每秒鐘，都有成萬上億個中微子越過我們的眼睛甚至穿越地球

神秘的中微子

「現代物理學所有理論的基石」——愛因斯坦於1905年提出的狹義相對論，正在受到一個「小小的中性粒子」的衝擊。這個小傢伙就是今天這篇文章的主角——神秘的中微子。

狹義相對論認為，沒有任何物質的速度能超過光速。然而假設中微子超光速現象客觀存在，那麼其意義會非常重大，整個物理學理論體系將因之重建，人類對宇宙如何運轉的理解也將改變。

沒有電荷，呈電中性，有極強的穿透力，質量非常小，與其他物質只存在弱相互作用，至今我們還不能完全掌握和認識它的特性。

1930年，奧地利著名物理學家沃爾夫岡·泡利在研究原子核放射β粒子的時候發現原子核蛻變前的能量比蛻變之後要大，這個現象與神聖的能量守恆定律相悖。泡利隨即提出了相關假說，他認為有一種無法探測到的新的中性粒子帶走了那一部分消失的能量。正是這種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去才導致實驗中能量守恆定律的失效。

1931年，義大利著名物理學家恩里克·費米在參加羅馬會議期間和泡利就這種無法探測的中性粒子進行了討論。「中微子」這個術語是費米在一次閑談中提出的，最初只是為了與尚未在實驗中探測到的「中子」加以區別。1932年，當真正的中子被發現後，費米將泡利預測的無法探尋到的中性粒子正式命名為「中微子」。1933年，費米在義大利完成了一篇關於β衰變的基礎性論文。費米的這篇論文將泡利的假說從定性轉變為一個定量的、有超凡預見價值的完備理論，並在理論上肯定了中微子的存在。

中微子由於具有奇異的特性，致使它在物理學上的探索和發展甚是緩慢。在探索中微子的道路上，一位中國物理學家的身影如燈塔一般指引著大家的研究方向，他就是被譽為「中國核武器之父」、「中國原子彈之父」的王淦昌院士。他對中微子早期的研究工作有很大的啟示和推動作用。

1930年，就在泡利剛剛提出關於中微子是否存在的假說的時候，王淦昌也正在關注這個問題。當時他還是德國柏林大學的一名研究生。1941年，王淦昌教授完成了一項重要的搭橋工作，他寫了一篇題為《關於探測中微子的一個建議》的文章。由於當時國內各學術刊物經費困難，科學技術也相對落後，王淦昌就將這篇探測中微子的實驗方案論文寄到了美國，並於1942年1月在《物理評論》上發表。事後證明，正是由於這篇文章的引領和指導作用，人類才會在今天認識到中微子的存在。

1942年6月，王淦昌的論文發表後不久，美國物理學家艾倫開始按照王淦昌的建議做了K電子俘獲實驗。幾年之後，艾倫發表了一篇被認為是該年度甚至是該年代物理學界最重要的論文之一—《一個中微子存在實驗證據》，通過實驗結果證實了中微子的存在。然而受到當時世界整體科學條件的限制，實驗並不是非常成功。王淦昌知道結果後仍不滿意，1947年又寫了《建議探測中微子的幾種方法》發表在《物理評論》上。1952年，艾倫與羅德巴克合作，第一次成功地完成了實驗，同一年戴維斯也實現了王淦昌的建議，並最終證明一個中子在β衰變過程中產生的中微子不是幾個而是一個。

在完成了證實中微子存在的試驗之後，進一步的工作就是測量中微子與質子相互作用所引起的反應，直接探測中微子。但是中微子本身的特性決定了探測實驗的困難，中微子體積小，運動速度快，與物質的相互作用又弱。所以，直到1956年這項探測試驗才由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。整個實驗選擇在擁有強中微子源的核反應堆進行，選用氫核（質子）作為靶核，同時配備兩個容器，容器中則裝滿了液體閃爍計數器，這種計數器的特點就是每來一個射線就會發出一次熒光。由於中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的 頻閃很有特異性，從而證實了中微子的存在。這項偉大的實驗，最終讓萊茵斯於1995年獲得了諾貝爾物理學獎。

中微子的研究在粒子物理學乃至整個物理學中都佔有極其重要的地位。針對中微子的研究成果已經摘得至少三次物理學界中的最高榮譽——諾貝爾物理學獎！隨著物質顯微鏡以及高能加速器、對撞機的發展，現在我們已經能夠知道中微子家族有三個成員，它們分別是電子中微子、μ中微子、τ中微子。每種中微子的發現時間至少間隔20年，這是由於它的特殊性及科技發展的程度所決定的。粒子的波長是與同粒子的速率成反比的，唯一探尋粒子的途徑就是提高被探測粒子的速率，所以我們只能不斷製造更高能的物質顯微鏡來滿足我們對認識微觀世界的求知慾。源自於宇宙大爆炸、超新星爆發和宇宙中其他物理過程所殘留下來的中微子充斥著整個宇宙，我們周圍到處都有它的身影，其具體數值是每立方厘米100個左右。我們的每一舉手投足之間，都有成萬上億個中微子越過我們的眼睛，透過我們的身體，甚至穿過地球。

通過許多頂尖的物理學家對中微子家族半個多世紀的研究，我們認識了許多關於中微子的性質、運動變化規律，但這僅僅是茫茫大海中為數不多的幾朵浪花而已，關於它的許多問題仍然困擾著全球最頂級的物理學家們，有待於他們去探索和研究。比如中微子的質量問題到底是怎麼回事？反中微子是中微子本身還是一種新粒子？有沒有右旋中微子？中微子的速度與光速相比到底是快是慢？這些謎正是將微觀世界與宏觀世界聯繫起來的重要環節。倘若中微子的研究領域有所突破，相信對我們真正了解宇宙會有關鍵性的幫助。

對中微子的研究，不僅在高能物理和天體物理中具有重要的意義，而且在我們的日常生活中也有現實意義。比如中微子通訊，由於中微子可以自由、快速且基本無耗地穿透地球，那麼將中微子束加以調製，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點間進行通訊聯繫，從而無需昂貴而複雜的衛星或微波站。又如利用高能中微子束對地層進行CT掃描，可對深層地層的未知世界進行勘探。

我們堅信，隨著科學技術水平的不斷提高，科學裝備逐步精良，在不久的將來，人們對中微子必定會有更深入的了解和應用。到那個時候，或許一切關於宇宙的奧秘和地球的謎團都將得到合理的解釋，而人類也將真正打開一個完全未知的新世界。

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