中微子为什么要振荡？（上）

世界杯足球赛的某场关键比赛中，主队和客队在120分钟内战成了0:0，只能通过点球大战决出胜负。双方共派出的10名主发点球的球员依次出场，在前9次的点球互射中，主队和客队分别打入4个球。此时，客队最后一名发点球的13号球员出场了，全场观众都安静了下来，气氛紧张到了极点。如果他成功打入这个点球的话，那么客队将获得整场比赛的胜利。世界杯的历史将再一次刷新，而13号球员将和他的队友教练员们一起成为整个国家的英雄。

120分钟的比赛几乎耗尽了队员们的绝大部分体力。不过13号是下半场才替换上场的小将，体力充沛，加上教练员要求大家全线龟缩，因此13号此时看起来充满着信心。只见他不慌不忙的走到点球区，将本届世界杯的专用足球“普天同庆”按在草皮上，摆正了方向，再缓缓后退3步。此时，对方门将也异常紧张，双眼紧盯13号的双腿，祈祷能够有奇迹发生。

裁判的哨声响起，13号大力推射，门将奋力扑救，球应声入网。全场顿时响起轰炸机般的呜呜祖啦声，庆祝客队取得了本次比赛的最终胜利。客队的替补球员们冲入球场疯狂庆祝，而主队的球员们则垂头丧气的避开摄影机镜头，打算迅速离开这个伤心之地。主队门将1号拾起球门内的足球，正打算狠狠的摔一下发泄失败的烦闷。可是他发现情况有些不对，追上去将球呈给了裁判。裁判立刻判罚进球无效，比赛仍未结束，同志仍需努力。

原来，被13号射出的“普天同庆”，在空中飞行的一段时间后，竟然变成了上一届世界杯专用足球“团队之星”，然后落入球门。根据本届世界杯的规则，这样的进球无效。

真的有奇迹发生了吗？当然，谁也不会相信这样匪夷所思的事情，除了专门研究匪夷所思的粒子物理学家们。“普天同庆”不可能变成“团队之星”，不过组成“普天同庆”的基本粒子，夸克，电子，以及发射出的中微子们，却个个都有“七十二般变化”的本领。如果那一脚射出去的是电子中微子的话，那么飞入球门时，很有可能就变成μ子中微子；如果“射门”距离更长的话，后者很有可能又在途中变回原来的电子中微子。这样的现象叫做“中微子振荡”。那么，好好的中微子为什么非要振荡呢？你是“普天同庆”就是“普天同庆”，为什么非要变成“团队之星”呢？如果要变的话，有没有可能变成2002年的“飞火流星”呢？要想了解这个问题，让我们先了解一下中微子是个什么东西吧。

“士农工商”——中微子和它的兄弟姐妹

我们给基本粒子分类起名字，就像给任何新鲜事物起名字一样，总是力图概括它的基本特征。而这一概括，总是建立在某些特殊背景的基础上，使普通读者们觉得词不达意，“不知所云”。比如，我这样的理科书生看电影《杜拉拉升职记》，发现开头的人物介绍完全看不懂，什么“大客户经理”，“行政秘书”，“助理人事行政经理”，不知道在说什么。如果有人在旁边介绍一下，说“大客户经理”相当于饭店里管包厢服务员的，“行政秘书”是扫地打杂的，“助理人事行政经理”是小监工领班的，我就能明白了。所以，让我们了解一下中微子和它的兄弟姐妹，以及基本粒子物理的一些背景吧。

就像中国古代社会分为“士农工商”四个阶层一样，自然界存在着四种的基本相互作用：强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，引力相互作用。“士”是能量最大的一级阶层，它能够管理其余三个阶层。而强相互作用顾名思义是最强大的一种相互作用，参与强相互作用的物质基本粒子——夸克，同时也参与弱、电磁、引力其他三种相互作用，是基本粒子中质量最大的一类。例如质量最大的顶夸克，跟一个铅原子的质量差不多。强相互作用把夸克“捆绑”成质子，中子，又把后者“捆绑”成原子核（这个“捆绑”的有效距离仅限于原子核内，因此日常生活当中感觉不到）。要是没有强相互作用，宇宙也许不过是一锅夸克汤，更加不可能有人类。

原子弹释放的大部分能量来自强相互作用

“商”是能量较小的一级阶层，但其作用范围相当广泛，除了不能买卖官爵之外，什么都能买卖。而许多社会活动的价值，都需要通过“商”的作用才能得到体现。比如明朝张居正以前，据说收税直接收实物，给“士”发工资也直接发实物。当官的要是不把棉花天麻找商人换成钱，日子根本没法过。因此，电磁相互作用相当于“商”的阶层，它的作用体现在了日常生活当中的每一个角落。你看电视（视力），这是电磁相互作用，你踢足球（压力），这是电磁相互作用，你骑单车（摩擦力），这是电磁相互作用，你划小船（浮力），这还是电磁相互作用。

摩擦力

在物理学中，就算你要研究除电磁相互作用以外的其他三种相互作用，对不起，你还需要借助电磁相互作用。人类几乎所有的先进探测仪器都借助了电磁相互作用。如果没有天线，没有光电倍增管，没有威尔逊云室中的过饱和，以及将信息最终带至视网膜的光，物理学也许还停留在牛顿时代，更不用说人脑中分析信息的亿万个神经元，参与的也是电磁相互作用了。因此，在物质基本粒子中，电磁相互作用的代表——电子，同时也参与弱、引力其他两种相互作用。我们知道爱因斯坦的质能定律E=mc2，也就是说质量和能量可以互相转化。由于电子不参与强相互作用，因此电子的质量比夸克小的多，大约是后者的几分之一到十几分之一。

太阳妈妈释放的能量大部分来自强相互作用，却主要是通过电磁相互作用（发光）传播到地球的。

“工”在古代是指手工业，现代社会中对应于中低端的“制造业”。在基本粒子物理学中，弱相互作用还真有点儿中低端“制造业”的样子。我们知道太阳是万物之母，地球上一切人类活动的能量大都来源于太阳能，而太阳能来自于氢核子聚变成氦核子的一系列核反应过程。这一系列核反应包括了强、弱两种相互作用（参见游识猷：疯狂科学家的公式化生存），虽然弱相互作用释放的能量相对较少，但没有了它，整个核聚变反应根本无法进行。

太阳之中的核反应，碳循环，看起来很像二氧化碳合成葡萄糖的那个循环

如果再往前追溯，我们会问，恒星中哪儿来的这么多氢和氦呢？这是宇宙大爆炸后的核合成时期形成的。宇宙“最初三分钟”的一种弱相互作用导致的核反应决定了质子和中子的比例。我们知道氢原子核中只有质子，而氦原子核当中有质子和中子。因此，是最初三分钟的弱核反应决定了我们宇宙的原初元素组成。这怕是名副其实的中低端“制造业”了。如果这个“制造业”当初稍有偏差，改变了质子中子的比例，也许宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端“制造业”就永远无法出现了。顺便说一句，弱相互作用的应用越来越广泛，例如医院放射科用于治疗癌症的钴-60，测定文物年代的碳-14等等。因此，弱相互作用虽然不起眼，但对于宇宙、对于人类来讲仍然是至关重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子，它同时也参与引力相互作用。中微子的质量只有电子的百万分之一，不参与电磁相互作用，当然也就不带电。此时，我们一定能够理解中微子的名字和它的特征之间的关系——它是一种中性的微小的只参与两种相互作用的基本粒子。

Co-60的衰变会放出电子和反中微子，不过治病靠的是随后放出的伽马射线

“农”在我们的比方中对应着万有引力的相互作用。就好像任何时代任何国家的发展都离不开农业，一切基本粒子都参与引力相互作用。只不过，相对于其他四种相互作用，引力的强度是最弱的。只有在宏观尺度上，引力才会起到决定性的作用。目前人类还没有得到自洽的微观的量子引力理论。因此，我们不知道是否存在“引力子”这样的代表引力相互作用的基本粒子。

我们提到了三类基本粒子：参与四种相互作用的夸克，参与三种相互作用的电子，和参与两种相互作用的中微子。还有一类粒子，它们的主要功能是负责传播相互作用，因此得名“传播子”。例如，传播强相互作用的叫胶子，它能把夸克们“粘”在一起，形成中子质子介子等亚原子粒子。传播弱相互作用的叫W+，W-，Z玻色子。传播电磁相互作用的叫光子。我们知道现代社会经常把“工”和“商”放在一起，比如工商局，工商大学，工商银行。同样，弱相互作用也可以和电磁相互作用一起，统一为电弱相互作用，正所谓“五百年前是一家”。由于类似的原因，我们经常把电子和中微子归为一类，称为轻子；而夸克自成一类，称为强子。还有一种理论上预言的希格斯粒子，人们认为它赋予了基本粒子的质量。粒子物理学“标准模型”中的四大类粒子就是：强子，轻子，传播子，和希格斯粒子。我们要讨论的中微子振荡现象，主要集中在强子和轻子之中。

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