我们为什么要进行中微子实验？这种前沿科技到底有什么用？

文摘 2025-01-08 07:39 广东

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这种前沿科技到底有什么用？

在浩瀚的宇宙中，蕴藏着许多让人惊叹的奥秘。今天，我们将聚焦于一个既神秘又前沿的科技话题——中微子实验。尽管这个名词可能对你来说有些陌生，但请相信，一旦我们揭开它的面纱，你会发现它是一次既充满挑战又极具魅力的科学探索。

我们为什么要进行中微子实验？

我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸时，在第一秒钟内产生了无数的中微子，它们携带了比光更早期的宇宙信息。由于中微子难以探测，我们现在还没有找到办法测到这些宇宙中微子，去寻找最早期的宇宙信息。

我们所身处的物质世界，所有人都能感知。可科学家相信，宇宙在大爆炸之初，同时产生了物质世界和反物质世界，在宇宙的起源和演化过程中，曾经存在过反物质世界，

只是它后来消失了。

它消失到哪里去了?

要揭示反物质世界的消失之谜，就要从现存的物质世界中找寻蛛丝马迹，而科学家普遍认为，广泛存在于物质世界中的中微子，就包含了反物质世界是如何消失的重大信息。在100多亿年前，由于中微子的作用，反物质消失了，最终形成了我们的世界。　　

有时候，由于星球的爆发，天上会突然出现一颗明亮超新星。构成地球的大部分元素实际上都是超新星爆发形成的。中微子带走了超新星爆发出的99%的能量，探测来自超新星的中微子，能够告诉我们超新星爆发的机制。　　

光在星际传播时会转弯，而中微子不会。在南极洲的冰层下面，科学家们建立一立方公里大的中微子探测器，用来寻找来自宇宙的超高能中微子，寻找超高能宇宙线的起源。地球本身会发出中微子，这些中微子的构成与我们现在不看不到的地球的结构有关系。

奇妙的中微子，

现在我们能够产生它、

探测它，

那么能不能在日常生活中用上它呢？美国费米实验室的科学家利用一个试验装置，成功地用中微子实现了通讯，带宽为0.1bps（位/秒），误码率百分之一。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，这种通讯不会受海水和地层的阻挡，也无法干扰、拦截和破解。也许有一天，它能变成实用的通讯方式。

中微子，这种比原子还小得多的粒子，一直是物理学研究中的热点。中微子被称为“阿飘”，主要是因为它们极难被探测到。中微子几乎不与其他物质发生相互作用，可以轻松穿过地球而不被阻挡。道教文化中，“阿飘”是对鬼魂的俗称，形容其飘忽不定、难以捉摸的特性。这与中微子的性质不谋而合，因此科学家们戏称中微子为“阿飘”。然而，正是这些看似微不足道的粒子，承载着揭开宇宙奥秘的关键线索。科学家估算，每秒钟有数十亿个中微子穿过我们的身体，而我们却毫无察觉。它们源自太阳、超新星、黑洞等宇宙现象，是连接宇宙各个角落的重要桥梁。中微子，是构成物质世界的最基本的粒子之一。在构成物质世界的12个最基本的粒子当中，中微子占了其中的3个。我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸时，在第一秒钟内产生了无数的中微子，它们携带了比光更早期的宇宙信息。在整个宇宙中，中微子的数量仅次于光子，是宇宙中数量最多的粒子之一。它不带电，质量非常轻，以接近光速运动，与其他基本粒子之间的相互作用十分微弱，被戏称为宇宙中的“隐身人”。那么，这些神秘的中微子能为我们揭示宇宙的哪些秘密呢？

科学家们相信，中微子是解开宇宙起源和演变的重要线索。在宇宙大爆炸理论中，中微子可能起到了至关重要的作用。通过研究它们，科学家们可以更深刻地理解宇宙的演化过程，甚至揭开宇宙诞生的神秘面纱。近年来，多个国际科研团队纷纷投入到中微子实验中，期望通过捕捉这些微小的粒子来解开宇宙的深层秘密。例如，日本的超级神冈探测器和美国的费米实验室正在进行中微子相关的研究。这些努力不仅推动了物理学的进步，也为我们认识宇宙提供了新的视角。

然而，中微子的探测并非易事。由于它们几乎不与物质发生任何相互作用，因此捕捉它们需要极高的技术难度和复杂的设备。科学家们通常会在地下深处或极地等干扰较少的地方建造探测器，并利用高科技手段来捕捉这些微小的粒子。例如，中国的江门中微子实验站（JUNO）便是全球最大的液体闪烁体中微子探测器之一，位于广东省江门市开平市。为了捕捉中微子，该实验站采用了约2万吨的液体闪烁体，并配备了高精度的光电倍增管阵列。这一设备不仅造价高昂，而且建造过程极为复杂，克服了众多技术难题。

2015年10月，当年的“诺贝尔物理学奖”授予了56岁的日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳。梶田的获奖理由，是发现基本粒子中微子存在质量。这已经是日本凭借中微子研究获得诺贝尔奖的第二位科学家了。而在全世界范围内，与中微子直接相关的科学研究更是获得了4次诺贝尔物理学奖。

2015年的12月，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳当选为中国科学院院士。也就在这一年，江门中微子实验开始建设，并将于2021年左右完成，计划运行20至30年。

中国科学院高能所研究员曹俊在题为《中微子研究的历史与未来》的论文里写道：我们身边的中微子其实非常多，例如一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子，每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体，宇宙大爆炸的残余中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米。大多数核过程都会产生中微子，例如宇宙线轰击大气、岩石的天然放射性、超新星爆炸等等，连每个人都会因体内的钾40衰变而每天产生4亿个中微子。

上世纪30年代，奥地利著名科学家沃尔夫冈·泡利提出存在中微子的假说，他还推断出中微子就像一个幽灵，能穿过整个地球而不和其他物质发生相互作用。做出这个推断之后，他写信给朋友说他犯了一个物理学家所能犯的最大错误：假设了一个不能用实验发现的粒子的存在。他还以一箱香槟酒作为赌注，担保没有人能观测到中微子。

但到1956年，人类真正在实验中发现了中微子——美国物理学家莱因斯和科温在地下实验室，通过观察核反应堆，设法“看见”了第一个中微子。他们第一时间从美国给远在欧洲核子中心的泡利发了封电报。泡利中断了正在进行的会议，当众宣读了这封电报，然后跟朋友们喝掉了那箱香槟。弗雷德里克·莱因斯因此在1995年获得了诺贝尔奖。

到了1962年，人类又发现了第二种中微子。随后，中微子研究不断发展成为粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科。

对于经常被问及中微子研究有什么用，王贻芳对《中国报道》记者说：“我相信对我们而言，周围的世界令人着迷，我们想知道它是由什么构成的，也想知道这个世界究竟是什么样。它会对生活有所帮助，也蕴含着哲学趣味。”

美国费米实验室的科学家在2012年曾利用一个实验装置，成功地用中微子实现了通信。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，这种通信不会受海水和地层的阻挡，也无法干扰、拦截和破解。也许有一天，它能真正变成实用的通信方式。还有人提出，可以用中微子来给地球做CT，或者探测石油……

100多年前，原子核的衰变被发现时，也无人知晓这将意味着什么，今天核能的利用已经深刻地改变了世界。而中微子如今还只是存在于科学家的研究里，但随着研究的不断深入、更多谜团被揭晓，中微子也许将深刻地影响未来。

我国的中微子实验研究起步很晚,但取得了举世瞩目的成绩。上世纪60年代，意大利物理学家布鲁诺·庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念。他认为某一种特定中微子可以转化为别的中微子，人们所探测到的中微子可能只是处于某种形态的中微子的一部分。直到1998年，日本的超级神冈实验以确凿的证据证明庞蒂科夫理论的正确性，它以确凿的证据发现了大气中微子的振荡。

中微子共有3种类型，它的脾性非常奇怪，“一种中微子在飞行中能自发变成其他种类的中微子。”这也就是专家们所说的“中微子振荡”——你可以想象有一群马在奔跑，一会儿变成一群牛，一会儿又变成一群羊，一会儿又变成一群马。而中微子的3种振荡模式，此前人类已经发现了两种（即太阳和大气中微子振荡现象），第三种振荡模式一直没有被发现。

在科学家眼中，基础研究的重要性要远远大于它的实用性。100多年前居里夫人发现原子核的衰变时，也无人知晓这将意味着什么，今天核能的利用已经深刻地改变了世界。今天无比神秘的中微子还只是在象牙塔里，随着人类对自然界认识的不断深入，中微子的更多谜团被揭晓的那天，

也许将深刻地影响未来。

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