理论教育 中微子:未见面的幽灵粒子

中微子:未见面的幽灵粒子

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:幽灵粒子,是指中微子。大物理学家费米十分欣赏泡利的观点,还给这种未露面的粒子取了个正式名字中微子——中性的微小粒子。至于那个“小偷”,犹如幽灵,是抓不到的。中微子是中性粒子,不带电,不参与电磁作用,不惹是生非;它的运动速度很快,接近光速,穿透力强,来无影去无踪。

中微子:未见面的幽灵粒子

幽灵粒子,是指中微子。中微子很神秘,一个小小的粒子,居然能穿过地球。从太阳出发的中微子,只要8分钟就可以到达地球。1000亿个中微子与地球相遇,几乎全部都能顺利地穿越地球,再次进入茫茫的宇宙之中,只有1个中微子可能与地球上的原子发生作用。

说它神秘,还因科学家猜想,宇宙中的中微子像一个幽灵在飘荡,怎么也捉不到它。20世纪初,在研究放射性物质的时候,人们注意到,原子核放出一个电子(或正电子)的时候,会带走一些能量。可是,仔细地算一算,损失的能量比电子带走的能量大,有部分能量丢失了。就像钱包里的钱丢失了一部分,是被小偷窃走了,能量丢失,也是一宗失窃案。

丢失能量,不论是怎么丢失,丢在哪里,在物理学家看来,都是严重的大事,令人头疼。物理学中有一条重要定律,即能量守恒。按照这条定律,能量是不会丢失的,如果证实是丢失,是亏损,那么能量守恒定律就靠不住了,不少的物理学理论就会垮掉。

事关重大,一定要侦破失窃案,查明能量是怎么丢失的,是哪个小偷窃走的。

1931年,奥地利物理学家泡利出来说话了,说是放射性物质的放射线β中,不仅有电子,同时还有一种我们尚不认识的粒子,这是个未露面的“小偷”,就是它带走了丢失的能量。大物理学家费米十分欣赏泡利的观点,还给这种未露面的粒子取了个正式名字中微子——中性的微小粒子。

在当年,科学家发现的基本粒子非常少,对中微子的理论,大多不相信,甚至认为,这只是找个理由来维护能量守恒定律,保住物理理论大厦。至于那个“小偷”,犹如幽灵,是抓不到的。

捕捉中微子的工作,比设想的要困难得多。中微子是中性粒子,不带电,不参与电磁作用,不惹是生非;它的运动速度很快,接近光速,穿透力强,来无影去无踪。从假设存在中微子,直到捕捉到手,共用了25年的时间。

首先是中国科学家王淦昌写的论文,提出了《探测中微子的建议》,设想了一个探测方法。这是1942年,王淦昌很年轻,风华正茂。他的建议,为一位美国科学家接受。通过实验证实了丢失的能量的确是被中微子带走了。

经过漫长的搜寻过程,1956年,美国科学家柯文和莱因斯宣布,他们捉到了中微子。他们做了一个很大的探测器,埋在一个核反应堆的地下,埋得很深,经过相当长的时间,测到了从核反应堆中放出来的中微子束。

十几年以后,人们才捕捉到从宇宙空间射来的中微子,科学家做了一个直径为6米的大桶,埋在一个很深的金矿中,构成一架“中微子望远镜”,也捕捉到了中微子。

神秘的中微子终于露面了,然而,科学家仍然没有完全看清它的真面目,留下了一些新的难以破解的谜。

在探测中微子的时候,科学家的第一个感觉是数量不够,总是比预期数量少,而且“漏网”的数量很大,为什么不能全部捕捉到呢?(www.daowen.com)

再一个重大问题是:中微子的质量问题。质量,静止质量是粒子的重要性质,确定其他各种粒子的质量,没有什么困难,顺顺当当地解决了,唯有中微子的质量怎么也定不下来。在科学界,有种种不同认识,还有种种相互矛盾的观测记录。中微子,仍然保留着神秘的色彩。

有人说,中微子的质量是零,因为没有质量,中微子才能在真空中以光速运动。这是根据美籍华裔科学家杨振宁和李政道的理论进行分析得出来的结论。

当然,也有怀疑的人,说这个问题要通过实际观测来确定。在苏联和美国都有科学家在进行脚踏实地的测定,同时宣布说,已经测到了中微子的质量,并把数据列举了出来,好像已经找到可靠的证据。过了几年,由别人来重复他们的实验,数据又变了,好像应该是零。实测结果并不确定,依然定不下来。

1987年,天文学家观测到空间有一颗超新星爆炸,爆炸以后必然会抛出大量中微子,总有一部分中微子从宇宙空间闯到地球上来,科学家们纷纷启动仪器进行观测。观测结果千差万别,有的说中微子是有质量;有的说质量非常小,几乎没有;有的则明确地说,质量为零。

中微子,微小,渺小。它那么轻,轻得没有质量,却留给人们一连串谜。科学家们非常重视这些谜,不仅物理学家关心,天文学家也关心。

宇宙间的各个星系,往往聚集成星系团,这是因为各星系之间存在着强大的引力。如果没有强大的引力,就不会聚集成团,而会走向分离,越离越远。

这个强大的引力从哪儿来?大家都认为来自星系的质量。可是,仔细计算一下,问题又来了:星系的总质量不足以提供那么强大的引力,最多只能提供20%,短缺的质量达到80%。

从哪儿去寻找那些短缺的质量呢?

从宇宙中密度极大的中微子身上去寻找,只要中微子有质量,就可以弥补那些短缺的质量。

这些想法正确吗?不敢说。中微子原来像个幽灵,难以寻觅;现在捕捉到手,却还是那么神秘,留下了一连串谜。

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