神奇的中微子

神奇的中微子

它们与宇宙同时诞生，无所不在。它们是至今我们所知道的最稳定、不与任何其他物质发生“关系”的粒子，它们几乎是不受任何阻挡的“独往独来”于浩瀚的苍穹之中。然而，也许正是它们决定着我们宇宙未来的命运，它们的名字就叫做中微子。

物理学家、化学家都在苦苦地追索构成世界的基本粒子。在这个追索的进程中，中微子是理论物理学家所设想的、人类的认识能力所能够发现的最小的基本粒子之一。从设想存在中微子，到开始捕捉中微子的“踪迹”，诞生了中微子天文学，大约经过半个世纪的岁月。

100多年以前，1895年，正好50岁的德国物理学家威廉·康德拉·伦琴发现了“X射线”，人们为了纪念这一划时代的发现，又将这种射线称之为“伦琴射线”。1901年，伦琴因为这项发现荣获诺贝尔物理学奖。从那时开始的一系列的对物质和放射性的研究，使得物理学家在认识了α、β和γ等射线的同时，还确信，存在着一系列更小的基本粒子，其中一种应该是不带任何电荷的、中性的微小粒子——中微子。

物理学家深知，就算是真的存在着这些基本粒子，它们的质量之小，运动速度之快，都会给直接发现它们带来极大的困难。科学家设想，找到基本粒子的运动所留下的痕迹，要比找到基本粒子本身容易得多。循着这样的思路，科学家设计了诸如“气雾计数装置”和“液体计数装置”等一系列捕捉基本粒子行踪的科学仪器。任何有质量的粒子的运动，就会受到重力场的影响；任何带电的粒子的运动则会受到电场或者磁场的干扰。科学家设想的中微子，应该是没有质量，也不带电荷的基本粒子。因此，假如它们真的存在，其运动的轨迹应该是一种独特的、永远不受任何干扰和影响的直线。

1955年，为了寻找基本粒子，美国科学家在一个实验性原子反应堆的距离地表1600米的地下，使用40万升的液体计数装置，进行追寻中微子踪迹的实验性研究。该项研究，揭开了中微子天文学的序幕。

1956年，经过几百个日日夜夜的观察，科学家终于发现了一种前所未见的粒子运动的轨迹。这种轨迹，不受任何重力场、电场和磁场的影响。据此，科学家深信，尽管谁也没有看到中微子，但是，中微子一定是一种真实的存在。对神奇的中微子的研究就从这时正式开始了。

我们说中微子神奇，主要指以下几个方面。

首先，从理论上说，中微子多得数不胜数。可是，从美国科学家证实它的存在至今，40多年过去了，人类所直接捕捉到的中微子的踪迹，不过几十例而已。至今还没有人真正直接地观测到中微子的存在。

第二，最初，科学家设想，中微子近乎没有质量。或者较准确地说，中微子的静止质量为零。近年的研究表明，中微子虽然不带任何电荷，却是有质量。它的质量约为电子的两万分之一；而每个电子的质量，仅为一个质子的约两千分之一！

第三，天文学家估计，在“宇宙大爆炸”的时候，同时诞生的中微子约有10⁹⁰个！它们纵横于天地之间，自由地“飞来飞去”。它们可以极为轻易地穿过整个地球，整个银河系……

让我们一起来想象一下中微子的存在的状况吧。就在你看这几行书的时候，千千万万颗中微子，正在从你的头部穿过，横七竖八地穿过了你的眼球……这种景象是不是太“可怕”了呢？其实，一点也不可怕。因为，在中微子的“立场上”来看我们的宇宙，实在是太过于“空空荡荡”了。你设想一下，在太阳系中飞翔着一个“高尔夫球”的景象吧！中微子在任何密度巨大的物质中，就好像这只高尔夫球在太阳系中差不多。

有些科学家比喻说，如果能够制造出一块厚度达到几十光年的铅板（通常的核电站中的防护层的铅板厚度只有几米），中微子穿过这块铅板时，也不会撞上任何一个原子！

中微子是不是太微小了？可是，千万别小看了这些中微子。把上面的第二条和第三条的内容，作一个简单的计算，就会叫你大吃一惊。

10⁹⁰个中微子是什么概念？尽管每个中微子的质量只有质子或中子质量的四千万分之一，可是它们的总质量，却大约相当于2．5×10⁸²个质子的质量。这个质量，相当于4×10⁴²亿吨，即相当于2．5×10²³个太阳系的质量，或10¹²个银河系的质量。

粗略地说，中微子的总质量，很可能是我们全部可见宇宙质量的几十倍左右！

换句话说，有些天文学家估计，宇宙中我们地球人无法看见的“黑暗物质”，极可能占去了宇宙总质量的99%，而中微子则是黑暗物质的主要构成成分。

这种估计如果正确，那么整个宇宙发展的进程就会是另一种样子：迄今为止，我们看见的美妙和谐的宇宙，将由于这些黑暗物质的吸引作用，停止其无休止的膨胀的过程。随后，在宏观的范围内，引力重新占据了主导的地位。由“大爆炸”而诞生的宇宙，在经历了大膨胀的过程之后，缓慢地，同时又是无可避免地开始了“大收缩”的进程。

质量最为密集的空间区域，形成了所谓的“黑洞”——一种巨大的引力所控制的球状空间，在这个空间范围内，引力达到了如此的强度：进入该区域的一切物质，即使以光速运动，也无法逃离引力中心的强大作用力。于是，一切物质都将坠入这个神秘而不可测的中心，从地球人的所有观测工具的视野中消失掉。

在宇宙中，形成了无数的黑洞，黑洞之间也由于引力场的作用互相靠近。最后，整个现今所看见的半径约150亿光年的宇宙完全坠入到一个黑洞之中。强大的引力场扭曲了我们所知道的意义上的时间和空间，我们曾经描述过的诞生了的宇宙于是彻底的“毁灭”，它重新又回归为“一个点”。

有些科学家设想，宇宙也许就是这样“周而复始”地由一个点“大爆炸”而诞生，然后大膨胀，当膨胀终止了后，开始“大收缩”，最后回归为一个点。再从这个点上，重新开始另一个（次）宇宙生命的途程。

正因为中微子在实验天文学和理论天文学中，都占据着极其重要的位置，所以世界的天文学家正在协力，从天上到海底，追寻中微子的诡秘的“行踪”。中国、美国等国的科学家经过共同的努力，使用航天飞机，将一个中微子探测器，带到了航天飞机的飞行轨道上……日本的科学家决定在地下的深处，建造“捕捉”中微子的实验室。欧洲的科学家则选择大西洋的海底来建造同类的实验室。它们都是利用同一个原理：厚厚的海水层和地壳，将屏蔽住除了中微子之外的其他宇宙射线。因此，在那里的特殊的水介质中，能够激发出光亮的运动轨迹的，就非中微子莫属了。

2005年9月，由中日美法四国科学家组成的联合研究小组，利用日本东北大学位于岐阜県的地下装置“KamLAND”，首次捕捉到产生于地球内部的这种物质——中微子。这一发现结束了过去无法检测地球中微子的历史，将有可能开创地球科学研究的新局面。

希望21世纪的天文学家，能够告诉我们更多有关中微子的秘密。希望读者中，将有人成为这些科学家中的成员。

图为“KamLAND”观测装置及其内部的光电倍增管