中微子無處不在，非常神奇，被稱為宇宙的“隱形人”。每秒鐘就有上萬億的中微子經(jīng)過我們的身體，但是我們卻毫無察覺，其實每時每刻也有無數(shù)的中微子穿越地球，然而地球在它們面前卻好像空無一物，它們幾乎可以不受阻擋地一越而過…中微子無處不在，為什么我們看不見它呢？

出品：'SELF格致論道講壇'公眾號（ID：SELFtalks）

以下內(nèi)容為中國科學院高能物理研究所占亮演講實錄：

神奇的中微子

中微子無處不在，非常神奇，被稱為宇宙的“隱形人”。中微子到底有多神奇呢？我們之所以能看到太陽，是因為太陽發(fā)射的光傳到我們的眼睛里，所以我們看見了太陽。

神奇的中微子

但是你不知道的是，每秒有上億個中微子也穿過你的眼睛。更為神奇的是，即使你把眼睛閉上，看不見光了，但是中微子依然會穿過你的眼睛。你根本無法阻擋中微子。

沃爾夫?qū)?· 泡利

說到中微子，先從一位傳奇的物理學家說起，20世紀初最天才的物理學家之一，沃爾夫?qū)づ堇Ｋ浅Ｓ袀€性，別人提出一個理論，他認為有問題就會馬上批評。更奇怪的是，大家發(fā)現(xiàn)泡利的批評總是對的。

大概20歲的時候，泡利去聽大名鼎鼎的愛因斯坦的演講，在演講現(xiàn)場，他向愛因斯坦提出一些很尖銳的問題。據(jù)說愛因斯坦以后做演講的時候，都要先看看泡利在不在場。

最聰明大腦的合影

這是1927年召開的索爾維學術(shù)會議上的照片，集合了世界上最聰明的大腦，共29人，其中有17人都是諾貝爾獎得主。泡利身處其中，他當時非常年輕，只有27歲。

泡利跟中微子有什么關(guān)系呢？能量守恒定律告訴我們，能量不能夠憑空產(chǎn)生，也不會無故消失。20世紀初，有一些科學家在研究原子核衰變的時候，發(fā)現(xiàn)能量少了一部分，是不是能量不守恒？

泡利預(yù)言了一種無法測到的粒子

泡利提出一個非常大膽的假設(shè)，在原子核的衰變過程中，釋放出來一個我們看不見的粒子，這個粒子帶走了部分能量，這個粒子非常小，非常輕，并且不帶電，是中性的。

泡利把這個粒子叫中微子，他說正是由于中微子帶走一部分能量，所以我們看到的能量就是少了，如果把中微子的能量算進去，能量還是守恒的。

能量到底守不守恒，泡利的假設(shè)到底正不正確呢？在之后的幾十年，很多科學家就去尋找中微子，驗證泡利的假設(shè)到底對不對。最后證明，泡利還是對的。

王淦昌

在尋找中微子的科學家當中，有一位中國科學家王淦昌，也是我國的兩彈元勛。1941年，王淦昌就提出了間接探測中微子的方法。他當時是浙江大學的教授，也是我們熟知的諾貝爾獎得主李政道的老師。

他雖然提出這個方法，但是受當時的條件限制，就沒有做實驗。國外有一位科學家在1942年做了這個實驗，間接證明了中微子是存在的。

從科學實驗的角度來說，一個東西如果存在，就必須要能直接探測到，間接探測不是直接的證據(jù)。因此必須用探測器探測中微子的存在，人的眼睛是沒辦法看到中微子的。

怎樣才能看到中微子呢？因為中微子的穿透力非常強，穿過人的身體時毫無知覺，那么就需要非常強的中微子源，釋放出大量的中微子，雖然不能看到每一個中微子，但是只需要看到這么多中微子中的幾個，就能證明它的存在。

很強的中微子源有哪些呢？原子彈就是很強的中微子源，有些科學家想利用原子彈爆炸來探測中微子，這確實太危險了。

從提出到證實——直接探測中微子

一九五幾年的時候，人們造出了反應(yīng)堆，它很安全，可以持續(xù)地釋放中微子。科學家萊因斯和科萬在反應(yīng)堆旁邊造了一臺一噸重的探測器去探測中微子。

1956年，他們終于探測到了反應(yīng)堆發(fā)出來的中微子，確認了中微子存在的信號。他們把這個好消息告訴了泡利。

泡利在回信中說：謝謝告知，任何事情都青睞懂得等待的人。只是這一等待長達26年，從1930年提出假說，到1956年才得到證實，泡利從當初年輕的小伙也變成老人了。

但是泡利還算是比較幸運了，萊因斯和科萬1956年做了實驗，1995年只有萊因斯獲得諾貝爾獎，不幸的是，科萬已經(jīng)去世21年了。

我們現(xiàn)在知道中微子是無處不在的，每秒鐘就有數(shù)萬億個中微子穿過大家的身體。

中微子無處不在

其實中微子還有其他的一些源，比如太陽、地球、宇宙大爆炸、恒星大爆炸、大氣層、反應(yīng)堆、加速器。甚至人的身體也是一個中微子源。人的身體每秒鐘會釋放出大約3億個中微子，當然這跟人的體重有關(guān)。

中微子無處不在

中微子無處不在，為什么我們看不見它呢？因為中微子可以很輕易地穿過人體，雖然每秒鐘有上萬億個中微子穿過人體，但是很安全。不僅人如此，地球在中微子面前也是透明的，中微子能直接穿過地球。

發(fā)現(xiàn)中微子之后，科學家繼續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)不止存在一種中微子，2000年的時候，科學家發(fā)現(xiàn)了第三種中微子，經(jīng)過70年，三種中微子都被發(fā)現(xiàn)了。

三種中微子

中微子按照不同的標準，可以分成三類：按照質(zhì)量大小分，可以分成中微子1、2、3；按照“味道”來分，可以分成e中微子，μ中微子，τ中微子。

這有點像給蘋果分類，按照顏色分，可以分為紅色、青色、黃色的蘋果；按照味道分，可以分為酸的、甜的、澀的蘋果。中微子與此類似。

三代中微子全部找到，探索之旅還未結(jié)束

太陽中微子消失之謎

科學家在探索中微子的過程中，發(fā)現(xiàn)一些很奇特的現(xiàn)象。戴維斯在一個深達1500米的礦井里，尋找太陽發(fā)射過來的中微子。

他在1968年就看到了太陽中微子，但是令人疑惑不解的是，太陽中微子的數(shù)目不對，跟預(yù)測的相比，只剩下了1/3，有2/3的太陽中微子不知道去哪兒了，他就繼續(xù)找，一直做實驗，做了20多年的實驗。

這個現(xiàn)象一直困擾了科學家好幾十年。有一些科學家就提出來一種理論，中微子會發(fā)生振蕩，是什么意思呢？

前面說的三種中微子，一種中微子是太陽發(fā)出的電子中微子，傳播到地球的過程中，變成了另外兩種中微子。戴維斯的實驗只能看到電子中微子，所以電子中微子就少了。

中微子震蕩

以圖中的一群馬做例子，馬跑的過程中，一些馬變成了羊，一些馬變成了牛，這是很奇妙的現(xiàn)象。這個現(xiàn)象到底是不是真的，需要做實驗來驗證。

2015年諾貝爾獎

日本的超級神岡實驗和加拿大的SNO實驗，分別探測了大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩，實驗中觀察到電子中微子消失的現(xiàn)象，更重要的是還發(fā)現(xiàn)了另外兩種新的中微子產(chǎn)生。

如果把三種中微子全部加起來，發(fā)現(xiàn)個數(shù)正好不多不少，跟原來的一模一樣。實驗證實了中微子振蕩現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)獲得了2015年的諾貝爾獎。

第三種振蕩模式

科學家通過實驗觀察到了太陽中微子振蕩和大氣中微子振蕩，那么會不會有第三種中微子振蕩呢？這涉及到了基礎(chǔ)物理學里面的重要參數(shù)之一，是發(fā)現(xiàn)正反物質(zhì)不對稱之謎的一把鑰匙。

根據(jù)大爆炸理論，宇宙最開始爆炸時就產(chǎn)生同樣多的正物質(zhì)和反物質(zhì)，每一個粒子都有與之對應(yīng)的反粒子。

現(xiàn)在并沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)世界的存在，會不會是沒找到，反物質(zhì)世界在某一天突然出現(xiàn)，把宇宙給毀滅了呢？這是一個很奇妙的現(xiàn)象，尋找第三種中微子振蕩就可以解釋這種現(xiàn)象。

當時世界上提出8個實驗方案去尋找第三種中微子振蕩，通過競爭比較之后，最終只有3個實驗方案執(zhí)行了，其中包括中國的大亞灣中微子實驗。

大亞灣中微子實驗在國際上是領(lǐng)先的，有自己得天獨厚的優(yōu)勢，比如它位于廣東省深圳市大亞灣核電站附近，那里還有嶺澳核電站，一共有6個反應(yīng)堆，反應(yīng)堆加起來的功率非常大，能夠釋放的中微子數(shù)目也非常多。

大亞灣實驗

另外，它附近有一座山，可以把實驗室建到山的下面，挖一個隧道進去，在那里做實驗很方便，開著車直接就進去了。大家如果有機會可以去參觀一下大亞灣實驗室，大亞灣實驗室現(xiàn)在每星期都會接受一批參觀者。

世界上其他的實驗者就沒有那么幸運了，他們附近沒有山，做這個實驗只能挖一口很深的井，把探測器放到地下，想去參觀就沒那么容易了。

大亞灣實驗室也體現(xiàn)了我國科學家的水平，設(shè)計建造的探測器精度是國際上最高的。因為大亞灣實驗室這一系列的優(yōu)點，美國人也放棄了在他們自己國家做實驗的方案，帶著錢和人加入到大亞灣的實驗，和我們一起合作做實驗。

大亞灣實驗室探測器

這是大亞灣實驗探測器的照片，照片中有幾個鋼桶，這些鋼桶就是中微子探測器，它們有幾十噸重，放在一個水池里面。

為什么要把探測器放在水里面呢？中微子探測器對環(huán)境的要求非常高，不能有灰塵，不能和空氣直接接觸，所以只能放在水里面。這些水能夠阻擋比如墻壁、天花板釋放出來的、看不見的放射性射線，這些射線會干擾中微子的信號。

中微子探測器

大家可能很好奇，中微子探測器的內(nèi)部是什么樣的，這張照片有些魔幻，中間透明的部分是有機玻璃罐，這里面放著一些會發(fā)光的液體，當中微子打到這些液體里面，會發(fā)光，這些光會被附近燈泡狀的東西接收到，從而捕捉到中微子信號。

大亞灣探測器建成的第一天做實驗，就探測到幾百個中微子信號，跟幾十年前尋找中微子相比，大亞灣探測器要先進得多。

2012年發(fā)現(xiàn)第三種中微子振蕩

所以應(yīng)該感謝我們國家的經(jīng)濟水平、科學技術(shù)水平的進步，讓我們能夠建造更強大的探測器。同時，我們也不應(yīng)該忘記幾十年前那些尋找中微子的先驅(qū)們，正是他們邁出了科學的第一步，我們才能有后面的成果，所謂“不積跬步，無以至千里”。

大亞灣實驗室用55天獲得的實驗數(shù)據(jù)，就尋找到大批的中微子，并且確認了第三種中微子振蕩的信號，這是中國首次測得基礎(chǔ)物理學參數(shù)，也是中國對基礎(chǔ)物理學最大的貢獻。

這項成就在2016年獲得了基礎(chǔ)物理學突破獎，這個獎是科學界的“第一巨獎”，被譽為科學界的“奧斯卡獎”。

中微子仍是個謎

大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩，是不是所有問題都解決了呢？并不是，中微子還有很多未解之謎，比如中微子是否為自己的反粒子？會不會被自己湮沒？中微子的質(zhì)量順序，三種中微子的質(zhì)量誰大誰??？

國際上有一些實驗方案試圖來解決這個問題，日本、美國的一些實驗室有先進的加速器技術(shù)，他們用加速器產(chǎn)生的中微子來研究其質(zhì)量順序。

我們有大亞灣實驗室，在反應(yīng)堆中微子實驗上積累了很多經(jīng)驗，我們又提出了江門中微子實驗，來研究中微子的質(zhì)量順序。

這次國際上沒有同類實驗跟我們競爭，其他反應(yīng)堆中微子實驗科學家經(jīng)過評價以后，認為我們的實驗更好，就帶著錢和人都參加到了我們的實驗里面。

江門中微子實驗探測器

從圖中可以看到江門中微子實驗探測器的情況，右邊是一個直徑40米的大圓球，有十幾層樓那么高，里面裝有2萬噸的液閃，左邊是大亞灣探測器，從圖中對比來看，大亞灣探測器顯得很小，里面只有40噸的液閃。

江門中微子實驗

江門中微子實驗參加者中，有一半都是中國人，另外一半是外國人，合作單位非常多，國內(nèi)外一共有77家研究單位。

光電倍增管實物圖和模擬圖

江門中微子探測器目前還沒建成，右邊是一張模擬設(shè)計的照片，可以看到探測器里面是一個非常大的圓球，里面有很多燈泡狀的東西，就是光電倍增管，左邊是兩根光電倍增管的實物圖，這是核心器件，可以探測光，確認中微子的存在。

光電倍增管幾十年來只有日本濱松公司能夠制造，這家公司一直處于壟斷地位，我們做大亞灣實驗的時候，一個探測器要用192根光電倍增管，全部買的這家公司的產(chǎn)品。

國外壟斷的光電倍增管價格昂貴

我們現(xiàn)在做江門中微子探測器，里面有將近2萬根光電倍增管，一根光電倍增管要幾萬元，如果全部買濱松公司的產(chǎn)品，大約要10億元，價格實在太高了。

江門中微子實驗里面的一些科學家就與中國的企業(yè)合作，一起聯(lián)合攻關(guān)，研制光電倍增管。經(jīng)過無數(shù)次失敗，終于成功研制了這個產(chǎn)品，我國生產(chǎn)的光電倍增管已經(jīng)進入了國際市場，產(chǎn)品計劃要賣到日本。

我們?nèi)匀毁I了少量濱松公司的光電倍增管，跟我們自己生產(chǎn)的光電倍增管，各有優(yōu)勢，形成互補，但是這時候我們買他們的光電倍增管，跟之前相比就便宜很多了。

從未來看中微子與生活的關(guān)系

我這里講的都是科研中的中微子，它跟我們的實際生活有什么關(guān)系呢？這是一個很難回答的問題。實事求是地說，中微子現(xiàn)在跟我們的生活沒有太大的關(guān)系。

我之前講到科學家們開始研究核衰變的時候發(fā)現(xiàn)了中微子，他們當時研究核衰變也不知道在生活中該怎么用，但是幾十年后，科學家利用核物理知識造出了原子彈、反應(yīng)堆，給人們的生活帶來巨大改變。

現(xiàn)在我們研究中微子有什么作用呢？可能十幾年、幾十年后會知道。這取決于我們對中微子研究的深入程度。

后面我講一些腦洞大開的想法，用中微子可以做什么，但是這些想法也許行得通，也許行不通，到底能不能行，還是要看我們對中微子的知識了解有多少。

預(yù)警核反應(yīng)堆

用中微子監(jiān)測核反應(yīng)堆。造原子彈需要的原料可以在反應(yīng)堆里制造。

如果世界上有一些國家或者恐怖分子偷偷造反應(yīng)堆怎樣才能發(fā)現(xiàn)呢？如果他們在地面上造了一個反應(yīng)堆，可以用衛(wèi)星拍高清照片。

如果他們在山洞里面偷偷地造原子彈，衛(wèi)星也拍不到，怎么辦？這時候中微子就可以發(fā)揮作用了。在中微子面前，地球相當于透明的。

不管你在地球哪一個角落造違規(guī)的反應(yīng)堆，釋放的中微子都毫無保留地傳遞給我們的探測器。

中微子通信。2012年，美國有一些科學家做了一個實驗，利用中微子穿過340米厚的巖石傳遞信息。但是信息量非常少，只有一個單詞neutrino，用了142分鐘，傳輸速度非常非常慢，但是這畢竟邁出了人類的第一步。

另外，中微子通信可以解決常用手段無法解決的問題，比如中微子的穿透能力特別強，可以實現(xiàn)星際間的通信。

如果有人能生活在地心的話，甚至可以實現(xiàn)從地表到地心的通信。當然這種情形只能在科幻小說中出現(xiàn)，劉慈欣的科幻小說中，就描寫了這種情況。

還有海平面與海底的通信，海底的潛艇可以通過中微子與海面進行通信，因為海水無法阻擋中微子。

中微子還可以給地球做掃描。地球?qū)τ谥形⒆觼碚f是透明的，中微子穿過地球時，就可以掃描地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

地球的探針

想要知道地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在常用的手段是挖一個很深的井，去里面取巖石樣品。但是我們現(xiàn)在挖的井，最深也就一萬多米，對于地球幾千千米的半徑來說就是九牛一毛，因此對地球內(nèi)部沒有直接的探測手段。

用中微子就可以掃描地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，類似于給人體做CT掃描。人體CT掃描采用X射線，但是X射線也只能穿過人體那么厚的東西；中微子能穿過整個地球。

另外地球本身會產(chǎn)生中微子，地球內(nèi)部發(fā)射的中微子就攜帶了物質(zhì)組成的一些信息，它可以直接穿過地球，傳到地表，被探測器探測到，這時候我們就能夠了解地球內(nèi)部的成分。

總結(jié)一下，科學家發(fā)現(xiàn)核衰變似乎能量不守恒，最后提出并證實了中微子的存在?？茖W家又發(fā)現(xiàn)太陽中微子消失了，隨后發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象。

所以，科學家發(fā)現(xiàn)一些很難理解的問題，通常是科學知識的突破口，幫助人們尋找、發(fā)現(xiàn)新的科學知識。

中微子現(xiàn)在還有一些未知之謎，科學家們研究它又會有什么新的科學發(fā)現(xiàn)呢？這些科學發(fā)現(xiàn)在幾十年后對我們的生活會產(chǎn)生怎樣的影響？讓我們拭目以待，謝謝大家！

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