如何通俗的理解 2015 年諾貝爾物理學獎「中微子振蕩」的原理及其帶來的改變？

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10月6日，瑞典皇家科學院宣布，日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟-麥克唐納，他倆因為發現中微子震蕩而獲得2015年度諾貝爾物理學獎！

圖為阿瑟-麥克唐納。

對於不少人來說，因為平時工作忙，沒時間關心，對中微子震蕩不了解。所以在下就通俗地說一下，本文只適合對中微子振蕩不了解的普通人，全文沒有深入，都看得懂。如有錯誤，請各大神多多指教。

中微子是什麼

中微子，中微子，名字中既然有一個「子」，這說明它是一種小粒子；同時它還有一個「中」字，說明它跟我們熟悉的中子一樣，也不帶電，中性的；還有一個『微』字，說明中微子非常非常小，比中子電子還要小得多得多，甚至於，以前的科學家們還認為中微子是沒有質量的。只是後來，人們才認為，中微子是有質量的，但非常非常小，有點接近零。也正因為這樣，中微子非常神奇，它的速度非常快，不到1秒鐘，它就能穿過地球。

別說地球，它甚至能穿過太陽。太陽每分每秒都在產生大量的中微子，平均每秒鐘，會有好多萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。

中微子怎麼發現的

既然中微子嗖一下就穿過了地球，穿過我們每個人的身體，怎麼去抓住它？抓不住它，你又怎麼證明存在中微子這種粒子？

事實也是如此，當初，中微子只是一種推測出來的粒子而已。而這裡面，故事還挺有趣。

話說，好幾十年前，全世界的物理學家們被一個問題深深地困擾著，這就是『貝塔衰變』中能量不守恆的問題。

貝塔衰變很好理解，咱們以碳元素為例。碳元素排在第六位，通常它的原子核裡面有6個質子和6個中子，可是呢，有的碳原子核裡面卻有8個中子，6加上8等於14。所以，咱們把這類原子叫做碳14。

碳14很神奇，它們會向外發射電子。原來呀，碳14的原子核很不穩定，它裡面的某個中子有變身術，會變成1個質子加上1個電子！

這下就好玩了，你想呀，原子核裡面的1個中子變成質子和電子後，那原子核裡面豈不是會多出一個質子？既然質子多了1個，那它就不能再是碳元素了，它變成了氮元素，因為氮元素排行老七。

早在100多年前，對於碳14的這種現象，被當時的科學家們稱為——貝塔衰變！

說完了貝塔衰變，咱們再來說說能量不守恆又是啥情況。

還是拿碳14來舉例，碳14發生貝塔衰變的時候會放出能量，而能量由電子帶走，所以貝塔衰變時，會發射電子。按道理，電子具有多少能量應該是固定的，可奇怪的是，就算是完全相同的幾個碳14原子，它們發生衰變時，發射出來電子，能量竟然不一樣。

咱們來打個比方，有幾把完全一樣的手槍，當然，手槍子彈也是完全一樣的。可現在呢，朝相同的方向射擊，有一把手機能把子彈射到300米遠的地方，有一把呢，只能射到270米的地方，還有一把更可憐，只能射到250米遠的地方。你們說這奇怪不奇怪？

為什麼子彈射程不一樣？

是不是有的子彈，彈藥比較少，有的比較多？是不是每個碳14都不一樣？

但是，你怎麼證明兩粒碳14不一樣？無法證明，所以，所有的碳14是一模一樣的！

怎麼辦？

面對這個問題，當時的科學家們可是傷透了腦筋，不管怎麼折騰，總是找不到原因。搞到最後，實在實在是沒辦法了，當時的著名科學家波爾只好說，我猜，能量守恆定律可能不是正確的。至少在微觀世界，能量守恆定律是不通用的。

圖為波爾。

這下，波爾可是栽了個跟斗，鬧了笑話。因為能量守恆定律是我們這個宇宙的法則，它還從沒失效過。如果為了解釋小小的貝塔衰變，就輕易推翻能量守恆定律，那這代價也太大了。所以，很多科學家對波爾的這種解釋很彆扭。尤其是那個叫泡利的科學家，他非常不爽，因為泡利這人是個極度追求完美的人。可是呢，不爽歸不爽，他一時也找不到別的解釋。

圖為泡利。

後來，物理學家們決定召開一個會議，共同商討這個當時物理學上最大的謎題。而泡利本來是要參加的，可是最後，他臨時有一個舞會，而且他說，無論如何他不能缺席這個舞會。就算不能參加，泡利也想發表自己的看法，所以在1930年12月4日這一天，他寫了一封信給參加會議的人，這是一封名垂青史的信，在信上，泡利說「我有一個置之死地而後生的想法，為了確保能量守恆定律的正確性，我認為在貝塔衰變的過程中，除了發射出電子外，還有一種神秘的看不見的粒子，就是這種粒子帶走了部分的能量……」。1931年的時候，他又一次在物理學大會上提出並修正了他的看法。他說：「這種粒子是不帶電的，沒有質量的，也是不與任何物質發生作用的，所以我們是探測不到的。」

現在我們已經知道，泡利說的這種神秘粒子，其實就是中微子。

但是作為嚴謹的科學家，泡利有自知之明，他猜測存在中微子這種粒子後，頓時亞歷山大，甚至有點後悔。

為什麼呢？

因為泡利預言存在中微子，可是中微子無論如何是不能被觀測到的，那這幾乎等於沒說。因為我們可以隨意套用這種預言，比如，寒木也可以預言，咱們每個人的肚子裡面都長著一棵樹，可是無論如何我們是看不到這棵樹的，就算鑽到肚子裡面也看不見。所以，泡利意識到自己犯下了一個非常大的錯誤，他感到很鬱悶，為此，他自己也這樣承認，向別人寫信：「我做了件糟糕的事，我預言了一種無法觀測到的粒子……」

泡利是個很可愛的科學家，他不但對自己要求嚴格，對別人也要求很嚴，同時說話很刻薄，他總是喜歡給別的物理學家挑刺，而且不留情面。泡利的這種完美主義是出了名的。一次，他看了一位年輕的物理學家寫的一篇論文後，評價說「這論文不只不正確，它甚至連錯誤都算不上」。還有一次，一個義大利物理學家做完報告，準備離開會議室時，泡利對他說「我從來沒聽過這麼糟糕的報告。」，泡利說完後，他又突然回過頭，對瑞士的一個物理化學家說「我想如果你做這次報告的話，情況可能會更糟糕。」

還有一次，泡利想去一個地方，但不知道怎麼走，一位同事告訴了他。後來這位同事問他那天是否找到了想去的地方，泡利不僅沒有表達謝意，反而諷刺說「在不談論物理學的時候，你的思路總是很清晰。」

你看，既然泡利對別人都這樣，那他對自己就更嚴了。所以泡利預言存在不能被觀測到的中微子後，他的苦惱是可以理解的。

泡利是1958年去世的，在他去世的前兩年，也就是1956年，泡利終於可以揚眉吐氣了，因為美國科學家萊因斯和柯溫探測到了中微子存在的證據，這讓萊因斯在1995年獲得了諾貝爾物理學獎，而柯溫呢，因為他已去世多年，所以沒有獲獎。

泡利按理也應該獲獎，但他老人家早在1945年的時候就把諾貝爾物理學獎拿到手了。

太陽中微子消失之謎

說完了證實中微子確實存在的證據後，科學家們的信心更足了，其中就有一個雄心勃勃的美國科學家，名叫戴維斯。他準備在地下1500米深處探測那些從太陽發射出來的中微子。

中微子穿透力超強，不到一秒的功夫，就把整個地球給穿過去了。怎麼探測？別急，中微子並不是從來不跟任何物質發生髮應，它還是會跟某些特殊的原子發生反應，比如氯原子和氫原子，只是非常少而已，100億個穿過地球的中微子中，大約會有一個中微子與物質發生碰撞。

100億中只有1個，這也太少了，但是別忘了，宇宙中所有的恆星還有地球上各種核電站無時無刻不在產生中微子，所以中微子非常非常的多，平均每秒鐘就會有1萬億個中微子穿過我們每個人的身體，中微子是宇宙中數量最多的粒子之一，茫茫的宇宙空間中，大約每立方厘米的體積內就有300個中微子。

那麼，戴維斯為什麼非要在地下1500米深處探測中微子呢？在地上不挺好？

因為地面上有大量的來自宇宙空間的射線，這些射線會干擾實驗。所以，咱們國家大亞灣的那個中微子探測裝置同樣也是設在大山裡面，為的是讓厚厚的岩石擋住各種射線。

戴維斯的實驗是這樣的：

他將615噸四氯乙烯液體灌入地下1500米深處的一個大池子里，然後數十年如一日地等待中微子的降臨。根據天體物理學家對太陽的認識，經過嚴密計算太陽發射中微子的數量情況，戴維斯得出結論，他那個裝滿四氯乙烯的大池子每天應該能捕獲一個中微子。然而，經過多年的觀察，平均下來，他四天才能逮著一個。其餘的中微子跑哪去了？當時，也就是1968年左右，科學家們很困惑，要麼是戴維斯的實驗不精確，要麼是天體物理學家們對於太陽的認識有錯誤。戴維斯一年又一年不斷地完善實驗，最終結果還是一樣。

戴維斯說，我的實驗沒問題。

言下之意是，太陽中微子消失之謎，責任不在我，可能在天體物理學家的頭上。

可是呢，天體物理學家們也很委屈，他們算啊算啊，計算了好多遍，最終還是堅定地說：我們對太陽模型的計算絕對沒有錯！

奇怪了，既然誰都沒有錯，那到底誰錯了呢？這就是著名的「太陽中微子消失之謎」。

戴維斯不管那麼多，還是常年在那1500米深的金礦里干著捕捉中微子的偉大事業，他這一干就是30年。在這30年中，他總共才探測到大約2000個中微子。

後來呢，在日本的神岡，同樣也有一個大型中微子探測器，叫超級神岡探測器，由一個叫小柴昌俊的日本科學家負責領導。經過多年的實驗，小柴昌俊他們也發現，確實存在中微子消失的現象。

哦，原來這不怪戴維斯，因為兩個探測器都同時證明了中微子消失的現象。那麼，為什麼會有一部分中微子消失呢？1998年的時候，這個謎題終於被解開了，因為在這一年，超級神岡探測器證明了中微子具有一種神奇的本領——中微子在飛行的途中會變身！就像悟空能變成一隻小豬一樣。

中微子家族有三兄弟，這三兄弟分別叫「電子中微子」、「陶中微子」、「繆中微子」。這三種中微子在飛行的途中會互相變化，飛一會兒，你變成我，再飛一會兒，我又變成你。它們總是變來變去的，這種現象就叫做中微子振蕩。

中微子振蕩示意圖。

太陽中微子消失之謎解開了。戴維斯那個老舊的中微子探測器，只能探測到電子中微子，而其它的兩種是探測不到的。也就是說，當電子中微子飛到地球上後，搖身一變，成了繆子中微子後，探測器就探測不到了，所以，並不是中微子消失了，而是它變成了另一種當時還沒有能力探測的其它中微子而已。戴維斯沒有錯，天體物理學家對太陽的計算也沒有錯。為了表彰戴維斯和小柴昌俊在中微子研究上的貢獻，瑞典皇家科學院宣布，戴維斯和小柴昌俊同獲2002年諾貝爾物理學獎。

圖為小柴昌俊。

梶田隆章

上文咱們說了，超級神岡探測器由小柴昌俊負責領導，而今年獲諾貝爾獎的梶田隆章恰好受業於小柴昌俊。

小柴昌俊曾經說：「在繼承我衣缽的弟子當中，有2人足以獲得諾貝爾獎」。這裡的兩人，其中一個就是指梶田隆章，而今年，2015年，梶田隆章果然就獲獎了。

梶田隆章的獲獎理由是：預言並發現了中微子震蕩的存在！

圖為梶田隆章。

關於中微子的實驗

1998年，科學家們曾經做過這樣的實驗，就是先在一個地方人工發射中微子，當這些中微子穿過250千米厚的地層後，成功地被另一個探測器檢測到。從發射到檢測到，時間間隔只有短短的0.00083秒，並且證實，檢測到的中微子是來自人工發射的那個方向。

科幻一下，以後要是發明出中微子通信，那地球兩端的人，就可以利用來回穿過地心的中微子打電話了……

1987年2月23日，幾個天文台同時觀測到大麥哲倫星雲中，1顆叫做『SN 1987A』的超新星開始爆發。消息公布後，科學家們馬上檢查埋在地下的中微子探測器，結果發現，在天文台發現超新星爆發之前，幾個探測器已經提前3小時捕獲了共24個來自超新星的中微子，這其中就有11個中微子是被超級神岡探測器探測到的。雖然，在這次超新星爆發中，科學家總共只捕捉到了區區24個中微子，但是，科學家們能根據這個數量，大體推斷出這次超新星爆發的規模和其他一些重要情況。自從這次觀測到超新星的中微子後，又一門新學科誕生了，那就是中微子天文學。我們知道，宇宙中存在大量的星際塵埃，對光有很強的遮擋作用，這讓我們難於探測到遙遠宇宙的奧秘，而中微子呢，它恰好可以穿過大量物質，所以中微子以後能夠為我們帶來宇宙極深處的信息。