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午夜給太陽拍照,用的什麼鬼相機

午夜驕陽

到了晚上,太陽的到了地球的另一面。如何在地球的陰面拍攝到太陽呢?這並不是一個腦筋急轉彎,而是一個物理問題。太陽發射的光子,通通都被地球擋住了。但太陽發出的有一種粒子,可以輕鬆地穿透地球,它的名字就叫中微子。

能量盜賊

中微子的發現史要追溯到上個世紀三十年代。放射性元素有一種衰變,叫做貝塔衰變,放射出貝塔射線。所謂貝塔射線,就是高速的電子。物理學家在研究元素的貝塔衰變時,發現一個詭異的現象:能量不守恆。反應前和反應後能量不相等。這讓一些物理學家開始懷疑能量守恆定律。

而一位名叫泡利的年輕物理學家,藝高人膽大。他曾經提出過泡利不相容原理,描繪了原子的電子排布邏輯。這一次,大膽提出了另外一個假說:存在一種非常小的中性粒子,盜走了一部分能量。因為不帶電荷,泡利當時將之命名為中子。

1932年,原子核內發現了質量和質子相當的中性粒子,就挪用了中子這個名字。而泡利假設的那個粒子,因為非常之小,被費米改名為中微子。

1956年,中微子被物理學家在實驗室中證實。

飛奔的幽靈

中微子是宇宙基本粒子之一。

中微子的質量非常小,不足電子的百萬分之一。

中微子的速度非常之快,和光速非常接近。

中微子更牛逼的屬性是穿透萬物。穿越百萬光年厚的鐵板而不減速。被稱為宇宙的隱形人。

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當然,穿越地球更不在話下。在也是會什麼能夠利用中微子在午夜給太陽拍照的原因。

先知

中微子的產生通常和核反應有關,核衰變,核聚變,核裂變。宇宙中存在四種基本的力:引力,電磁力,核強力,核弱力。中微子僅與核弱力發生作用。

中微子的速度近似光速。在非真空的介質總,光速可能下降得非常厲害。因此,在介質中中微子可能超越光速。因此,可以通過探測中微子「」預先「」發現宇宙事件。

以太陽為例。太陽的原理參考:太陽公公的洪荒內力

太陽內核中,4個氫原子聚變為1個氦原子,同時釋放出中微子和光子。

中微子和光子誰先到達地球呢?

太陽本身並非透明物體,而是等離子體。(等離子參考:用普通燈泡人造球狀閃電,見識等離子體)

光子不斷地受到等離子的吸收與釋放,傳播速度非常緩慢,需要數以萬年,才能到達太陽表面。

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圖:光子在太陽內的隨機徘徊,舉步維艱

而中微子只需要2分鐘,就可以到達太陽表面,再花8分鐘,即可到達地球。因此,以太陽的內核作為起跑線,地球表面作為終點,中微子遠遠地將光子甩到了身後。通過中微子可以探測太陽內核10分鐘前的活動,而不是數萬年前。

除了太陽之外,其他很多宇宙事件中,中微子也是走在了光的前面。例如超新星爆發,光子衝出星體殘骸需要時間,中微子就可能比光提前幾個小時到達地球。如果超新星距離地球位置在100光年之類,其射出的伽馬射線足以殺死地球上所有生物。中微子的提前預警,可以為人類爭取到最後幾小時的逃亡時間,如果人類擁有能力逃亡的話。

高科技圍獵

如同鬼魅,在宇宙中肆意穿行無阻。

每秒鐘,數以萬億計的中微子穿透我們的身體,數年時間,才有一個中微子被攔截下來。可以想像,捕獲中微子是非常困難的。物理學家通過數十年的努力,建造出人類的超級工程,才能抓捕到極低比例的幽靈。

午夜太陽的製作者為日本的超級神岡中微子探測器。這裡簡介一下此神器。

其主體部分是一個地下1000米的巨無霸水罐,裝了5萬噸高度純凈水。罐壁裝了1.1萬個光電倍增管,以探測罐內的光子。

之所以裝這麼多水,是因為中微子數量雖多,但與水發生反應的幾率極低。要想中獎,就必須量大。

之所以裝這麼多光電倍增管,是要將各個方向的光子捕獲。

圖:工作人員在小船上清洗光電倍增管。

光電倍增管是一種檢測光的非常靈敏的探測器。哪怕是一個光子,光電倍增管也能通過放大作用而檢測。

但是~~,我們要捕獲的是中微子,和光子有和關係?大量的中微子在穿越大量的水分子時,總有一定的概率中獎,中微子與水發生反應,釋放出高速運動的帶負電荷的μ子。這種粒子引發切倫科夫效應,發出光錐,而被光電倍增管俘獲而識別。

那麼,什麼是切倫科夫效應呢?

超越光速——切倫科夫輻射

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先從聲波說起吧。聲波源於介質的物理振動,如同池塘里的漣漪向周圍傳播。物理圖像是很多同心圓。

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如果音源本身(飛機)在運動,速度小於音速。波紋的密度(波長)就會發生變化,飛機前方的頻率(與波長為反比關係)變高,飛機後方的頻率變低。同心圓變形。

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如果飛機速度提高,突破了音速,形成的物理圖像就發生了質變。聲波的覆蓋範圍會形成一個圓錐。此時聲波就具有了一定的方向性,聲波的能量得以聚集。聲音會很轟動。此時有個名詞,叫 sonic boom(音爆)。

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回到光。光具有波粒二象性。其中的波動性與聲波類似。當光源運動速度超過光速時,就會出現光錐。等等。超過光速?是不是犯了常識性錯誤?

我們一般所說的光速不可超越,是指真空中的光速,是三十萬公里每秒。然然而在介質中,光速下降,在純水下降到75%。這種情況下,光速就不再是極限。中微子與水反應生成的負μ子在水中就超越了光速。

好了,數以萬萬億的隱形人中的一小撮倒霉蛋轉換為一道光錐時,嚴陣以待的光電倍增管陣列就可以對中微子驗明正身。

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