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文萃
探索宇宙的另一双眼睛
大众科技报     (2003-10-01)
自１６１０年伽利略将光学望远镜应用于天文观测以来，天文学家主要是通过可见光来了解遥远天体的奥秘。但是随着物理学的进步，天文观测的手段也日益增多，其视野逐渐延伸到无线电波、红外线、紫外线、Ｘ射线、伽马射线，甚至中微子。这些一个个被打开的“窗口”，向人们展示了宇宙中光怪陆离的绝妙风景，人类对宇宙的认识也随之深入。去年诺贝尔物理学奖得主贾科尼的贡献就在于发现了宇宙 Ｘ射线源，从而导致了Ｘ射线天文学的诞生，而戴维斯和小柴昌俊的获奖则是因为在“探测宇宙中微子”方面取得的成就，这一成就导致了中微子天文学的诞生。
基本粒子
世界上形形色色的物体都是由各种各样的原子组成的。早在２０世纪初期，物理学家已经发现一个原子就像一个微型的太阳系：中央是一个很小很小的原子核，直径只有整个原子的几万分之一，却集中了绝大部分原子的质量。原子核的外面是绕着它转动的电子，其质量与原子核相比小得简直不值一提。
原子核又由质子和中子组成，它们的质量和大小相同，但是质子带正电，中子则不带电，这样，整个原子核就带上了正电。原子核外的电子带有与原子核相等的负电，正负相抵，整个原子又显得不带电了。
质子、中子和电子都是“基本粒子”。另外还有一种基本粒子称为“光子”，光就是由光子组成的。光子不带电，而且总是以极快的速度运动着，永远不会停息。
中微子的发现
基本粒子的种类很多。有一种质量极小又不带电的基本粒子叫做“中微子”。早在２０世纪３０年代量子物理学的先驱者沃尔夫冈·泡利就从理论上推测，当较小的原子核相互结合成较大的原子核时，除了会释放出巨额的能量外，还会释放出大量的中微子。
中微子极其难测，但是它们在核聚变反应中会大量产生，如果能从核反应堆中找到中微子的踪迹，那么，就能证明中微子的存在。这项实验终于在１９５６年由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯和他的同事们完成了。莱因斯将核反应堆作为中微子源，选用氢核（质子）作为靶核，将两个装有氯化镉溶液的容器夹在三个液体闪烁计数器中。这种液体在射线下能发出蓝色荧光，由于中微子与靶核——质子碰撞时发出的明显的频闪有特异性，从而证实了中微子的存在。莱因斯因此获得１９９５年诺贝尔物理学奖。
太阳与中微子
中微子的发现也引起天文学家的注意。天文学家知道，千百万年来太阳之所以能够不断发光发热，是因为它的内部拥有充足的能量来源——每４个氢原子核结合成１个氦原子核。这种变化过程称为“热核聚变反应”。在太阳内部热核聚变反应时时刻刻都在大规模地进行着，中微子也就时时刻刻大量地产生出来。
中微子有种奇特的性质，那就是它的穿透力极强，任何物质都很难阻挡它。大批中微子不论碰上地球还是月球，都可以轻易地一穿而过。它们穿透我们的身体，我们也毫无感觉。太阳内部每秒钟大约产生２０００亿亿亿个中微子。它们产生后就畅通无阻地射向太空中的四面八方。地球表面每平方厘米的面积上，每秒钟就要遭受到几百亿个太阳中微子的轰击。
通常，人们只能通过观测太阳的表面层来推测太阳内部的情况。但是中微子却是直接从太阳内部跑出来的，它们一定会给人们带来有关太阳那边状况的宝贵信息。因此，天文学家非常重视对太阳中微子的观测和研究。
戴维斯的中微子“陷阱”
美国科学家戴维斯和他的同事们首先想方设法来“捕捉”太阳中微子。他们在一个１５００米深的废金矿里安置了一个特制的大钢罐，里面装着３９万公升的四氯乙烯溶液。当大批中微子穿过这种溶液时其中就可能有极少数的中微子和四氯乙烯中的氯原子发生反应，结果产生氩原子，并放出电子。他们使用一种特殊的“计数器”，可以“数”出究竟产生了多少氩原子，据此就可以知道有多少中微子参与了反应。
太阳中微子亏损
戴维斯一干就是３０年。在这３０年中他一共才探测到大约２０００个中微子，这虽然直接证明了太阳内部确实进行着由氢聚变为氦的热核聚变反应，但是同时问题也出来了：实验结果表明，戴维斯的装置平均每４天才有一个反应，只是我们用太阳模型计算出来的期待值的１／４。这就是著名的“太阳中微子亏损”问题。天体物理学家一遍又一遍地计算太阳模型，戴维斯不断地寻找着一切可能的误差来源，然而这个矛盾却始终存在。是我们的太阳模型有问题？还是金矿中的实验不正确？这个重要问题引发了对中微子性质的进一步深入研究。
小柴昌俊的神冈探测器
在戴维斯几十年如一日努力工作的同时，日本科学家小柴昌俊也将目光投向神秘的中微子，他领导研制了另一台中微子探测器：将３０００吨纯水注入直径１５．６米、高１６米的圆柱形水槽之中，水槽内壁安装直径约５０厘米的光电子倍管１０００个（每１平方米配置１个），用以捕捉入射的中微子产生的高速电子在水中发出的切伦柯夫辐射。这个巨大的水槽被深藏于日本岐阜县神冈矿山井之下，因而被命名为神冈中微子探测器。
中微子有可能与水中的氢和氧原子核发生反应，产生一个电子，这个电子可引起微弱的闪光，即切伦柯夫辐射，探测这种微弱的闪光，就可证实中微子的存在。小柴昌俊的神冈探测器证明了戴维斯的实验结果，而且更精确地确定了来自太阳的中微子的流量大约只有理论值的一半，更重要的是它还捕捉到超新星爆发产生的中微子。
中微子天文学的诞生
１９８７年２月２３日南半球的几个天文台观测到离地球最近的河外星系——大麦哲伦星云中一颗编号为ＳＮ１９８７Ａ的超新星开始爆发。小柴昌俊立刻查阅了探测器记录数据的磁带，发现在当日格林尼治时间７时３５分左右，总共捕获了１２个中微子。同时其他国家的中微子探测器也捕获了大约１２个中微子。这是人类第一次观测到太阳以外的宇宙中微子，它直接证明超新星爆发过程中确实形成了中子星。
以这次观测到超新星爆发为标志，天文学的一个新领域——中微子天文学诞生了。由于宇宙中存在大量的星际尘埃，对可见光和其他电磁波有较强的遮蔽作用，而中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应，从而为我们带来了宇宙深处的信息。虽然ＳＮ１９８７Ａ爆发时只记录下２４个中微子，但却可以推算出这颗超新星爆发的总能量和爆发后形成的中子星的直径与质量。
太阳中微子失踪案的破解
现在已经知道，中微子实际上有三种类型，即电子中微子、缪子（μ）中微子和陶子（τ）中微子，我们不妨将它理解为三种味道——电子味、缪子味和陶子味。由于太阳产生的中微子主要是电子味的，而过去的观测仪器只能探测电子味的中微子，因此，引发了“太阳中微子亏损”问题。根据现代物理学的所谓“标准模型”，中微子没有静止质量，而不同味道的中微子要相互转化，也就是发生振荡，就必须具有静止质量。
１９９８年６月，日本科学家宣布，超级神冈中微子探测器掌握了足够的证据说明中微子具有静止质量，这引起广泛关注。来自２４个国家的３５０多名高能物理学家云集日本，希望亲眼目睹实验的过程。因为如果这一点被证实，那么现有的理论物理体系将会受到巨大的冲击。
２００１年６月，加拿大科学家宣布，位于加拿大安大略省萨德伯里的一个镍矿中的“萨德伯里中微子观测站”（ＳＮＯ）测量结果表明，太阳释放出来的电子中微子在旅途中确实有一部分转变成了其他类型的中微子。考虑到这一因素的话，实验值与理论值，倒是很吻合的。所以太阳模型暂时可不必修改，而标准模型就大有问题，“需要新的物理学来把新的实验结果融合进去。”
关乎宇宙的命运
目前的天文观测证实，我们所处的宇宙正在加速膨胀之中。但是，宇宙会永远膨胀下去吗？还是会在某一时刻逐渐收缩？破解这一难题的关键在于宇宙的质量到底有多大。从已知的发光天体质量来看，宇宙的引力将不敌其膨胀力，将会永远膨胀下去。但是，宇宙中还有许多不为人们所知的暗物质，它的质量远远超过发光天体。将所有的暗物质包括在内，宇宙引力有可能超过膨胀力，从而有一天会使宇宙收缩。戴维斯和小柴昌俊的成果之一在于确定了中微子具有质量，而中微子正是暗物质的一种。这一贡献促使人们重新考虑宇宙的质量，改写人们对于宇宙未来发展趋势的认识。
２００２年１０月８日瑞典皇家科学院宣布，将２００２年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼，以表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献——为人类观测宇宙开启了两扇新的“窗户”，从而改变了人类认识宇宙的方式。 (特约撰稿人　陈丹) <<<回文萃
 
 
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