以中微子看宇宙

在2002年，諾貝爾基金會(huì)把物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給雷蒙德·戴維斯與小柴昌俊，當(dāng)時(shí)他們可供贊頌的貢獻(xiàn)很多。戴維斯因偵測到太陽中微子而成名，小柴昌俊則發(fā)現(xiàn)了1987年超新星爆發(fā)所釋放出來的中微子，這些成果是實(shí)驗(yàn)上的精彩杰作。不過，諾貝爾基金會(huì)特別表彰的是，雷蒙德·戴維斯與小柴昌俊為世人建立了一門全新的科學(xué)：中微子天文學(xué)。

在他們的努力下，中微子從理論上的新奇事物，搖身一變成為探索宇宙的實(shí)用工具。科學(xué)家研究中微子，除了要搜集這些粒子的性質(zhì)，現(xiàn)在更要用來揭露宇宙潛藏的某些奧秘。一個(gè)世紀(jì)前，天文學(xué)家建造的是大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；而今，天文學(xué)家為了看見新的事物，設(shè)計(jì)與制造出龐大的中微子望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)偵測到成千上萬的中微子，還利用中微子拍攝出太陽的影像。過去的儀器很難把來自地球之外的中微子與源自地球高層大氣的中微子區(qū)別開來，但到了2011年，這些儀器已經(jīng)有能力做到這件事。

新的發(fā)現(xiàn)蜂擁而至，而中微子這種曾被認(rèn)為無法觀測的粒子，現(xiàn)在已經(jīng)變得不可或缺，因?yàn)橛行〇|西無法透過光看見，但中微子可以。當(dāng)我們利用光來研究太陽時(shí)，我們只看得到它的表面，也就是最表層數(shù)百千米的氣體。太陽中心核反應(yīng)產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)了陽光，而陽光則沿途不斷受到各氣層的吸收和發(fā)射，因此只有在穿出外層氣體后，才能自由穿越太空。相對(duì)而言，通過中微子這雙“眼睛”，我們得以直接看見太陽中心的核聚變引擎，那是太陽內(nèi)部溫度最高的區(qū)域，只占了太陽體積的1%。

中微子也能讓我們透視超新星的內(nèi)部、伽馬射線爆發(fā)之類的恒星爆炸事件，以及圍繞于超大質(zhì)量黑洞周邊的氣盤。但是，我們得花些時(shí)間才能熟悉中微子的特性。

對(duì)粒子物理學(xué)家而言，中微子類似電子，不過它不帶電荷，因此主導(dǎo)日常生活的電力和磁力對(duì)它不會(huì)發(fā)生作用。當(dāng)你坐在椅子上時(shí)，電的斥力使你不會(huì)穿過椅子而跌倒；發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，原子會(huì)交換或共享電子。當(dāng)物質(zhì)吸收或反射光線時(shí)，帶電粒子會(huì)與振蕩的電磁場反應(yīng)。至于不帶電的中微子則會(huì)穿透固態(tài)物質(zhì)，因此中微子在原子或分子物理中并不扮演任何角色，而且?guī)缀跏峭耆豢梢姷摹?/p>

已知形態(tài)的中微子會(huì)參與弱核作用，這種作用與放射性B衰變以及重元素融合有關(guān)，但除非距離極短，否則弱核力是非常微弱的。因此，中微子幾乎不與其他物質(zhì)作用。想偵測中微子，物理學(xué)家和天文學(xué)家得監(jiān)測體積龐大的物質(zhì)，尋找中微子在這些物質(zhì)中遺留下來的稀少痕跡。如果像天文學(xué)家預(yù)期的那樣，所有宇宙中微子的能量和宇宙射線的能量相當(dāng)，那么從1立方千米的物質(zhì)中只能捕獲一件清晰的樣本，最大的望遠(yuǎn)鏡的體積則與此相差不遠(yuǎn)。

天文學(xué)家也假設(shè)有其他類型的中微子：惰性中微子。這種中微子性情冷淡，甚至幾乎不與弱核力作用，重力或許是它們和宇宙中其他東西的主要聯(lián)結(jié)。所以，偵測這類中微子的挑戰(zhàn)性更高。

盡管性情淡漠，但中微子在這出宇宙大戲中卻是積極的參與者。它們是B衰變的重要副產(chǎn)物，而B衰變除了會(huì)加熱恒星爆炸的殘骸與行星內(nèi)部，更是恒星核聚變反應(yīng)的重要步驟。大質(zhì)量恒星在生命盡頭發(fā)生內(nèi)爆所產(chǎn)生的超新星，主要類型有兩種，而中微子在其中一種的生成過程里也扮演了關(guān)鍵性的角色。內(nèi)爆將恒星核心壓縮成核子般的密度，并在10秒～15秒內(nèi)釋放出10⁵⁸個(gè)中子。在這種環(huán)境下，即便是最孤傲不群的粒子，也會(huì)被迫參與這場盛宴。在這種爆炸事件所釋放出的總能量中，中微子就占了99%，也就是說，用中微子望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，就能看到一般望遠(yuǎn)鏡錯(cuò)失的99%的圖像，其中包括關(guān)鍵的早期演化過程。科學(xué)家觀測1987年超新星爆發(fā)事件所釋放出的中微子，便確立了恒星坍塌的基本理論。目前的中微子望遠(yuǎn)鏡，則可以提供恒星坍塌、反彈及爆炸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像。

（裘楓 插圖）