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寻找中微子有多难?为了发现它,诺贝尔奖得主差点去玩原子弹

上一期【幽灵粒子】栏目,咱们提到物理学大师泡利预言了中微子的存在。在预言的时候,他还说自己给人类科学家创造了一道难题,因为这个粒子不可能被观测到。

尴尬的是,在他临终前两年,中微子就被发现了。到处怼人的泡利,就这么被打脸了。

不过,中微子的发现过程,的确是充满了艰辛。泡利虽然被打脸,但他的说法,还是有道理的。

中微子之所以难以观测,就在于它几乎不和其他粒子发生任何反应。

这里,我们就要说说“观测”这个词的本质了。说得俗一点,观测就是看的意思。什么叫看?有人说:睁开眼睛就看呗。其实,这都不是本质。所谓的看,是被看的物体表面有光子射出(直接或者反射),进入到我们的眼睛,然后传递到我们的大脑,大脑再成像的一个过程。也就是说,之所以我们能看见,是因为人类体内有物质可以接收这些光子。

可是,中微子不一样,从看的方面来讲,本身就是不可能的,因为任何物体都拦不住它。当它射到眼睛的时候,不会像光子一样起作用,而是直接穿透我们的身体,然后离开。挥一挥衣袖,不带走一片云彩。

不仅眼睛看不见,设备也看不见。因为,中微子对电磁力也免疫(实际上光是一种电磁波,我们看东西的本质是感受其电磁波),所以通过电磁力是无法观测中微子的。所以即使是最精密的设备,也只能对中微子毫无办法。另外,中微子也几乎不与普通粒子产生相互作用,更加提升了检测的难度。

难怪预言者泡利自己就说:我可能给人类出了一道难题,大家根本无法检测这种粒子。

没有检测不到的粒子,只有不够精密的设备,或者不够聪明的办法。

谁也想不到,这个难题,竟然是被当时处在抗日战火中的中国科学家解决的,他就是王淦昌。

王淦昌作为中国核科学的奠基人和开拓者,两弹一星元勋,这一生的成就是非常伟大的。令人遗憾的是,他促成了两次诺贝尔物理学家,自己却与诺奖无缘。第一次就是在1391年时,还在德国攻读研究生的他提出了发现中子的实验设想。次年,英国科学家查德威克按此思路进行实验发现了中子并获得诺贝尔奖。第二次,就是因为中微子。同样的,他提出了方法,而被别人借鉴。(1959年的时候,他发现了反西格马负超子,却没有发表论文,第三次错过了诺贝尔奖。)

在德国读书的时候,正好也是泡利提出中微子假说、费米完善的时期。那个时候,王淦昌就对中微子非常感兴趣。在战火纷飞的中华大地上不断辗转的同时,王淦昌还坚持着自己的科研。1941年,在发表于美国的《物理评论》杂志上的论文《关于探测中微子的一个建议》中,他提出了K层电子俘获的方法,认为这是发现中微子的有效手段。

其实,王淦昌最初是想把文章发表在国内的,可惜当时《中国物理学报》退回了他的文章,所以只好发表到国外。

次年,美国物理学家艾伦就利用这个方法进行了实验,基本确认了中微子的存在。

不过,一直到10年后的1952年,艾伦和罗德巴克再一次进行了实验,得到了极其完美的结果。至此,利用王淦昌的方法,人类终于确定中微子不只是假设,而是实实在在的粒子。

当然,K层电子俘获也不是唯一发现中微子的方法。1956年,美国物理学家莱因斯和科恩在经过5年的努力奋斗后,终于发现了中微子。

他们的方法,是利用氯化镉和水来寻求反应:中微子+质子→中子+正电子。这里的正电子会和水里的电子发生湮灭现象,然后体现在光电倍增管,以证明实验的发生。而这个反应的发生,在核反应中最容易出现。

如果用东北话来形容这俩人,那就是:虎。他们想了想,决定:咱俩用原子弹研究中微子吧!不过,这个决定也不仅仅是他俩想的,这也是出自于费米的建议。为了实验,连命都不要了。不知道别人怎样,反正我是服了。

好在,后来在别人的提点下,他们突然意识到,好像也不用这么玩命,我们找一个核反应堆不就行了?

在一个核反应堆旁边安放装置(水和液体闪烁体),最终检测到了极少量的中微子(后来人们意识到,其实他俩发现的是中微子的反物质粒子——反中微子,当然前面的反应方程也应该改成反中微子)。至此,中微子正式和人类见面。

这项发现,可以说是轰动性的发现,证明了泡利的预言,带领人们认识到了新的粒子。奇怪的是,关于这次科学发现的诺贝尔奖,一直磨蹭到了1995年才颁发,搞得我一度怀疑是不是1995年实在没有谁值得领奖,才想起来这陈年旧事。更尴尬的是,科恩在这个时候已经“等”死了,只有莱茵斯去领了奖。看来不仅是艺术界,科学界也得活得久才行啊。

中微子被正式发现后,世界各国的科学家纷纷加入,想要观测这种幽灵般的粒子,并为此建立了许多的实验室。奇怪的是,这些实验室,无一例外都深深地埋藏在地下,好好的科研人员,竟然变成了地下工作者。那么,科学家为何一定要在地下去研究中微子呢?咱们下一期再说~

幽灵粒子!质量极小的中微子,决定着宇宙的质量

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