书城教材教辅激发青少年物理兴趣的故事(启发青少年的科学故事集)
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第30章 幽灵粒子

幽灵粒子,是指中微子。中微子很神秘,一个小小的粒子,居然能穿过地球。从太阳出发的中微子,只要8分钟就可以到达地球。1000亿个中微子与地球相遇,几乎全部都能顺利地穿越地球,再次进入茫茫的宇宙之中,只有1个中微子可能与地球上的原子发生作用。

说它神秘,还因科学家猜想,宇宙中的中微子,像一个幽灵在飘荡,怎么也捉不到它。本世纪初,在研究放射物质的时候,人们注意到,原子核放出一个电子(或正电子)的时候,会带走一些能量。可是,仔细地算一算,损失的能量比电子带走的能量大,有部分能量丢失了。就像钱包里的钱丢失了一部分,是被小偷窃走了,能量丢失,也是一宗失窃案。

丢失能量,不论是怎么丢失,丢在哪里,在物理学家看来,都是严重的大事,令人头疼。物理学中有一条重要定律,即能量守恒。按照这条定律,能量是不会丢失的,如果证实是丢失,是亏损,那么能量守恒定律就靠不住了,不少的物理学理论就会垮掉。

事关重大,一定要侦破失窃案,查明能量是怎么丢失的,是哪个小偷窃走的。

1931年,奥地利物理学家泡利出来说话了,说是放射物质的放射线β中,不仅有电子,同时还有一种我们尚不认识的粒子,这是个未露面的“小偷”,就是它带走了丢失的能量。大物理学家费米十分欣赏泡利的观点,还给这种未露面的粒子取了个正式名字:中微子——中性的微小粒子。

在当年,科学家发现的基本粒子非常少,对中微子的理论,大多不相信,甚至认为,这只是找个理由来维护能量守恒定律,保住物理理论大厦。至于那个“小偷”,犹如幽灵,是抓不到的。

捕捉中微子的工作,比设想的要困难得多。中微子是中性粒子,不带电,不参与电磁作用,不惹是生非;它的运动速度很快,接近光速,穿透力强,来无踪去无影。从假设存在中微子,直到捕捉到手,共用了25年的时间。

首先是中国科学家王淦昌写论文,提出了《探测中微子的建议》,设想了一个探测方法。这是1942年,王淦昌很年轻,风华正茂。他的建议,为一位美国科学家接受。通过实验证实了丢失的能量的确是被中微子带走了。

经过漫长的搜寻过程,1956年,美国科学家柯文和莱因斯宣布,他们捉到了中微子。他们做了一个很大的探测器,埋在一个核反应堆的地下,埋得很深,经过相当长的时间,测到了从核反应堆中放出来的中微子束。

十几年以后,人们才捕捉到从宇宙空间射来的中微子,科学家做了一个直径6米的大桶,埋在一个很深的金矿中,构成一架“中微子望远镜”,也捕捉到了中微子。

神秘的中微子终于露面了,然而,科学家仍然没有完全看清它的真面目,留下了一些新的难以破解的谜。

在探测中微子的时候,科学家的第一个感觉是数量不够,总是比预期数量少,而且“漏网”的数量很大,为什么不能全部捕捉到呢?

再一个重大问题是:中微子的质量问题。质量,静止质量是粒子的重要性质,确定其它各种粒子的质量,没有什么困难,顺顺当当地解决了,唯有中微子的质量怎么也定不下来。在科学界,有种种不同认识,还有种种相互矛盾的观测记录。中微子,仍然保留着神秘的色彩。

有人说,中微子的质量是零,因为没有质量,中微子才能在真空中以光速运动。这是根据美籍华裔科学家杨振宁和李政道的理论进行分析,得出来的结论。

当然,也有怀疑的人,说这个问题要通过实际观测来确定。在前苏联和美国都有科学家在进行脚踏实地的测定,同时宣布说,已经测到了中微子的质量,并把数据列举了出来,好像已经找到可靠的证据。过了几年,由别人来重复他们的实验,数据又变了,好像应该是零。实测结果并不确定,依然定不下来。

1987年,天文学家观测到空间有一颗超新星爆炸,爆炸以后必然会抛出大量中微子,总有一部分中微子从宇宙空间闯到地球上来,科学家们纷纷启动仪器进行观测。观测结果千差万别,有的说中微子是有质量;有的说质量非常小,几乎没有;有的则明确地说,质量为零。

中微子,微小,渺小。它那么轻,轻得没有质量,却留给人们一连串谜。科学家们非常重视这些谜,不仅物理学家关心,天文学家也关心。

宇宙间的各个星系,往往聚集成星系团,这是因为各星系之间存在着强大的引力。如果没有强大的引力,就不会聚集成团,而会走向分离,越离越远。

这个强大的引力从哪儿来?大家都认为来自星系的质量。可是,仔细计算一下,问题又来了:星系的总质量不足以提供那么强大的引力,最多只能提供20%,短缺的质量达到80%。

从哪儿去寻找那些短缺的质量呢?

从宇宙中密度极大的中微子身上去寻找,只要中微子有质量,就可以弥补那些短缺的质量。

这些想法正确吗?不敢说。中微子原来像个幽灵,难以寻觅;现在捕捉到手,却又那么神秘,留下了一连串谜。