上帝留下的缺憾

我们在上面指出，中微子振荡产生的根源在于中微子的本征态与现实中的中微子状态不一致。但是什么叫本征态？什么叫现实的物理态？普通读者难以理解。本节我们用地球中的“地磁偏角”现象进行类比，帮助读者理解。

原来，上帝造三代基本粒子的时候，就像造地球的时候一样，故意留下了一些不完美。中微子的本征态与现实态不一致就是其中一例。

我们试看地球的地磁场的南北极与地球自转南北极以及公转南北极并不重合，前者的夹角叫做“地磁偏角”，后者的夹角叫做“赤道黄道夹角”。人类对方向的感知、测量和定义都和具体的测量手段密不可分。如果夜观星象，那么很容易找到地理北极的方向，从而定义正北。如果野外又碰上下雨天，那么只能依靠指南针测量地磁北极的方向了。可是，你要寻找的是地理北极的正北，却只能测得地磁北极的正北，那怎么办呢？你会发现，只要相对于地磁北极的正北，再偏转一定的“地磁偏角”之后就搞定了。实际上，地球表面每一点“地磁偏角”的数值都不相同。你要是绕着地球一遍又一遍地走，就会发现一个奇怪的现象，地磁北极和地理北极的夹角发生了“振荡”，有时候偏东了，有时候偏西了，有时候又偏南了。可实际上，地磁北极的经度纬度都是固定的，只不过随着你的位置不同，它和地理北极的相对夹角发生了变化而已。这种现象称为地磁偏角随着探测者的位置“振荡”。

地磁偏角随着探测者的位置“振荡”

同样的道理，适用于所谓这个具体的中微子，那个具体的中微子，不过是量子场态空间的“地磁南北极”而已（叫做“味”本征态）。弱相互作用就是阴雨天的指南针，可以告诉我们探测到的中微子代表“哪个方向”（我们可以看出上下夸克的名字就是方向）。而我们无法直接测量中微子的质量本征态指向“哪个方向”，也就是对应的“地理南北极”（叫做“质量”本征态，就像“地理南北极”一样，它决定了量子态随时间演化的性质）。然而，当时间流逝时，中微子场态空间的“地磁南北极”和“地理南北极”之间的“地磁偏角”就会不断振荡。

于是，纯种的电子中微子从太阳中发射出来后，立刻就会成为一定比例的三种中微子的量子线性叠加。当它们到达地球上的探测器时，相互作用的测量会破坏量子线性叠加态，使它按照比例，以一定概率坍缩成电子中微子、μ子中微子或τ子中微子。就像“地磁偏角”的振荡跟你的位置和速度有关一样，中微子振荡也跟中微子流的位置和能量有关。例如，在我国的大亚湾核电站附近建立几个不同位置的中微子探测器，我们就会发现不同探测器中得到的三种中微子的比例是不同的，由近及远会得到周期性振荡的结果。

中微子组分随着飞行时间距离而“振荡”

考察中微子振荡的故事，一个自然的问题是，作为中微子的兄弟姐妹——夸克、电子们会不会也有振荡呢？答案是肯定的。实际上，由于夸克是参与强相互作用的粒子，夸克“振荡”的现象要比中微子振荡的发现早得多。只不过由于强相互作用的色禁闭，夸克不能独立存在，所以科学家观测到的是由（反）下夸克和奇夸克组成的K0介子振荡。我们在前面已经讲过，为了描述这两代夸克和质量本征态之间的夹角，1963年（当时还没发现第3代夸克），卡比堡引入了一个2×2的矩阵。到了1973年，当时日本的年轻学生小林和益川发现，卡比堡的矩阵好像“不够用”，就“顺手”弄了个3×3的矩阵出来（叫做CKM矩阵，这也从某种意义上预言了第三代夸克的存在）。30多年之后的2008年，小林和益川被授予诺贝尔物理学奖。顺带说一句，同年获得诺贝尔奖学金的还有著名美籍日裔物理学家南部阳一郎。

小林

益川

我们知道，夸克“振荡”和中微子振荡是自然界已证实的现象。一个合理的推论是，中微子的伙伴e、μ子和τ子之间也应该发生类似的振荡。可惜目前还没有确凿的实验证据。

我们已经知道，电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种类型。有一些科学家因而猜想：会不会是太阳中微子在以光速到达地球的旅途中，变成了另外一种、被戴维斯漏掉的中微子呢？

实验证实了理论物理学家的猜测。1998年，日本的超级神冈实验首次证实：太阳中微子确实在飞行中变成了3种中微子的混合型——中微子是可以变身的。2001年，加拿大的太阳中微子流测量实验（SN0）实验进一步证实，“丢失”的太阳中微子变成了其他种类的中微子，而三种中微子的总数并没有减少。“太阳中微子消失之谜”被解开了。