幽灵粒子
中微子属于基本粒子,它被称为幽灵粒子。
叫做这个名字其实是有原因,因为中微子的特质太奇葩了,而且踪迹特别神秘,这导致科学家为了抓住它,前前后后花了上百年的时间。著名的量子力学哥本哈根学派的领袖物理学家尼尔斯·波尔因为中微子甚至想要放弃能量守恒定律这个坚实的物理学定律。
而中微子能够如此诡异,主要有三点分别是:
质量无比小
穿透力超强
中微子振荡
那究竟是咋回事呢?
今天,我们就聊一聊这个话题。
四大作用
我们先从中微子的“穿透力”说起。话说按照目前的认知,在我们这个宇宙存在着四个基本作用,分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用。
强相互作用的强度最大,但作用范围也是最小的,它们把夸克束缚在质子、中子,介子等粒子当中。弱相互作用也是在原子核层面的作用力,主要和衰变有关,在四种作用力中强度排名老三。强度排名老二的是电磁相互作用,我们日常生活所接触到的所有作用除了引力相互作用之外,都是电磁相互作用,比如:支持力,摩擦力等等。而引力相互作用指的是两个物体之间彼此相互吸引力的作用,地球绕着太阳转,其实就是依靠的引力相互作用。
那问题来了,如果有个东西它不参与到电磁相互作用、强相互作用中。那它朝着我们冲过来,结果会是什么样?
答案是:直接穿过我们的身体。
不仅如此,我们连看都无法看到它。这是因为我们看东西也是依靠电磁相互作用。具体来说是这样,我们能看到一个物体,是因为这个物体本身发光或者反射光,光子进入到我们眼睛,和我们眼睛的细胞发生电磁相互作用,然后依旧是依靠电磁相互作用,最终我们的大脑接收到了信息,我们才看到这个东西。
不参与到电磁相互作用,意味着我们都看不到它的存在。那有没有这样的东西呢?
事实上有的,而且还有两个是大名鼎鼎的,这就是暗物质和中微子。
它们此时此刻正在穿过我们的身体,但是我们一无所知。中微子在宇宙中传播过程中,每走过1光年的距离,才只有50%的概率和这个路径上的物质发生弱相互作用。而我们的身体时时刻刻都有上万亿个中微子穿过,这些中微子主要来自于太阳。当然,它们也是可以随意穿过地球的。因此,我们要捕捉到它是十分费力的。
质量小
但是它更让物理学家头疼的是质量小。上文我们也提到,暗物质也是穿透力极强的,但是暗物质有个特点就是它参与到引力相互作用。我们可以利用引力透镜等办法,间接地了解暗物质的存在。并且由于暗物质的存在,导致大型的星系边缘的恒星跑得都比理论快。
比如:太阳绕着银河系转的速度理论上计算应该是160km/s,可实际观测结果却是240km/s,这其实就是暗物质在起作用。
但是如果我们要利用引力相互作用间接寻找中微子只会失败。我们都知道,在不知道中微子前,最轻的基本粒子是电子。但是中微子有多轻呢?
它的质量上限可能只有电子的百万分之一。更让人无奈的是,目前科学家都没有能力测出中微子的质量。也就是说,我们根本没有能力利用引力来探测中微子。
中微子振荡
除了以上两点原因之外,早期科学家在研究中微子时,就发现一个奇怪的现象,我们观测到的中微子总是只有理论值的1/3。那究竟是咋回事呢?
后来,在1987年的一次超新星爆发的观测中,科学家才意识到,实际上存在着三种中微子,分别是电子中微子,μ子中微子、τ子中微子。
它们之间还可以在传播过程中相互转化,这就叫做中微子振荡。正是搞清楚了这个情况,科学家对于中微子的研究才大幅度跃进了一步。但事实上,我们现在对于中微子的情况还是知之甚少,还有很长的路要走。
总结
正是因为中微子不参与电磁相互作用,只有极其低的概率参与弱相互作用,所以它穿透力很强很强。而它质量很小,又存在中微子振荡,以至于我们很难了解到它的真面目,这也正是中微子鬼魅的地方。也因此,它被称为幽灵粒子。