lái)證明中微子的存在。

1956年，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，他們?cè)谔綔y(cè)器中發(fā)現(xiàn)了比較明顯的光信號(hào)，證實(shí)了此前的猜想。另一名物理學(xué)家戴維斯將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了太陽(yáng)中微子。太陽(yáng)的核心不斷發(fā)生核聚變反應(yīng)，這使得它成為一個(gè)巨大的中微子發(fā)射源。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)南達(dá)科他州霍姆斯塔克金礦，戴維斯將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在了信號(hào)不容易受到干擾的地下1600米深處。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，他在探測(cè)器中順利捕獲到了太陽(yáng)中微子。

在發(fā)現(xiàn)初期，中微子的研究發(fā)展較為緩慢。直到1998年日本超級(jí)神岡中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)中微子振蕩后，中微子研究迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)代。

同一時(shí)刻，相關(guān)的投資也進(jìn)入爆發(fā)式發(fā)展階段，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)先后修建中微子探測(cè)裝置。2014年，美國(guó)能源部將中微子物理列為驅(qū)動(dòng)科學(xué)發(fā)展的“五駕馬車(chē)”之一。據(jù)公開(kāi)消息，我國(guó)早在2011年，建成了大亞灣核反應(yīng)堆中微子探測(cè)器，并投入運(yùn)行；2015年，我國(guó)新一代中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)基地開(kāi)始施工建設(shè)。

值得關(guān)注的是，中微子還有一個(gè)非常特別的性質(zhì)——可以穿透一切事物，具有極強(qiáng)的穿透力。這個(gè)特性也引起了網(wǎng)民的廣泛討論，有網(wǎng)友用“我在你身邊而你卻無(wú)從察覺(jué)”來(lái)形容中微子的神秘。

想象一下，此時(shí)此刻正在讀報(bào)的你，每秒鐘有數(shù)以?xún)|計(jì)的中微子穿過(guò)你的身體，但你卻完全沒(méi)有察覺(jué)。即便是直徑約為12700多公里的地球，中微子也可以毫無(wú)阻擋地穿過(guò)，不會(huì)受到海水和地層的阻擋，也無(wú)法被干擾和攔截。

中微子的發(fā)現(xiàn)，為科學(xué)家破解宇宙奧秘提供了新的切入點(diǎn)?？茖W(xué)家認(rèn)為，宇宙中充斥的大量中微子，大部分為宇宙大爆炸時(shí)期的殘留。作為宇宙形成之初就存在的最古老、最原始的基本粒子之一，中微子見(jiàn)證了宇宙的誕生，攜帶著宇宙演化的秘密。通過(guò)觀(guān)測(cè)了解中微子，科研人員可以研究恒星的生命歷程、揭示暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗，提升人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知。

目前，世界上關(guān)于中微子的研究裝置主要有日本超級(jí)神岡中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器、美國(guó)深部地下中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，以及我國(guó)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器。

中微子就像彌散在宇宙中的信使，使得人與人、人與自然、人與萬(wàn)物之間存在著微妙的感應(yīng)，存在著跨越時(shí)空的記憶和全息的信息存儲(chǔ)，未來(lái)還將一直攜帶著源頭信息“勇往直前”。

應(yīng)用前景廣闊

中微子研究為理解物理學(xué)基本問(wèn)題提供了一把“鑰匙”?？茖W(xué)家們對(duì)破解中微子之謎的迫切，促使中微子研究始終保持著熱度，除了用于探索宇宙奧秘，中微子還具有多種可期的應(yīng)用前景。

首先，中微子是探測(cè)地球內(nèi)部的重要工具。通過(guò)研究地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的中微子，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部的演化規(guī)律。比如研究一束穿透海洋地殼的中微子，科研人員就能知道海洋地殼的內(nèi)部發(fā)生過(guò)什么。這可以幫助科研人員弄清楚地球內(nèi)部的變化如何影響陸地板塊，冰川消融后是否會(huì)導(dǎo)致板塊失衡，海水倒灌究竟是什么原因，等等。

其次，中微子可用于通信技術(shù)的革新?；谂c物質(zhì)相互作用極小、穿透性極強(qiáng)的特點(diǎn)，中微子未來(lái)可以充當(dāng)一個(gè)優(yōu)越的信息載體，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙超遠(yuǎn)距離傳輸，用于通信技術(shù)的革新。

以往，通信常使用電磁波作為通信的載體，但電磁波一旦進(jìn)入水下后就會(huì)被大幅度衰減，這時(shí)人們就只能依靠聲波來(lái)進(jìn)行通信。

與之不同，中微子能夠輕松自如地穿透大氣、海水甚至是地殼，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離快速通信。除了在介質(zhì)中暢行無(wú)阻的優(yōu)點(diǎn)外，其超大的容量、超高的傳速、穩(wěn)定的保密性也是其他通信手段難以企及的。以核潛艇為例。核潛艇原本可以數(shù)月潛航于深海中，但為了與地面通信，需要連接一根有線(xiàn)天線(xiàn)到接近海面處，這制約了核潛艇的航行深度和速度，增加了被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。而如果以中微子作為信息載體的通信方式，利用中微子絕佳的穿透力，接收和發(fā)送信息將不再受地球曲面和海水阻礙的困擾。同時(shí)，由于中微子通信具有隱身性，對(duì)手根本無(wú)法搜索到信源位置，更無(wú)法利用反輻射導(dǎo)彈對(duì)中微子通信設(shè)備進(jìn)行打擊和干擾。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)已開(kāi)始嘗試使用中微子進(jìn)行深海潛艇與地面通信的設(shè)計(jì)與研究工作。

再次，中微子可用于研制中微子雷達(dá)等。由于中微子可以輕易穿透各種障礙物，科研人員提出利用中微子信號(hào)發(fā)展中微子雷達(dá)的設(shè)想，以實(shí)現(xiàn)對(duì)深海潛艇和地下掩體的探測(cè)定位，彌補(bǔ)電磁波雷達(dá)和聲吶在這些場(chǎng)景中的缺陷。

目前，國(guó)外有科學(xué)家正在研究通過(guò)探測(cè)中微子信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)甄別核燃料的濃縮級(jí)別。如果是武器級(jí)核燃料，其發(fā)出的中微子信號(hào)會(huì)更加強(qiáng)烈，因此這一方法對(duì)發(fā)現(xiàn)大規(guī)模殺傷性武器非常有幫助，甚至可用于銷(xiāo)毀敵人的核武庫(kù)。其背后的基本原理是，將高能加速器產(chǎn)生的高能中微子束定向照射核材料，可以點(diǎn)燃和銷(xiāo)毀核武器庫(kù)。

不過(guò)，由于高風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性，以上這些研究仍有漫長(zhǎng)的道路要走。比如中微子通信，目前面臨的難題是：中微子與物質(zhì)的相互作用非常弱，在中微子束流中編碼信息存在難度。

回首過(guò)去，從泡利1930年提出“中微子假說(shuō)”到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)去了近100年的時(shí)間。幸運(yùn)的是，在這近100年的時(shí)間里，我們?nèi)〉昧丝捎^(guān)的研究成果，進(jìn)一步揭示了宇宙的奧妙、推動(dòng)了粒子物理學(xué)的發(fā)展，為未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展提供了變革性的思路。相信伴隨著中微子研究的不斷深入，我們終將揭示更多關(guān)于宇宙的奧秘，為人類(lèi)未來(lái)開(kāi)辟更多嶄新的可能性?？?/p>

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》2024-11-29 第11版）