圖為：阿瑟·麥克唐納。
對于很多人來說，因為工作繁忙，無暇顧及，所以并不了解中微子振蕩。 那么下面我就用通俗的話來說一下。 本文只適合對中微子振蕩一無所知的普通人。 全文不深入，但大家都能看懂。 如有錯誤，請多多指教。
什么是中微子
中微子，因為名字里有一個“子”，就意味著它是一個小粒子； 同時它還有一個“中”字，意思是它不像我們熟悉的中子那樣帶電。 中性的; 還有“微”這個詞，意思是中微子非常非常小，比中子和電子小得多。 事實上，之前的科學(xué)家甚至認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量。 后來人們才認(rèn)為中微子有質(zhì)量，但質(zhì)量非常非常小，有點接近于零。 正因為如此，中微子非常神奇。 它們的速度非常快，不到1秒就能穿過地球。
別說地球了，就連太陽也能穿過。 太陽每分每秒都在產(chǎn)生大量的中微子。 平均而言，每秒有數(shù)萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。
中微子是如何被發(fā)現(xiàn)的？
既然中微子穿過地球，穿過我們每個人的身體，那么我們?nèi)绾尾蹲剿鼈兡兀?如果抓不到，怎么證明中微子這樣的粒子的存在呢？
這也是事實。 起初，中微子只是一種推測的粒子。 而說到這里，故事就很有趣了。
順便說一句，幾十年前，全世界的物理學(xué)家都被一個問題深深困擾，那就是“β衰變”中能量不守恒的問題。
貝塔衰變很容易理解。 我們以碳為例。 碳排第六。 通常其原子核中有6個質(zhì)子和6個中子。 然而，一些碳原子核有 8 個中子。 6加8等于14。因此，我們稱這種原子為碳14。
碳14很神奇，它向外發(fā)射電子。 事實證明，碳14的原子核非常不穩(wěn)定。 其中的某個中子有能力轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子加電子！
現(xiàn)在很有趣。 大家想一想，原子核中的一個中子變成一個質(zhì)子和一個電子后，原子核中不是會多出一個質(zhì)子嗎？ 由于多了一個質(zhì)子，它就不能再是碳元素了，它變成了氮元素，因為氮排第七。
早在一百多年前，碳14的這種現(xiàn)象就被當(dāng)時的科學(xué)家稱為β衰變！
說完β衰變，我們來談?wù)勀芰坎皇睾銜r會發(fā)生什么。
我們以碳14為例。 當(dāng)碳14進(jìn)行β衰變時，會釋放出能量，能量被電子奪走，所以當(dāng)β衰變時，會發(fā)射出電子。 按理說，電子的能量應(yīng)該是固定的，但奇怪的是，即使是同一個碳14原子，在衰變時，發(fā)射出的電子卻具有不同的能量。
我們打個比方。 有幾把一模一樣的手槍。 當(dāng)然，手槍的子彈也是一模一樣的。 但現(xiàn)在，朝同一方向射擊時，一部手機(jī)可以射出300米外的子彈，另一部手機(jī)只能射出270米外的子彈，還有一部手機(jī)就更可憐了，只能射出250米外的子彈。 地方。 你覺得這很奇怪嗎？
為什么子彈射程不同？
是否有些子彈的彈藥量較少，而另一些子彈的彈藥量較多？ 每個碳14都不同嗎？
但如何證明兩個碳 14 顆粒不同呢？ 因此，沒有辦法證明所有碳14都是完全相同的！
該怎么辦？
面對這個問題，當(dāng)時的科學(xué)家們非常困擾。 無論他們?nèi)绾闻Γ颊也坏皆颉?最后實在是沒有別的辦法了。 當(dāng)時的著名科學(xué)家玻爾不得不說，我猜能量守恒定律可能不正確。 至少在微觀世界，能量守恒定律并不普遍。
圖為波爾。
這一次，波爾絆倒了物理學(xué)家米，還開了個玩笑。 因為能量守恒定律是我們宇宙的法則，它從來沒有失效過。 如果為了解釋小β衰變而輕易推翻能量守恒定律，那么代價就太高了。 因此，許多科學(xué)家對玻爾的解釋感到不舒服。 尤其是那個叫泡利的科學(xué)家，他很不高興，因為泡利是一個極其追求完美的人。 不過他心里不高興，一時也找不到其他的解釋。
圖為泡利。
后來，物理學(xué)家決定召開一次會議，討論當(dāng)時物理學(xué)中最大的謎團(tuán)。 泡利原本是要參加的，但最后卻來了一場即興舞蹈，他表示無論如何都不能錯過這場舞會。 即使不能出席，泡利仍然想表達(dá)自己的觀點，于是在1930年12月4日，他給與會者寫了一封信。 這是一封將載入史冊的信。 泡利·赫在信中說道，“我有一個想法，我將置之死地而后生。為了確保能量守恒定律的正確性，我認(rèn)為在β衰變的過程中，除了發(fā)射電子之外，還有一種神秘的看不見的粒子，就是這種粒子帶走了部分能量……”。 1931年，他在一次物理學(xué)會議上再次提出并修正了自己的觀點。 他說：“這種粒子不帶電，沒有質(zhì)量，也不與任何物質(zhì)相互作用，所以我們無法探測到它。”
現(xiàn)在我們知道泡利所說的神秘粒子實際上是中微子。
但作為一名嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，泡利是有自知之明的。 當(dāng)他猜到中微子等粒子的存在后，亞歷山大立刻就后悔了。
為什么？
因為泡利預(yù)言了中微子的存在，但中微子無論如何都無法觀測到，這幾乎等于什么也沒說。 因為我們可以隨意應(yīng)用這種預(yù)測。 比如寒木還可以預(yù)測，我們每個人的肚子里都生長著一棵樹，但是我們無論如何也看不到那棵樹，即使進(jìn)入我們的肚子里，我們也看不到它。 不看。 因此，泡利意識到自己犯了一個很大的錯誤。 他感到非常沮喪。 為此，他自己也承認(rèn)了，并寫信給別人：“我做了一件可怕的事，我預(yù)測了一個不可能的情況。” 觀察到的粒子……”
泡利是一位非常可愛的科學(xué)家。 他不僅對自己要求嚴(yán)格，對別人也非常嚴(yán)格。 同時，他又非常刻薄。 他總是喜歡挑剔其他物理學(xué)家，而且毫不留情。 泡利以其完美主義而聞名。 有一次，他讀完一位年輕物理學(xué)家寫的論文后評論道：“這篇論文不僅不正確，甚至連錯誤都算不上。” 還有一次，當(dāng)一位意大利物理學(xué)家做完報告準(zhǔn)備離開會議室時，泡利對他說：“我從來沒有聽過這么糟糕的報告。” 泡利說完，突然轉(zhuǎn)身對瑞士的一位物理化學(xué)家說道：“我想，如果你給出這份報告，情況可能會更糟。”
還有一次，泡利想去某個地方，但不知道怎么去，所以一位同事告訴了他。 后來同事問他找到那天想去的地方了嗎？ 泡利沒有表達(dá)感激之情，而是諷刺地說：“當(dāng)你不談?wù)撐锢頃r，你的想法總是很清晰。”
你看，既然泡利對別人都這樣，他對自己就更嚴(yán)格了。 所以泡利在預(yù)言了無法觀測到的中微子的存在后感到苦惱也是可以理解的。
泡利于1958年去世。在他去世前兩年，也就是1956年，泡利終于可以自豪了，因為美國科學(xué)家賴因斯和柯文發(fā)現(xiàn)了中微子存在的證據(jù)，這使得雷因斯獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎，但柯文卻沒有獲獎是因為他已經(jīng)去世很多年了。
泡利本來應(yīng)該獲獎，但他早在1945年就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
太陽中微子消失之謎
談完證實中微子存在的證據(jù)后，科學(xué)家們變得更有信心了，其中包括一位雄心勃勃的美國科學(xué)家，名叫戴維斯。 他計劃在地下1500米深處探測太陽發(fā)射的中微子。
中微子的穿透力非常強(qiáng)，不到一秒就能穿過整個地球。 如何檢測？ 別擔(dān)心，并不是說中微子永遠(yuǎn)不會與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 它們?nèi)匀慌c某些特殊原子發(fā)生反應(yīng)，例如氯原子和氫原子，但數(shù)量很少。 100億個中微子穿過地球。 在中微子中，大約有一個中微子與物質(zhì)碰撞。
只有百億分之一，太少了，但是別忘了物理學(xué)家米，宇宙中的所有恒星和地球上的各種核電站無時無刻不在產(chǎn)生中微子，所以中微子的數(shù)量是非常非常多的，平均下來每秒都會有1萬億個中微子穿過我們每個人的身體。 中微子是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。 在浩瀚的宇宙中，每立方厘米大約有300個中微子。 兒子。
那么戴維斯為何堅持要在地下1500米深處探測中微子呢？ 躺在地上不是很好嗎？
因為地面上有很多來自太空的射線，這些射線會干擾實驗。 因此，我國大亞灣的中微子探測裝置也是設(shè)在山上，讓厚厚的巖石阻擋各種射線。
戴維斯的實驗是這樣的：
他將615噸四氯乙烯液體倒入地下1500米的大水池中，然后等待中微子的到來數(shù)十年。 根據(jù)天體物理學(xué)家對太陽的認(rèn)識，經(jīng)過對太陽發(fā)射的中微子數(shù)量的嚴(yán)格計算，戴維斯得出結(jié)論，他的裝滿四氯乙烯的大水箱每天應(yīng)該能夠捕獲一個中微子。 然而，經(jīng)過多年的觀察，他平均需要四天時間才能釣到一只。 其余的中微子去了哪里？ 當(dāng)時，也就是 1968 年左右，科學(xué)家們感到困惑。 要么戴維斯的實驗不準(zhǔn)確，要么天體物理學(xué)家對太陽的理解錯誤。 戴維斯年復(fù)一年地繼續(xù)改進(jìn)實驗，但最終結(jié)果卻保持不變。
“我的實驗很好，”戴維斯說。
這意味著太陽中微子消失之謎的責(zé)任不在于我，而可能在于天體物理學(xué)家。
不過，天體物理學(xué)家也很憋屈。 他們計算了無數(shù)遍，最后堅定地說：我們太陽模型的計算絕對正確！
奇怪的是，既然沒有人錯，那誰又錯了呢？ 這就是著名的“太陽中微子消失之謎”。
不管擁有多少東西，戴維斯仍然常年致力于在1500米深的金礦中捕獲中微子的偉大事業(yè)。 他這樣做已經(jīng)30年了。 這30年里，他一共只探測到了2000個左右的中微子。
后來，日本神岡探測器也出現(xiàn)了一個大型中微子探測器，稱為超級神岡探測器，它是由日本科學(xué)家大芝正敏領(lǐng)導(dǎo)的。 經(jīng)過多年的實驗， 等人也發(fā)現(xiàn)中微子消失的現(xiàn)象確實存在。
哦，原來戴維斯不該受責(zé)備，因為兩個探測器同時證實了中微子的消失。 那么，為什么有些中微子會消失呢？ 1998年，這個謎團(tuán)終于被解開了，因為在這一年，超級神岡探測器證明了中微子擁有一種神奇的能力——中微子可以在飛行過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變！ 就像悟空可以變成小豬一樣。
中微子家族有三兄弟。 這三兄弟分別被稱為“電子中微子”、“道中微子”和“苗中微子”。 這三種中微子在飛行過程中會相互變化。 飛一會你就變成我，飛一會我又變成你。 它們總是來回變化，這種現(xiàn)象稱為中微子振蕩。
中微子振蕩示意圖。
太陽中微子消失之謎已經(jīng)解開。 戴維斯的舊中微子探測器只能探測到電子中微子，而不能探測到其他兩種中微子。 也就是說，電子中微子飛到地球后，轉(zhuǎn)變?yōu)棣套又形⒆樱綔y器無法探測到。 因此，中微子并不是消失了，而是變成了另一種中微子。 這只是我們當(dāng)時沒有能力探測到的其他中微子。 戴維斯沒有錯，天體物理學(xué)家對太陽的計算也沒有錯。 為了表彰戴維斯和小場正俊對中微子研究的貢獻(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院宣布授予戴維斯和小場正俊雙雙榮獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎。
圖為小柴長軍。
梶田孝明
正如我們上面提到的，超級神岡探測器是由大芝正敏領(lǐng)導(dǎo)的，而今年獲得諾貝爾獎的梶田貴明恰好是大芝正敏的畢業(yè)生。
科巴正順曾說過：“繼承我遺志的弟子中，有兩個人就足以獲得諾貝爾獎。” 這里的兩個人其中之一就是梶田貴明，而今年，2015年，梶田貴明真的獲獎了。
梶田貴明獲獎的原因是：預(yù)測并發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的存在！
圖為梶田貴明。
中微子實驗
1998年，科學(xué)家進(jìn)行了一項實驗，他們首先在一個地方人工發(fā)射中微子。 當(dāng)這些中微子穿過250公里厚的層時，它們被另一個探測器成功探測到。 從發(fā)射到探測的時間間隔只有短短的0.00083秒，證實探測到的中微子來自人工發(fā)射的方向。
想想科幻小說，如果未來發(fā)明了中微子通訊，地球兩端的人們都可以利用往返地心的中微子打電話……
1987年2月23日，多個天文臺同時觀測到一顆名為“SN 1987A”的超新星開始在大麥哲倫星云中爆炸。 消息公布后，科學(xué)家們立即檢查了埋在地下的中微子探測器。 他們發(fā)現(xiàn)，在天文臺探測到超新星爆炸之前，幾個探測器已經(jīng)提前三個小時捕獲了來自超新星的總共24個中微子。 其中超級神岡探測器檢測到了11個中微子。 雖然科學(xué)家在這次超新星爆炸中總共只捕獲到了24個中微子，但科學(xué)家可以根據(jù)這個數(shù)字大致推斷出這次超新星爆炸的規(guī)模以及其他一些重要情況。 自從觀測到超新星中微子以來，又一門新學(xué)科誕生了，那就是中微子天文學(xué)。 我們知道，宇宙中存在大量的星際塵埃，它們對光線有很強(qiáng)的阻擋作用，這使得我們很難探測到遙遠(yuǎn)宇宙的奧秘。 至于中微子，它們恰好能夠穿過大量的物質(zhì)，所以在未來，中微子將會給我們帶來來自宇宙最深處的信息。
圖為超新星SN 1987A的想象圖。
圖為1054年發(fā)生的超新星爆炸遺跡。我國宋代的天文學(xué)家記錄了這一天文事件。
圖為超級神岡探測器正在注滿水。
圖為超級神岡探測器裝滿水。
圖為位于南極洲的“冰立方”中微子探測器示意圖。
圖為地面實驗室。
圖為一個小型探測器被緩慢放入冰立方鉆出的冰洞中。
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