我们所生活的宇宙可谓是无奇不有,就说你正在看这篇文章的同时,有许多的太阳中微子正在穿越你的身体,当然还有远比它们运动速度慢的暗物质粒子也在穿过你的身体。但是,你根本感觉不到它们的存在。在人类探索科学的路径上,这些看不到,摸不到的物质粒子一直困扰着科学家们,对于他们的研究也大幅度提升科学的发展路径。
今天,我们就来聊一聊,科学史上几乎是最难找到的粒子:中微子。它的存在差点就倾覆了整个物理学大厦。
“不遵守能量守恒定律”的幽灵粒子
如今科学家主流的科学观念认为现代向科学起源于古希腊时代,如今现代科学的两大支柱一个是形式逻辑体系,一个是通过系统的实验方式寻找因果关系。前者产生于古希腊时代,蕴藏在欧几里得的著作《几何原本》当中,后者则是从文艺复兴时期逐渐建立起来的。
也就是从文艺复兴开始,在科学这门学科当中,“测量”成为科学研究的最基本要点。我们在研究任何对象时,都需要定义物理量,而这个定义就需要能够通过实验手段来进行测量。
但是这件事在当时刚提出来时,其实都还好,一切都能发展得比较顺利。不过,到了近代,就不是那么回事了。科学家开始在更大的尺度和更小的尺度上进行探索,结果他们发现小尺度上遭遇滑铁卢。
首先,他们发现一个问题,那就是微观世界好像并不遵守能量守恒定律。为什么这么说呢?
但是科学家在研究β衰变时,就发现反应前后出现了能量不守恒的情况,但电荷却是守恒的。
这个让当时的大神级物理学家波尔很恼火,波尔和爱因斯坦关于量子力学争论多次,都站了上风。却因为这个原因,波尔甚至想要放弃能量守恒定律。
后来,另外一个大神级的物理学家泡利,这人可是牛起来能把爱因斯坦批评得下不来台的人,他就坚持认为,能量守恒定律是正确,β衰变过程中,肯定还存在一种小质量的中性粒子将亏损的能量带走。
一直到1950年代,科学家终于间接地证明了这个粒子的存在。这个粒子如今被我们称为中微子。但我们要知道的是,1950年代也只是初步确定了中微子可能存在。
在接下来50年的时间里,科学家又与中微子缠斗了许久,还曾多次被这个粒子耍得团团转转,最终才在2000年左右,把中微子的大致情况确定了下来。即便是到了现在,中微子的质量对我们而言都还是谜一样的存在。因此,它真的是不折不扣的幽灵粒子。那你可能要问了,为什么中微子如此鬼魅?
中微子为何如此鬼魅?
其实中微子鬼魅的原因一共有三个,分别是不参与电磁相互作用,质量极其小,中微子振荡。我们来一项一项地聊一聊。
不参与电磁相互作用
在我们的宇宙中,存在着四种作用,分别是:强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用、引力相互作用。其中强相互作用和弱相互作用是在原子的层面上进行的。因此,在我们日常生活当中主要接触到的是引力相互作用和电磁相互作用。
我们都很熟悉引力相互作用,这个作用是指两个物体之间的吸引力。而在生活中,除了引力之外,剩余的就都是电磁相互作用了。我们能看到东西,摸到东西,本质上都是电磁相互作用导致。比如,你能看到一本书,实际上是光线照到了书,书反射光到你的眼睛当中,和眼睛的细胞发生相互作用,最终通过神经系统将图像传递到大脑当中。这个整个过程都是依靠电磁相互作用力来完成的。
而中微子是不参与到电磁相互作用的,只有极小的概率发生弱相互作用。因此,在它传播过程当中,只有极其低的概率与路径上的物质发生作用。据科学家推算,中微子在宇宙中传播1光年的距离,只有50%的概率和这个路径上的物质发生弱相互作用。也正是因为中微子的这个属性,使得它的穿透性极其强,就如同上文中提到的,太阳中微子一直在穿越我们的身体,据统计,仅仅我们的手指,每秒钟就是上亿个中微子穿过。
质量小
除了穿透力强,中微子还超级轻。我们知道,电子已经几乎是我们能看到的质量最小的粒子了,但中微子要远比电子要小得多得多,以至于如今我们根本还没有办法确定它的质量到底有多小。
中微子振荡
中微子鬼魅的地方还不仅如此,它还非常善于掩饰自己。科学家在研究它的过程中,就发现观测到的中微子数量总是理论值的1/3,后来,科学家又花了10多年的时间,才搞清楚,原来中微子是会变身的。在世界上一共存在着三种中微子。
而这三种中微子在传播过程中会相互转化,因此,我们观测到的总是只有理论值1/3的中微子。
基于这三个特点,使得我们捕捉中微子变得十分困难。