互动科普

诺贝尔基金会（Nobel Foundation）决定将2002年的诺贝尔物理学奖颁发给雷·戴维斯（Ray Davis）和小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）时，原本可以选择他们诸多成果中的任意一项来大加褒扬。戴维斯因为检测到太阳发出的中微子而“一战成名”——这是这些因难以捉摸而著称的粒子首次现身于地球之外；小柴昌俊则发现了1987年超新星爆发所释放的中微子。他们的研究堪称实验科学的典范之作，不仅推翻了理论学家此前作出的“中微子没有质量”的假设，还证明它们确实有一个很小的质量。尽管有如此重大的成果可供选择，诺贝尔基金会最终还是采用了下面这条颁奖理由：他们创立了一个全新的科学分支——中微子天文学（neutrino astronomy）。

正是由于他们的工作，中微子从理论上的新奇玩意儿，脱胎成了探索宇宙的实实在在的探针。除了研究中微子以搜集这些粒子的各类属性以外，科学家现在还可以利用它们去揭开宇宙中一些隐藏的秘密。如同一百年前天文学界纷纷建造巨型光学望远镜一样，如今的天文学家也在设计建造巨大的中微子望远镜，希望能通过它们目睹新的宇宙奇迹。这些中微子天文台已经捕获了数以万计的中微子，还拍到了太阳的中微子照片。现在，人们还很难将来自宇宙中其他源头的中微子跟地球高层大气产生的中微子区别开来。不过等到明年的这个时候，观测设备应该就能够区分它们了。

到那个时候，发现之门将大大敞开，一度被认定为“不可观测”的中微子或许会变成不可或缺的观测载体。中微子能够穿透光都无法穿透的物体。用光研究太阳时，我们看到的只是太阳表面——即太阳上最外层的几百千米厚的气体。尽管驱动太阳发光的能量源自太阳核心处的核聚变反应，但光本身会被沿途遇到的一层又一层气体吸收，然后重新发射，这一过程要重复万亿万亿次，只有非常接近表面时，光才有机会自由地飞入太空。与此相反，透过中微子“眼镜”，我们可以直接看到太阳中心的核聚变引擎——也就是太阳内部最炽热的、只占体积1%的核心区域。产生在那里的中微子能径直穿透太阳外层，仿佛后者根本不存在一般。

中微子还将让我们有能力窥视其他天体的内部，比如超新星、伽马暴之类的恒星爆炸，以及盘旋在超大质量黑洞周围的吸积盘等。目前正在建造的这些中微子天文台，每年应该能够“看见”大约一颗超新星在距离我们最近的50来个星系中爆发；每年爆发上百次的伽马暴，其中一些或许也会落入它们的“法眼”；它们甚至有可能发现一些前所未见的、更加奇特的全新天体。不过，如同所有的强大工具一样，中微子观测还需要我们去慢慢适应，因为它要求天文学家用一种全新的方式来实现“天文”观测。

“孤僻”有好处

对粒子物理学家而言，中微子就类似于电子，只不过不带电荷，这使它们能够免受电磁力的影响。电磁力主宰着我们的日常生活：你能够安安稳稳地坐在椅子上，是因为电子间的排斥力阻止你穿透坐椅跌坐到地上；化学反应能够发生，是因为原子互换或共享了电子；一种物质能够吸收或反射光线，也是因为其中的带电粒子对振荡的电磁场作出了回应。处于电中性的中微子，能够径直穿透固体物质，在原子或分子物理过程中不起任何作用，几乎完全不可见。

已知的几种中微子确实会参与弱核力（weak nuclear force），这种基本作用力导致了放射性β衰变和重元素的核合成，不过“力”如其名，弱核力非常微弱——除非是在极短的距离上才发挥作用。因此，中微子几乎不与其他粒子发生相互作用。为了检测它们，物理学家和天文学家必须采用大量的探测物质，监视中微子在穿越时留下的极为罕见的相互作用的痕迹。如果像天文学家预期的那样，来自宇宙的中微子整体上拥有的能量跟宇宙线（cosmic ray，来自宇宙空间不断“轰炸”地球的质子和离子）一样大，想要捕获到足够数量的中微子样本，就需要监测一立方千米的物质。最大的中微子天文台正在逼近这一体积（参见第81页图表）

物理学家推测，可能还存在其他中微子：它们被称为惰性中微子（sterile neutrino），性情异常“孤僻”，甚至都很少参与弱核力；引力或许是它们跟宇宙中其他物质“沟通”的主要途径。想要检测这些中微子，就更是难上加难（参见第82页插文）。

尽管性情孤僻，中微子在宇宙中仍然积极地发挥着作用。它们是β衰变不可或缺的副产物——这种衰变加热了爆炸恒星的残骸，温暖了行星的内部，也是恒星核合成的一个关键的中间步骤。它们还在两种主要超新星之一 ——大质量恒星寿终正寝时发生内爆而产生的超新星中，起到了决定性的作用。这样的内爆将恒星核心压缩到原子核密度，在10~15秒的时间内释放出1058个中微子。数量如此之庞大，即便是最不合群的粒子，也会不可抑制地变成“社交达人”。这样一场恒星灾变所释放的总能量，有99%是通过中微子的形式发出的。因此，观测中微子可以让我们“看到”普通望远镜错过的那99%的画面，包括这类超新星爆发决定性的最初阶段。检测到1987年超新星爆炸释放的中微子，证实了恒星坍缩基本理论的正确。现已投入运行的探测器，将有能力提供恒星坍缩、反弹和爆炸的实时影像。

无论起源于何处，中微子抵达地球都不费吹灰之力。它们不仅能够穿透气体和尘埃，还可以穿越整个宇宙——不管自身携带着多高的能量。光就做不到这一点。能量最高的光是伽马射线，它们会被宇宙背景辐射（大爆炸留下的、无处不在的微波“迷雾”）和百亿年来累积下来的星光及射电波衰减。携带100 TeV（十亿电子伏特）能量的伽马射线光子，在宇宙中只能穿行区区几千万光年。高能宇宙线也一样会被阻挡。

因此，中微子成了天文学家研究自然界中最剧烈的现象时可以采用的少数几条途径之一。它们的确很难俘获，但绝对值得一试。

中微子变味

除了性情孤僻之外，中微子还有另一个独一无二的特征：它们能够“变身”。和所有基本物质粒子一样，中微子也可以分为三个不同的“版本”，粒子物理学家称之为“味”（flavor）。电子（e）拥有两个质量更大的“复制品”，分别是μ子（muon，μ）和τ子（tau，τ），它们都对应存在一个同味的中微子，分别是：电子中微子（electron-neutrino，νe）、μ中微子（muon-neutrino，νμ）和τ中微子（tau-neutrino，ντ）。

不过，尽管电子、μ子和τ子都拥有特定的质量，三个味的中微子却并非如此。如果去测量指定某一味的一个中微子的质量，你测得的数值会是三个质量数值中的任意一个，每个数值都有特定的出现几率。反过来，如果去测量拥有某一特定质量的一个中微子的味，你也会得到三个答案。一个中微子可以拥有特定的味，也可以拥有特定的质量，但两者不可能同时确定。中微子的质量态用数字来标记，分别为ν1、ν2和ν3，这是跟νe、νμ和ντ截然不同的三种状态。

如此一来，中微子就违背了我们对于物体的一个基本直觉。一个篮球重22盎司（1盎司约28.35克），一个棒球重5盎司。但是，如果球的性质跟中微子一样，一颗篮球就可能一会儿重22盎司，一会儿重5盎司。从这个角度来说，中微子更像是人，跟我们一样拥有多重社会身份。比方说，科学家就可以在隶属于某个科研机构的同时还隶属于某个政治党派。调查表明6%的美国科学家是共和党人，但这并不意味着美国6%的科学实验室跟共和党有关。正确的情形是，在一个典型的实验室里随机选出100位科学家，其中恰好有6位是共和党人。与此类似，正在某探测器中发生相互作用的一个质量为ν1的中微子，也会按某个可以计算的几率，表明自己的“身份”到底是电子中微子、μ中微子，还是τ中微子。

中微子的味决定了它们参与弱核力的方式，质量则决定了它们穿越空间的方式。举例来说，β衰变只会产生一个味的中微子——电子中微子。当这些粒子在空间中自由飞行时，它们的味就无关紧要了，此时决定其行为方式的是它们的质量态。这样的电子中微子由ν1、ν2和ν3按一定的比例混合而成，由于某些技术上的原因，物理学家把这种比例称为混合角（mixing angle）。现在，物理学家必须留意的粒子实际上就有三种，而不只是单单一种了。最终，这些中微子抵达某个探测器，在其中与物质发生相互作用，此时又轮到味来发挥作用了。如果各个质量态的相对比例保持不变，它们会再次组合成最初的那一个味（对于β衰变来说，就是电子中微子）。

不过，情况不一定总是如此。这些粒子在以质量态传播的过程中，很容易受到新效应的影响而改变混合比例，并因此改变它们的味。正是这个过程导致了中微子“变身”。

根据量子力学原理，每种质量态对应于一种拥有特定波长的波。这些波相互叠加、相互干扰。用声音来打个比方，一个中微子就像一个由三个纯音构成的声波。任何一个给乐器调过音的人都知道，音高（或波长）略有不同的声波叠加之后会形成“拍”，即叠加声波强度上的一种周期性振荡。对于中微子而言，质量上的不同就相当于音高的不同，由此形成的“拍”就会导致中微子的味随传播距离而发生振荡（参见第83页图文）。

太阳产生的就是电子中微子。它们在抵达地球之前，变成了全部三个味的混合物。戴维斯和小柴昌俊所做的开创性实验只能检测到电子中微子，因此他们漏掉了许多已经在传播途中“变身”成μ中微子和τ中微子的电子中微子。直到2001和2002年，加拿大萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory）一台有能力检测所有三个味的探测器投入运行，科学家才最终检测到了有代表性的太阳中微子样本。

地球高层大气中产生的中微子，是中微子“变身”的又一个确凿例证。来自外太空的宇宙线跟空气中的原子核碰撞，会产生一些被称为π介子（pion）的不稳定粒子，π介子会相继衰变成μ中微子和电子中微子。接下来，这些中微子会以质量态穿透空气和整个地球。等它们被检测到时，传播距离越远的中微子，就会有越多μ中微子转变成τ中微子。因此，中微子天文台观察到了这样一个现象：来自下方（从地球另外一侧穿透过来）的中微子里μ中微子所占比例，只有来自上方（从高层大气直接传播到地面）的中微子里相应比例的一半。

比例是关键

对于天文学家来说，味之于中微子，就如同偏振（polarization）之于光：两者都是可以编码信息的属性。就像宇宙里的光源可以发出特定偏振的光一样，宇宙里的中微子源也会产生特定味的中微子。通过测量中微子的味，天文学家可以弄清中微子源里必定发生过哪些过程。关键在于，天文学家必须计算出中微子在旅途中经历过怎样的“变身”，进而还原它们出发时的本来“面貌”。

如果能够精确测量一个中微子的能量以及它传播的距离，我们就能知道它的振荡周期在哪里结束，也就能够计算出三个味的相对比例。可惜，我们做不到如此精确。在一段较长的距离和时间跨度上，中微子会经历无数次振荡，我们根本无法去追踪味的混合——我们看到的只能是模糊一团。实际上，我们采用的是一个统计学上的平均比值，用一个所谓的味传播矩阵（flavor propagation matrix）来描述。根据这一矩阵，天文学家就能推断，观测到的中微子的味比必定来源于何种过程。

比方说，科学家认为许多中微子来自于光子和质子之间的超高能碰撞。这个过程会在宇宙级尺度的粒子加速器里发生（它们存在于超新星遗迹的激波波前和所有大小的黑洞喷流当中），也会在宇宙线猛轰宇宙背景辐射的遥远深空中发生。这样的碰撞会产生带电的π介子，它会衰变成μ子和μ中微子。接下来，μ子又会衰变成一大堆其他粒子，其中就有电子和电子中微子（还有另一个μ中微子——审校注）。由此产生的中微子流中，一份是电子中微子，两份是μ中微子，没有τ中微子——也就是说，味比为1:2:0。在传播矩阵中查找相关数值，我们发现这一比例会演化成1:1:1。如果地球上的实验装置观测到的味比不是1:1:1，这种π介子衰变链就不可能是这些中微子的源头。

在某些情况下，π介子可能会与其他粒子碰撞，或者在磁场中沿曲线路径传播并发出辐射，从而损失自身的能量。如果是这样，它们衰变产生的μ子就不再与高能中微子源有关，由此产生的原始味比就应该是0:1:0。按照传播矩阵，地球上观测到的味比将是4:7:7，而不是1:1:1。如果某一实验装置发现，低能中微子的味比是1:1:1，而高能中微子是4:7:7，天文学家就可以据此推断出中微子源的粒子密度和磁场强度。

中微子还可能来源于所谓的β束源（beta-beam source）。在宇宙粒子加速器中，高速运动的原子核可以交换π介子，或者干脆分崩离析，产生一束高速中子（neutron）流。这些中子会经历放射性β衰变，释放出一束纯粹由电子和电子中微子构成的粒子流，味比为1:0:0。经过传播矩阵的处理之后，抵达地球时的味比应该是5:2:2。

不管最初中微子的三个味如何混合，抵达地球的μ中微子和τ中微子总是数量相等——这反映了物理学家目前还无法解释的某种更深层次上的对称性。这一现象意义重大，因为τ中微子总会出现在望远镜中，哪怕没有任何已知的天体物理过程能够产生它们。

中微子的味比能够鉴别天体的运转方式，其他任何信息来源都做不到这一点。结合伽马射线和宇宙线观测，中微子将向我们详细讲述宇宙中最可能的发电机的动力学机制和能量来源。它们能够确定宇宙粒子加速器的工作原理到底是纯粹的电磁加速（这种情况下不会产生中微子），还是有重的粒子参与其中（这种情况就会产生中微子）。它们甚至有可能帮助天文学家破解一个几乎在所有版本的“十大天文难题”中都排得上号的谜题：最高能宇宙线是如何产生的？一些宇宙线携带的能量非常高，以至于它们似乎违背了已知的物理学定律。不管是什么产生了这些宇宙线，中微子都能够用来探究其中奥秘。

中微子还将揭示一些其他的自然过程。暗物质粒子衰变或许会产生1:1:2的中微子，这一比值会演化成大约7:8:8。按照某些量子引力论的观点，时空本身的结构在微观尺度上也会起伏不定。能量极高的中微子波长极短，可能比较容易受到这些波动的影响。这些波动或许会搅乱中微子的三个味，导致我们观测到1:1:1的味比。未来，凭借测量到的并非1:1:1的味比，物理学家或许可以排除某些类型的理论，确定量子引力效应开始发挥作用的能量。

另一个稀有过程是重中微子衰变成较轻的中微子，这也有可能改变它们的味比。通过研究太阳中微子，物理学家已经发现ν1要比ν2轻，但他们还不清楚ν1和ν3哪个最轻。如果天文学家发现了4:1:1的味比，那就意味着中微子的确不稳定，而且ν1最轻。如果发现了0:1:1的味比，那就是ν3最轻。

回顾历史，天文学家最初只用可见光观察宇宙，后来才逐渐扩展到红外线、微波、射电、X射线和伽马射线。中微子将把这一趋势延续下去。未来十年将是中微子天文学的黄金时代。