难找的中微子
其实中微子穿透力强体现在方方面面,不仅仅是各项指标强到爆炸,而且放眼整个科学史,它几乎也是最难被找到的(如果你非要说希格斯玻色子也行,那它就是仅次于希格斯玻色子的存在),而且还一度让科学家们很崩溃,那究竟是咋回事呢?
上世纪30年代,科学家就发现在β衰变的额过程当中,衰变前后有质量的缺失。我们现在知道β衰变是中子生成了质子、电子还有中微子。但是当时的实验只能够发现质子和电子,而发现不了中微子。
这样的情况真的让科学家很崩溃,因为这就导致反应前后的质量是不守恒的,根据爱因斯坦的质能等价,也就是我们的E=mc^2的那个相关理论,质能是相互对应的,是一个东西,因此,质量不等价,就意味着能量也不守恒了。当时,量子力学的哥本哈根学派的领袖科学家尼尔斯·波尔就几乎要放弃能量守恒定律。不过,也有科学家脑子是清醒的,比如:号称上帝之鞭的泡利,就坚持认为,应该存在一种粒子,它只是质量很小很小。科学家费米还给这个粒子取名叫做:中微子。但截止于目前,科学家也只是猜想。
到了1956年,才有科学家利用核反应堆当中所产生的反中微子与质子反应,生成中子和正电子,用电子和正电子湮灭产生γ射线,通过检测γ射线和用原子核俘获中子来间接证明中微子的存在。听起来是不是非常麻烦?所以,其实科学家找中微子都极其困难。
中微子为什么会特别难找?
而中微子难找主要体现在两个方面:
质量极其小,小到几乎可以忽略。不带电,又不参与电磁相互作用。
质量极其小,小到几乎可以忽略
我们来一个个解释,中微子的质量非常小,据估算,中微子的质量上限最多也就只有电子的百分之一,要知道电子的质量已经是非常非常小的了。而且到目前为止,科学家还在想尽一切办法把中微子的质量测准确,但每个科研小组拿出来的数据都相差很多,这足以见得它的质量有多么难测。
那质量小为什么就会穿透力强呢?
这是因为根据爱因斯坦的狭义相对论,静止质量越接近于0的物体,它的速度就可以越接近于光速,静止质量为0的光子就可以达到光速。由于中微子质量极其小,因此它的速度可以非常接近光速。
不带电,又不参与电磁相互作用
在自然界中,存在四中相互作用:引力,强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。它们就好比粘合剂,正是它们的存在,物质才能形成,强相互作用和弱相互作用确保了原子核能够形成,而电磁相互作用确保了化学反应是在原子的层面上进行,引力则是起到聚合物质的作用。
而中微子由于质量实在,引力对它几乎不起任何作用,而它不参与强相互作用,同时,由于它显电中性,它并不参与电磁相互作用,这一点就和光子有很大的不同,光子是参与到电磁相互作用当中,一会我们再说参与与不参与电磁相互作用区别在哪。正是由于四大作用当中,中微子不参与其中的三个作用,而弱相互作用并不容易发生,这就导致它的穿透力特别弱,几乎不和物质发生反应。我们来举几个具体的例子:
超强的穿透力
最常被人提及的就是太阳,太阳核心时时刻刻都在发生着核聚变反应,每产生3个光子都会同时产生2个中微子。
由于太阳内部是等离子状态,说白了就是温度特别高,电子和原子核不在构成原子,而是到处乱动,就像一锅粒子粥。
这时,光子就会因为要参与到电磁相互作用当中,只能在等离子体内部到处乱撞,最后勉勉强强才能达到太阳表面,整个过程据科学家统计,大概需要14万年的时间。而中微子由于不参与电磁相互作用,可以完全无视一切,直接从太阳内核穿到表面,整个过程只需要几秒钟的时间。
除此之外,我们再举两个例子:
每秒钟大概会有10万亿个中微子穿过我们的身体,而我们根本无法感知到;一个中微子在宇宙中穿行1光年的路径,和该路径上的物质发生弱相互作用的概率只有50%左右。其实宇宙当中和中微子有类似的东西存在,那就是暗物质,按照目前主流的看法,它只参与到引力和弱相互作用,而不参与电磁相互作用和强相互作用。和中微子一样,暗物质穿过我们的身体,其实我们也感知不到。
鬼魅的中微子
以上质量小和不参与四大作用力当中的三个作用,只是中微子穿透力强的原因。中微子除了穿透力强,而且行为特别诡异,这是因为中微子之间会相互转换,中微子一共有三种(如果加上反粒子,就有6种),同样是正物质的三种中微子会相互转换,这也被称为中微子振荡。由于中微子振荡的原因,科学家吃了不少苦。(因为在没有发现3种中微子之前,科学家无论咋调试仪器都只找到理论计算结果的1/3的中微子数)
基于中微子的这些特质,所以中微子也被称为幽灵粒子。