2015年10月6日，诺贝尔奖委员会将诺贝尔物理学奖授予加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳(萨德伯里中微子天文台研究所主任)和日本物理学家梶田隆章(东京大学教授，日本宇宙射线研究所所长)，以表彰他们发现“中微子振荡”。中微子是什么?中微子振荡又是什么?为什么中微子振荡的发现如此重要和鼓舞人心?2002年和2015年的诺贝尔物理学奖都被中微子领域摘取，两次奖励的关注点有何不同?与国外中微子探测实验相比，由中国主导的大亚湾中微子探测实验优势在哪里?诺贝尔物理学奖离中国多远?带着这些问题，赛先生委托上海天文台左文文博士采访了国家天文台陈学雷研究员。
天文学家带你漫步中微子世界（下）
Z=左文文
C=陈学雷
Z：此次获奖的两位科学家领导的团组都成功利用实验，证实了中微子振荡的存在。关注点却不同，您能详细分析下吗?
C：太阳内核反应产生的主要是电子中微子，Homestake 等实验也只能探测电子中微子，所以如果太阳里核反应中产生的中微子在传播过程中发生了振荡，有一部分变成mu子中微子或者tau子中微子，那这部分中微子Homestake实验就探测不到了，就会出现流量少于理论值的现象。
这次获奖的麦克唐纳领导的萨德伯里中微子观测站(SNO)也是观测太阳中微子的，但是它有不同的反应探测方式，既有只对电子中微子敏感的探测方式，也有对三种味道都敏感的探测方式。它探测到的太阳电子中微子流量与Homestake等以前的实验结果是一致的，这就证明了以前的实验结果是正确的，而它的中性流反应(也就是对三种味道都敏感的反应)探测到的中微子数量却和太阳标准模型一致，这就证明确实发生了中微子振荡。
超级神冈实验则给出了中微子振荡的另一个证据。太空中有一些高能粒子，称为宇宙线粒子，它们打到地球大气层上层时会发生反应，产生中微子，这些“大气中微子”中既有电子中微子也有mu子中微子，二者有固定的比例。但是中微子可以穿过地球，超级神冈实验可以同时观测从他们探测器上空向下射的中微子和那些穿过地球从他们探测器地下向上射的中微子。他们发现，在这两种情况下电子中微子和mu子中微子的比例有所不同，从地下出射的mu子中微子比例比较小，其解释是：在传播过程中发生了中微子振荡。本来，电子中微子和mu子中微子相互转化还不会改变这个比例，因为转化是相互的，但是还有一些mu子中微子转化为tau子中微子，而电子中微子虽然也会有一部分转化为tau子中微子，但相对而言转化的数量比较少，最后的结果就是mu子中微子数量比例减少。
所以，这次的诺贝尔奖是奖励中微子振荡的实验证实。
Z：2002年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家雷蒙德·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。戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”领域做出了先驱性贡献，各自获得了1/4的奖金。而2015年，两位物理学家同样因为在中微子领域的贡献，获得诺贝尔奖。
可以看出，2002年和2015年表彰的成果都是在中微子领域，关注点有什么不同吗?
C：实际上，中微子领域共获过4次诺贝尔物理学奖，除了你问题中提到的2002年和2015年的诺贝尔物理学奖，还有1995年和1988年的诺贝尔物理学奖，前者以表彰获奖者于1956年利用核反应堆实验首次探测到中微子，后者以表彰获奖者于1962年利用质子加速器发现了第二种中微子——mu子中微子。
对于2002年和2015年获奖，我的理解是，2002年表彰的成果是奖励他们首先探测到了天文源中微子，包括太阳中微子(戴维斯)和超新星爆炸中产生的中微子(小柴昌俊)，而2015年表彰的则是证实了中微子振荡。
Z：物理是以实验为基础的自然科学。2002年和2015年的诺贝尔物理学奖让日本的超级神冈探测器[注1]和加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站【注2】着实火了一把。相对于这两个观测站，中方主导的大亚湾中微子实验起步阶段更晚，成立于2006年。在前辈们的丰功伟绩面前，它面临了巨大的挑战，当然也包括机遇。它的优势在哪?它又面临了哪些挑战?在中微子领域，它可能带来的创新方向在哪?
C：大亚湾实验主要是利用大亚湾核电站作为中微子源，精确测量中微子的1-3混合角theta13，这些混合角决定了中微子的振荡模式，比如前面说过，超级神冈实验发现，大气中微子穿越地球时较多mu子中微子转化为tau子中微子，而较少电子中微子转化为tau子中微子，这就是因为2-3混合角比较大，而1-3混合角比较小。目前，我们并不清楚到底是什么决定了中微子的质量和混合角，比如中微子为什么有这么小而又不为零的质量?很多物理学家提出了种种猜想，试图解释中微子获得质量和发生混合的机制，那么精确地测量1-3混合角以及一些其它参数，就可以检验这些理论，精确的测量值也会启发物理学家提出一些新机制。
Z：在此之前，多名科学家预计，今年的诺贝尔物理学奖将颁给天文学领域的成就，其中系外行星的发现获奖的呼声最高。现在看来，预测部分是正确的。虽然今年系外行星的发现今年未获奖，但它的研究意义毋庸置疑。在您的心目中，还有哪些天体物理领域的研究已经到了诺贝尔奖级别，但尚未获奖?
C：我认为在过去几十年里，宇宙学和黑洞与致密天体方面有许多重要工作是诺贝尔奖级的，应该获奖。当然，近年来的系外行星探测也有一些成就。
Z：刚才您也提到，做好科研急躁不了。5日诺贝尔医学奖花落中国科学家屠呦呦，是件大喜事。这也不禁让大家开始畅想，诺贝尔物理学奖什么时候才能被中国物理学家摘取。不知道您怎么看?是不是大众追问“诺贝尔奖离我们有多远”本身也反映了我们急躁的心理?科学家又该如何对待?
C：我觉得，追问“何时获奖”有两种情况，一种是早已做出了够格的工作，但迟迟没有获奖，另一种是还根本没有做出够格的工作，现在大众包括我们科技界自己追问的是后一种。这不能说是急躁或者功利心理，而是一种质疑和反思：我们的科研体制、教育体制究竟有什么问题，为什么我们产生不了一流的工作?要知道，今天我们的科技投入已相当不少;就算在过去，虽然人平均量不多，但中国是个大国，整体的投资量、研究队伍数量都是非常庞大的，却没有做出几样一流的科学发现。西方发达国家和日本不用说了，就是印度、巴基斯坦、南非、阿根廷、土耳其、埃及、墨西哥等发展中国家也都有诺贝尔科学奖获得者。就我们自己而言，王淦昌先生在抗日战争中的西南联大那样艰苦的条件下尚且做出了首次提出探测中微子实验方法这样一流的研究工作，而后来我国却几乎没有这样的工作了!当然，今年屠呦呦先生获奖，开创了在中国大陆工作的科学家获诺贝尔奖的第一，但仍不能不说，我们中国科学家能拿得出手的工作太少了。而且，更具讽刺意味的是，屠呦呦先生本人之前在国内并没有获得多少荣誉，连院士都不是，甚至博导也是直到2001年才当上的。也许有人会说，这是因为青蒿素这项工作有许多人参与，可能以前是一种集体工作而没有给予个人太多奖励。但是，其实这项工作的集体也只是得了国家发明二等奖。这到底是什么原因?值得反思!
再说到中微子。当年小柴昌俊先生曾经与中国一些物理学家讨论过合作在中国进行中微子实验，但却因种种原因，最后没有实现，而在日本神冈进行了实验，现在已出了两个诺贝尔奖，这对中国科学家来说，不能不说是很遗憾的事。种种原因，归根结底，是在我们国家，纯基础性的、没有直接应用的研究很难得到支持，那些探索性的、风险大而没有把握一定出成果的实验尤其得不到支持。今天我们在国内做暗物质、暗能量实验研究的人，虽然条件有所改善，但也仍然面临着这样的问题。反之，大量资源被投入并没有多少科学价值却可以在纸面上“产出成果”、特别是那些由“有关系”的人牵头的项目中。即使得到支持，科学家也要把大量时间精力花在公关、申请项目、平衡预算、应付检查和验收等等上，真正潜心研究、按照科学规律开展研究非常难。那些一心做科研而不愿拉关系的人，在职称、待遇、资金支持、荣誉等方面都要吃亏。因此，科技界的领导者和管理部门，有必要对现在体制的弊病加以反思和改进。
当然，也不应把现在的科研都贬得一钱不值。屠呦呦先生获奖后，有人说现在的科研还比不上文革时代，我个人认为这也是不正确的。在我所了解的领域里，现在科研的整体水平较之文革时代有极大的提高。优秀的工作需要时间才能辨认，我相信今后会有更多的中国科学家获得诺贝尔奖。
注1：神冈探测器位于日本岐阜县神冈町的一个深达1000米的废弃砷矿中，于1982年开始建造。1998年，神冈探测器的测量结果，给出了中微子振荡的首个确切证据;2002年，神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。因为这个探测结果，超级神冈探测器的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理学奖。2015年，梶田隆章也获得诺贝尔物理学奖。
注2：萨德伯里中微子探测站位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中，于1999年5月正式启用，2006年11月28日关闭。2001年8月，根据加拿大安大略省的萨德伯里中微子探测站的测量结果，麦克唐纳等人推论出了来自太阳的电中子振荡成为介子和中微子。2015年，麦克唐纳与梶田隆章同获诺贝尔物理学奖。
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