热度 9 |
《2012》的致命漏洞
前文我们提到过，在太阳内部的核聚变反应中，弱相互作用占有重要的地位。许多弱相互作用都会产生电子中微子。我们知道中微子不带电，又不像电子，质子，中子那样参与那么多相互作用。因此，许多中微子一经产生，就很容易以（接近）光速从半径几十万公里的太阳内部跑出来。相比之下，核聚变释放出的光子，由于频繁参与相互作用，反复被吸收发射，从太阳内部跑出来的平均时间是1万年到17万年。这是多么不可思议的事情，我们所沐浴的温暖阳光，竟然是数万年前从太阳内部产生的，虽然跑完从太阳表面到地球的距离，光只需要8分钟。
因此，虽然人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光，但是从太阳这样的恒星中获得的信息有点儿“过时”。如何才能获得“即时”的信息呢？那就探测太阳发出的电子中微子吧！【注1：1987年一颗超新星爆发时发射的中微子流比可见光早了两个半小时抵达地球】
说到太阳发出的电子中微子，大家也许会立刻想起电影《2012》来。在这个伪科幻电影中，人类之所以面临地狱般的劫难，就是因为这些电子中微子加热了地核。实际上，《2012》的漏洞非常明显。地球上的每一平方厘米的地方，每秒钟都有百亿个太阳中微子穿过。如果从太阳内部发出的中微子能加热半径数千公里的地球，那么它首先应该加热数十万公里的自身才对。那样的话，人们早就会发现太阳不对劲了，还用的着挖那么大的一个坑才发现？其次，人体本身也是由基本粒子组成，人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。如果中微子的能量那么容易被吸收，难道人类不会先被照出病来吗？况且，地球本身也会发射大量中微子…在所谓的太阳中微子引起的山崩地裂之前，人类早该变成蜂窝煤了。
真实的情况是，中微子能够很容易地穿透地球，然后它们“挥一挥衣袖，不带走一片云彩”。这是因为能够吸收中微子的弱相互作用反应截面比较小，而中微子又不参与强相互作用和电磁相互作用。这个原因很好理解，设想影视歌三栖明星，外加金马奖金曲奖得主，让他不戴墨镜不乘车在南京路步行街走两圈试试看？肯定没两步就让人拦住签名了，说不定还有人即兴求爱呢。可同样是名人，你把诺贝尔物理学奖得主温伯格请到南京路，抬一块写着电弱相互作用哈密顿量的小黑板，再拿个高音喇叭边走边喊：“瞧一瞧看一看，温伯格来上海啦”。可能一条街走七个来回都没几人待见他。为啥？这就是由“相互作用类型不同”，“反应截面太小”造成的。
温伯格有时候也会上科普纪录片，他写的每一部书都是经典。
“实验报告出炉日，家祭无忘告乃翁”
因此，好消息是2012年不会像电影里一样，坏消息是探测太阳中微子非常困难。上世纪60年代，物理学家来到美国南达科他州的一个1千5百米深的矿井中，安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳中微子会被氯37原子核内的中子吸收，使后者变成一个质子，并释放出一个电子。然后，氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37，就会知道这个装置吸收了多少中微子。不过，这些被吸收的中微子并不全是太阳发出的。除去噪声，物理学家得到的结果是平均每天吸收0.5个太阳中微子，一年才180多个！为了得到令人信服的大量数据，在参考文献引用的一张一页半长的表格里，这个实验整整跨越了25年！设想一个学生刚刚博士毕业，打算测量一下中微子，出一些有意义的成果评个好职称。运气好的话，论文发表时，他同学的娃都大学毕业了；运气不好的话，实验进行到一半就下岗了。正可谓：“实验报告出炉日，家祭无忘告乃翁”（当然，阶段性的成果还是会有的）。
（这是中微子吸收过程的一个费曼图的演示，中子和质子被表示成了三个上、下夸克和胶子组成的束缚态）
实验报告的出炉并没有让忙碌了大半辈子的物理学家松一口气，反而更加疑惑起来。因为根据对太阳模型的理论计算，中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。其余的中微子跑到哪儿去了呢？这个事情被称为“太阳中微子丢失之谜”。此时，善于根据答案解释英文阅读理解题的理论物理学家们开始发挥特长了，为了能在数据的枪林弹雨中生存下来，各种理论物理小白鼠要开始突变了。物理学家最先想到的是修改太阳模型，但很快宣告失败。因为太阳模型一更改，跟其他的观测就对不上了。那么太阳的中微子为什么会丢失呢？聪明的你一定猜出来了，是因为“普天同庆”变成了“团队之星”，中微子发生振荡啦！
上述实验中的四氯乙烯是专门用于探测吸收太阳电子中微子的，如果电子中微子在到达地球前，转化成了μ子中微子或者τ子中微子的话，得到的数据当然比理论值偏小了。按照这个解释，如果设计一个能够同时探测“普天同庆”和“团队之星”的实验，就可以了解它们之间是否可以相互转化了。
上世纪90年代初，日本物理学家在岐阜县的一个1千米深的矿井下建造了一个装有5万吨超纯水的大水缸，并在水缸四周安装了1万3千只光电倍增管。大家知道水中的光速比真空中的光速小很多。如果中微子被水中的原子核吸收，并相应的释放出高能电子或者μ子的话，后者的速度可能高于水中的光速，发出切伦科夫辐射。此时，1万3千只光电倍增管就像1万3千只眼睛一样记录下这一切。如果电子中微子被吸收，释放出高能电子，它的轨迹会像水中的乒乓球一样“飘忽”；如果μ子中微子被吸收，释放出高能μ子的话，它的轨迹会像水中的铅球一样“稳定”。所以，让电子眼们数一数多少事件“飘忽”多少事件“稳定”就大功告成啦。这就是超级神冈探测器。
小柴昌俊
1998年，以小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）为代表的中微子振荡联合研究小组用这种方法成功证明了，大气中微子发生了代与代之间的振荡。大气中微子来自于宇宙高能射线和大气的相互作用（参见游识猷：疯狂科学家的公式化生存），因此，它的能量往往比太阳中微子的能量高出很多。因为μ子质量是电子的200多倍，吸收μ子中微子释放μ子的过程，要比吸收电子中微子释放电子的过程需要消耗更多的能量。所以，美国的太阳中微子实验测不到μ子中微子而日本的大气中微子实验可以。2001年，该实验小组又证明了太阳中微子也发生了代与代**之间的振荡。一年之后，小柴昌俊等人被授予诺贝尔物理学奖。
（超级神冈探测器，理论物理研究和实验物理研究的“精髓”都在于挖坑和灌水！）
答案在于“地磁偏角”
中微子确实会发生振荡，那么它们为什么要振荡呢？终于到了回答这个问题的时刻了！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。例如，地球的地磁南北极和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”。从理论上讲，地球上的任意一点都可以定义为北极，指向北极的方向可以定义为正北，然后再据此定义其他方向。但实际上，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的走，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。
相同的道理，所谓的这个中微子，那个中微子，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”【注2，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。
看完中微子振荡的故事，大家一定想问，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。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），卡比波(Cabbibo)引入了一个2乘2的矩阵。到了1973年，当时日本的年轻学生小林诚（Kobayashi）和益川敏英(Maskawa)发现，2乘2的矩阵好像“不够用”，就“顺手”弄了一个3乘3的矩阵出来（叫做CKM矩阵，是三者名字的缩写，这也从某种意义上预言了第三代夸克的存在）。三十多年之后的2008年，小林诚和益川敏英被授予诺贝尔物理学奖。笔者了解CKM矩阵的时候是2007年，当时年少无知，不知道这个工作如此重要。曾经幼稚的幻想，这有什么了不起，一会儿我就写个4乘4的，5乘5的矩阵出来！
原来CKM矩阵的意义不仅在于揭示了夸克这种基本粒子的性质，更重要的在于它体现了物理学中的CP破坏问题【注3，C和P分别代表物理学过程的两种对称性变换，CP破坏就是某个反应在CP共同变换下无法保持对称性】。物理学家们相信，宇宙诞生之初一定是正反物质各占一半，由于某些原因使得后来正反物质比例发生变化，没有完全湮灭成光子。而CP破坏是一种对称性的破坏，正好可以影响宇宙中正反物质的比例。因此，CKM矩阵不但是一个重要的工作，而且是个很要命的工作。看来我们的上帝把基本粒子Ctrl+C，Ctrl+V了三代，又让它们振荡来振荡去，并非任性胡闹，而是有深刻的原因啊！
由此我们知道，夸克“振荡”和中微子振荡是板上钉钉的事情，而从理论上讲，中微子的对称性伙伴电子、μ子和τ子之间也应该发生类似的振荡。目前还没有确凿的实验证据能够证明这一观点，不过可以想象，一旦实验报告出炉，那一定又是一个诺贝尔奖级别的成果。大家不要着急，等大家的娃们大学毕业之后，电子振荡的实验报告应该就完成的差不多了。那时候不知道世界杯会在哪儿举行，不知道中国足球处在什么水平，不知道谁还能回忆起“普天同庆”和“团队之星”。
