寻找宇宙隐身人

　　探索宇宙的奥秘，预测宇宙的未来，是人类自古以来的梦想。而要深入了解宇宙的运动规律，就必须尽可能多地收集来自宇宙中的各种信息。从伽利略开始将光学望远镜应用于天文观测以来，天文学家主要是通过可见光来了解遥远天体的秘密。但是随着物理学的进步，天文学家的观测手段也日益增多，其视野逐渐延伸到无线电波、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线甚至中微子。这些被一个个打开的“窗口”向人们展示了宇宙中光怪陆离的绝妙风景，人们对宇宙的认识也随之逐渐深入。今年的诺贝尔物理学奖得主贾科尼的贡献就在于他将物理学中探测X射线的手段应用于天文观测，因此促成了“X射线天文学”的诞生；而戴维斯和小柴昌俊的获奖则是因为在“中微子天文学”方面的杰出成就。

　　寻找了26年的幽灵

　　要追溯中微子的发现经过，就需要了解科学家在19世纪末20世纪初对放射性的研究。人们当时发现，物质在贝塔衰变过程中释放出的由电子组成的贝塔射线的能量分布（能谱）是连续的，这与原子光谱以及原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线能量的不连续性完全不同。而且更奇怪的是，贝塔衰变释放出的电子只带走了反应中产生的一部分能量，还有一部分能量则不知所踪。

　　这一现象显然与原有的粒子理论不符合，当时的一些大科学家比如尼尔斯•玻尔（Niels　Bohr）因此怀疑是能量守恒定律出现了问题，但是，奥地利物理学家沃尔夫冈•泡利（Wolfgang　Pauli）却于1930年提出另一个假说，认为在贝塔衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、与光子有所不同的不带电的新粒子也同时放射出去，并带走了另一部分能量。他认为这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到，因此将这种粒子命名为“中子”。泡利最初以为这种粒子原来存在于原子核中，但在1931年的一场讨论会中他提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家恩里科•费米（Enrico　Fermi）将泡利的“中子”正名为“中微子”。

　　1933年，费米利用中微子概念提出了贝塔衰变理论，指出自然界中除了已知的万有引力和电磁力以外，还存在第三种相互作用—弱相互作用力。贝塔衰变就是原子核内一个中子通过弱相互作用力衰变成一个电子、一个质子和一个中微子的过程。费米成功地描述了贝塔射线能谱连续和贝塔衰变半衰期的规律，贝塔射线能谱之谜终于解开了。

　　中微子假说和贝塔衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙有一层迷雾：谁也没有见到中微子，就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的。1941年，中国物理学家王淦昌提出了一种间接探测中微子的实验方案。1942年，美国物理学家阿伦（J.S.Allen）根据王淦昌的方案做出了证实中微子确实存在的实验结果。但当时的实验不是非常成功，直到1952年，阿伦与罗德巴克（G.W.Rodeback）合作，才第一次成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的方案。

　　在证实中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与其他粒子的相互作用，直接探测中微子。由于中微子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。直到1956年，这项实验才终于由美国物理学家弗雷德里克•莱因斯（Frederick　Reines）与克莱德•柯温（Clyde　Cowan）合作完成。他们利用核反应堆做中微子源，选用氢核（质子）做靶核，将两个装有氯化镉溶液的容器夹在三个液体闪烁计数器中。这种液体在射线下能发出蓝色荧光，每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。此时距泡利首次提出中微子假说整整过去了26年。莱因斯因此与发现陶子的美国物理学家马丁•珀尔（Martin　Perl）分享1995年诺贝尔物理学奖。但遗憾的是，获奖者中没有柯温—他已去世多年了。

　　宇宙中的过客

　　根据现代科学理论，我们的宇宙是在大约150亿年前的一次大爆炸中诞生的，大爆炸以前和大爆炸最初10的-43方秒以内，宇宙是什么样我们还无从知晓。我们只知道大爆炸后10的-43方秒时，宇宙的密度高达每立方米1000亿亿亿亿亿亿公斤，温度是1亿亿亿亿摄氏度。当时世界上的物质是我们还不清楚的粒子。随后，宇宙中出现了大批我们今天所认识的“粒子”，这其中就有中微子。由于它们不带电，质量极小（从前认为等于零，现在看来有点问题），与其他粒子的相互作用极弱，所以长期在太空遨游。还有另外一些粒子，由于它们的相互作用较强，随着宇宙温度的变冷而逐渐凝结成原子、分子，凝聚成星球。大约50亿年前，太阳和太阳系形成了，其中也包括地球。在微观世界中，中微子一直是一个无所不在而又不可捉摸的过客。这种粒子在宇宙中的数量多如牛毛—平均每秒钟就有1万亿个中微子穿过一个人的身体，但由于它实在太“懒”，极难与其他粒子发生反应，所以具有超乎寻常的穿透力。通常的说法是它可以穿过100光年厚的铅块而不受影响。平均而言，每年只有一个中微子同我们身体的一个原子发生相互作用。

　　除了大爆炸后留下来的中微子以外，产生中微子的途径还有很多，如恒星内部的核反应、超新星的爆发、宇宙射线与地球大气层的撞击，以及地球上各种物质的衰变等。但由于中微子难以捉摸，以致人们至今对它的认识还很肤浅，就连它有无质量也还没有最后搞清楚。幸好，100光年厚的固体铅块只是个平均算法，它偶尔也会与物质粒子发生反应，从而使我们捕捉到中微子的踪迹。

　　失踪的太阳中微子

　　太阳是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量来源。尽管到达地球的太阳光热辐射总功率高达170万亿千瓦，也不过是太阳总辐射量的二十二亿分之一。19世纪，有科学家认为这些能量因引力收缩从势能转化而来的。但科学家计算发现，这种能量只能供太阳燃烧200万年，显然与实际情况不相符，因为太阳的实际年龄已经有50亿年了。

　　那太阳到底靠什么发光呢？在1920年，斯顿（F.W.Aston）用他发明的质谱仪器发现4个氢原子核比一个氦原子核重，英国天体物理学家爱丁顿（A.S.　Eddington）立刻认识到这个发现的重要意义。在同年他指出太阳可以通过4个氢核聚变成一个氦核而发光。根据爱因斯坦的质能方程，这个聚变反应可以把0.7%的质量转化成能量。通过20世纪30年代几位物理学家和天文学家的工作，这个问题慢慢明朗，最后由贝特（H.A.　Bethe）提出一个被普遍公认的太阳模型（他因此获1967年诺贝尔物理学奖）。根据这个模型，在太阳内部发生着两种类型的核反应：质子－质子链反应和碳－氮－氧循环反应。太阳内部的核反应发生在太阳表面以下70万公里的深处，太阳光子从太阳深处的核反应中产生后，经碰撞、吸收、再发射过程，原有形态的光子几乎不可能到达太阳表面。该模型预言，在4个氢核聚成一个氦核的反应中，同时发射出2个正电子、2个中微子和一些能量。由于中微子几乎不与什么物质发生作用，即使在太阳内部也通行无阻，以接近光速离开太阳中心，几分钟后就到达了地球。显然，如果这个模型是正确的，那太阳就是一个强大的中微子源，它会时刻释放出大量的中微子流。如果可以探测到太阳中微子，我们不但可以证明太阳的确是靠核聚变发光的，而且还可以进一步研究太阳内部的活动。因为在太阳的核心，光子产生之后会迅速被折射或吸收，简直没有希望直达太阳表层并最终旅行到地球被我们接收到，因此不能指望通过接收这种光子来探测太阳内核。但中微子就不同了，因为它几乎不和任何其他粒子作用，因而它不被任何物质吸收或偏转，可以从产生地以光速沿着直线飞出去，并且也能和地球相遇。无论是白天或是黑夜，它们都可以毫无阻挡地穿过地球。白天是从头顶上面飞来，而夜晚则是从脚下面飞来。假若存在中微子望远镜可以观测中微子的话，那么我们可以看到在日面的中心有一个小的亮斑。这个亮斑是在恒星的中心区域，即有核子聚变反应发生的地方产生的。用这架望远镜当然也能在晚上看到这个亮斑，只需在太阳下山以后，把望远镜指向地平面以下太阳所在的方向，因为地球对于这架望远镜来说是透明的。但是中微子望远镜是不存在的。因为要造一架这样的望远镜，必须能够用透镜或反射镜将中微子进行偏转，正像在照相机或电子显微镜中可以将光线或电子进行偏转一样，然而中微子却永远是直线飞行的。虽然中微子还是有一定的几率与其他物质发生反应的，但这个几率微乎其微—1000吨超纯重水每天不过和10个中微子发生反应而已。因此，在20世纪50年代，大部分科学家都认为，探测太阳中微子几乎是不可能的，而戴维斯却是那个年代惟一一位敢于探测太阳中微子的科学家。

　　为了捕捉中微子，戴维斯领导研制了一个巨大的新型探测器，它的主体是一个注满615吨四氯乙烯液体的巨桶，并被放在美国胡姆斯塔克（Homestake）金矿1500米深的废弃矿井中。这个探测装置如此之大，是为了尽量增加与中微子发生反应的可能性；而将它隐藏到如此深处，是因为这里除去穿透力超乎寻常的中微子以外，宇宙中的其他辐射都被过滤掉了，否则极少量的中微子信号将淹没在其他宇宙射线的干扰之中。在这以后建造的中微子探测器同样也遵循这个原则。

　　这个装置是利用中微子和氯的同位素氯37的反应来捕捉中微子的：当中微子与液体中的氯37碰撞时，就会转变为氩的同位素氩37，氩37是半衰期为35天的放射性同位素，通过探测氩37就可以“抓”住中微子了。但是，要探测到氩37也不是一件容易的事：按照太阳模型计算，在戴维斯的巨桶中每天只能产生一个氩37。考虑到氩37的半衰期为35天，在这个巨桶中最多也不过存在35个氩37。要在615吨液体中找出35个氩原子，这个任务就像在一片沙漠中找出某一粒沙子一样困难—因为仅仅在1立方厘米的液体中氯原子的数量就已多到要用一个22位的数字来表示了，而戴维斯的巨桶里有39万升液体，即有3.9亿立方厘米！但这个难题最终还是被戴维斯解决了。他首先将氦气注入到液体中，再借助氦可将氩37原子漂洗出来。实验结果证明，用这种方法可将池子中95%的氩37原子提取出来。因为氩37原子是有放射性的，因此一旦从池子中取出来并发生衰变时，就很容易被计数管测量出来。

　　戴维斯一干就是30年。在这30年中，他一共才探测到约2000个中微子。观测到太阳中微子直接证明了太阳内部确实在进行着由氢聚变为氦的核聚变反应。但同时问题也出来了：实验结果表明，戴维斯的装置平均每4天才有一个反应发生，只是我们用太阳模型计算出来的期待值的1/4。这就是有名的“太阳中微子亏损”问题。天体物理学家一遍又一遍地计算太阳模型，戴维斯不断地寻找着一切可能的误差来源，然而这个矛盾始终存在。是我们在太阳的计算中有错误，还是金矿中的实验不正确呢？这个重要问题引发了对中微子性质的进一步深入研究。

　　新学科的诞生

　　在戴维斯几十年如一日努力工作的同时，东方的科学家也将目光投向神秘的中微子。在日本的神冈，小柴昌俊领导研制了另一台大型中微子探测器。

　　小柴昌俊的探测器在原理上与戴维斯的探测器有一定区别，它用水而不是氯来俘获中微子。原来，中微子也有可能与水中的氢原子核发生反应，产生一个电子，这个电子可引起微弱的闪光，探测这种微弱的闪光就可证实中微子的存在。小柴昌俊证明了戴维斯的实验结果，而且更精确地探测到来自太阳的中微子的流量大约只有理论值的一半，而更重要的是，它还捕捉到了来自远方超新星爆发产生的中微子。

　　1987年2月23日，格林尼治时间10点35分，南半球的几个天文台观测到距地球最近的河外星系大麦哲伦云中一颗编号为SN1987A的超新星开始爆发。这是400年来第一次有如此近的超新星爆发。这个消息公布后，小柴昌俊立刻查阅了探测器记录数据的磁带，发现在当天格林尼治时间7点35分左右总共捕获了12个中微子。同时，其他国家的中微子探测器也捕获了大约12个中微子。由此可以得出结论：这24个中微子正是这颗遥远的超新星爆发时产生的，这是人类第一次观测到太阳以外的宇宙中微子，它直接证明了超新星爆发过程中确实形成了中子星。

　　在超新星爆发时，星球内核引力塌缩的最初阶段温度激增至100亿摄氏度，在如此高的温度下，质子与电子发生反应转变为中子并放出大量中微子。该反应会产生强大的激波向外扩散，将星球外层物质加热到几十万度而导致爆发，发出大量的光辐射。中微子比光先到达地球3个小时的时差，就是激波从核心传到星球表面的时间。

　　以这次观测到超新星的爆发为标志，天文学的一个新领域—中微子天文学诞生了。由于宇宙中存在大量的星际尘埃，对可见光和电磁波有较强的遮蔽作用，使我们无法探测遥远宇宙的奥秘。而中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应，从而为我们带来了宇宙深处的信息。例如，虽然SN1987A爆发时只记录下了24个中微子，但却可以推算出这颗超新星爆发的总能量和爆发后形成的中子星的直径与质量。

　　关乎宇宙的命运

　　自泡利提出中微子假说到现在已经过去70多年了，但中微子始终是萦绕在科学家头脑中的难题，而且对中微子的研究很可能还是“新物理学的突破口之一”。首先，引发“太阳中微子亏损”的原因很显然有下面的可能性：我们的太阳活动模型错了，也许太阳核心的温度并不像估计的那么高，所以算出来的理论预期值就是错的；或者有一些太阳中微子在旅行途中“变味”了，成了别种类型的中微子，科学家将此称为“中微子振荡”。

　　现在已经知道，中微子实际上有三种类型，即电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，我们不妨将其理解成三种“味道”：电子味、缪味和陶味。由于太阳产生的中微子主要是电子味的，而过去的观察仪器只能探测电子味的中微子，所以引发了“太阳中微子亏损”问题。但根据现代物理学的所谓“标准模型”，中微子没有静止质量，而不同味道的中微子要相互转化，也就是发生振荡，就必须具有静止质量。也就是说，如果是这种情况，标准模型就不大标准，需要修正了。

　　1998年6月，日本科学家宣布，超级神冈（Superkamiokade）中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量，这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本，希望亲眼目睹实验过程。因为这一点如果被证实，那么现有的理论物理体系将受到巨大冲击。

　　2001年6月，美国和加拿大科学家宣布，位于加拿大安大略省萨德伯里的一个镍矿中的“萨德伯里中微子观测站”（SNO）的测量结果表明，太阳释放出的电子中微子在旅途中的确有一部分转变成了其他类型的中微子。如果考虑到这一因素的话，实验值与太阳模型是很吻合的，所以太阳模型暂可不必修改，而基本粒子标准模型就大有问题，“需要新的物理学来把新的实验结果融合进去。”事实上，科学家对中微子是否有质量如此关注的原因，还在于这个问题牵扯到我们的宇宙命运将会怎样。

　　目前大多数科学家都认为，我们的宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸，在此以后它就在不断膨胀着。那么将来的宇宙是不断膨胀下去，还是膨胀到一定程度后在自身引力作用下发生收缩呢？这两种命运完全取决于宇宙的总质量。如果总质量小于某个临界值，宇宙自身的引力就不足够大，前者将会发生；反之后者将会发生。

　　如果中微子的静止质量不为零，虽然单个中微子的质量微不足道，但由于它的数量在宇宙中极其巨大（平均每立方厘米有300个，密度与光子相仿，比其他所有粒子要多出数十亿倍），因此必将影响到宇宙如何演化的问题。由于中微子静止质量的介入，宇宙质量密度将大到足以超过临界密度，使今天正在膨胀的宇宙在将来某个时刻停止膨胀，转而成为收缩的宇宙，最终塌缩成奇点。

　　中微子是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质，但是仍有许多谜团尚未解开。虽然中微子的静止质量不为零已经基本上被实验证实了，但存在的问题依然很多。例如，目前还不能确定中微子的绝对质量，另外，目前人们只是从实验室探测到了电子中微子和缪子中微子，而陶子中微子还只是理论上的推测，实验中还没有直接观测到。自然界中是否还有其他“味”的中微子呢？各种中微子的质量到底是多少？实验还不能给出明确的回答。中微子静止质量不为零的事实解决了目前粒子物理学和宇宙学中很多基本的问题，但同时又使粒子物理学面临着巨大的挑战。我们可以预期，未来宇宙的形成和演化的图像也将会与现在有很大的不同。由于中微子静止质量还没有被确定，因此我们对宇宙的历史和它未来的命运仍然不能完全知晓。

　　中微子也是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义，在我们的日常生活中也有现实意义。中微子本身也有可能在21世纪得到应用。

　　可能的应用之一就是中微子通信。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通信卫星和地面站。而中微子可以直接穿透地球，在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减1‰，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通信联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。