一隻又死又活的薛定諤的貓

第十章 中微子趣史

　　中微子是一種不帶電、質量近於零的基本粒子，屬於基本粒子大家庭中的輕子一族。中微子自打一出現就充滿了戲劇性，其魅力經80餘年而不衰。在近代物理學中，可以說是故事最多的一種基本粒子。

　　泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958，獲1945年諾貝爾物理獎）被尊為中微子之父。此人在物理界是出了名的壞脾氣，經常先入為主，總以否定別人為己任。講起話來很不客氣，常常讓人下不來台。物理圈裏流傳著不少有關泡利“惡行”的故事。一個挺典型的實例發生在1954年，那年楊振寧和米爾斯提出了在近代物理理論中具有舉足輕重地位的楊-米爾斯規範場理論，由於該理論當時還有一個關鍵的問題沒有解決--具有規範不變性的矢量玻色子其質量隻能為零，絕大多數人都以為它沒有多少物理意義。同年2月楊振寧在普林斯頓高等研究所就楊-米爾斯理論作報告，還沒講兩句，泡利就明知故問“矢量玻色子的質量是什麽？”楊振寧知道這個問題是個陷阱，無論怎樣回答都會引起進一步的麻煩。於是選擇了最低調的應對，答曰“我不知道”。換作任何其他人，大概就到此為止了，泡利卻不肯罷休，說“這不足以作為擋箭牌”。場麵立時變得十分尷尬，楊振寧覺得報告無法繼續進行，幹脆坐了下來。最後還是原子彈之父、時任高等研究所所長的奧本海默（J。R。Oppenheimer，1904-1967）站出來打圓場，楊振寧才得以將報告作完。泡利為人處世的風格由此可見一斑。不過他的物理直覺極佳，雖然有點懷疑一切，在大多數時候事實卻往往最終證明他是對的。

　　1930年，核物理領域發生過一次嚴重的危機。在β衰變（原子核裏的中子釋放出一個電子而變成帶正電的質子）的過程中，似乎有一部分能量莫名其妙地“消失”了。當時甚至連量子理論創始人波爾（Niels Bohr，1885-1962，獲1922年諾貝爾物理獎）都認為在β衰變中能量可能不守恒（為此他被泡利不客氣地稱為驢子）。然而泡利卻堅信能量守恒原理是放之四海而皆準的普遍真理，所謂能量“消失”不過是因為β衰變中還存在一個無法探測到的第三者。他在一封1930年12月4日給莉澤邁特納（Lise Meitner，1878-1968）的信中第一次明確指出了中微子的存在--中微子從此在理論上誕生了。泡利在預言中微子存在的同時，也認識到中微子與其他物質之間的相互作用是極其微弱的。他甚至不排除永遠無法探測到中微子的可能性。這不光是泡利一人的看法，很多大物理學家，例如貝特（Hans Bethe，1906-2005，獲1967諾貝爾物理獎）等人，經過估算後都相信“中微子顯然無法被看到”。所以中微子那時亦被稱為“鬼粒子”。

　　散射截麵是衡量兩個粒子間發生相互作用難易程度的物理量，散射截麵越大，發生相互作用的可能性就越大。這有點像打靶，靶越大，一槍命中的機會就越高。中微子與其他粒子的散射截麵幾近於零，因而要想探測某個中微子（也就是觀測到它與其他粒子間發生相互作用）是千難萬難。不過我們可以換個角度來看問題：盡管想一槍命中一個極小的靶很難成功，但如果用機關槍連續打出成千上萬發子彈，則打中的可能性將大大提高。中微子與其他粒子的散射截麵雖小，但畢竟不是零。如果能在短時間內產生出極大量的中微子去轟擊別的粒子，還是有希望從實驗上證實中微子的存在。這種強大的中微子源是直到第一顆原子彈爆炸成功後才成為現實的。

　　萊因斯（Frederick Reines，1918-1998）原本是測試核武器的專家，也許是幹膩了，1951年他提出申請，轉行去搞與物理理論相關的課題。有一次因為飛機延誤，他在堪薩斯機場候機時遇見了科溫（Clyde Cowan，1919-1974），兩人半開玩笑地聊起來，由於核爆炸時會產生大量中微子，如果在離核爆中心很近的地方挖一口井，讓一個探測器在爆炸開始的瞬間自井口下落，有可能通過費米（Enrico Fermi，1901-1954，獲1938年諾貝爾物理獎）在1933年設想的反β衰變（質子在吸收一個中微子之後，釋放出一個正電子而變為中子）而觀測到中微子。他們一拍即合，很快成為合作夥伴。不過他們真正設計的實驗是利用核子反應堆而不是在核爆炸現場。1953年，萊因斯和科溫開始在一座功率較小的反應堆上進行實驗，未能得到令人滿意的結果。但他們並沒有放棄，1955年又將實驗搬到薩凡納河國家實驗室的大功率反應堆。這一回結果極佳，每小時可以觀察到兩個中微子。在進行了反複實驗及核查後，他們最終確信中微子真的被觀測到了，並在1956年6月14日公布了實驗結果。萊因斯和科溫在第一時間給泡利發去了電報：“我們非常高興地告訴你，我們終於觀測到了中微子，……測到的散射截麵與理論一致。”泡利的回電雖隻有幹巴巴的兩句：“謝謝來電。懂得等待的人，終會得到想要的東西。”不過他和朋友們喝了整整一箱香檳酒來慶祝。萊因斯因發現中微子而獲得1995年諾貝爾物理獎，科溫卻由於早逝而未能分享此一殊榮，成為一大憾事。

　　萊因斯和科溫的實驗開啟了進一步研究中微子特性的大門。大量的實驗揭示出中微子的另一怪異特點--具有與眾不同的手征性。手征性可以用陀螺作為一個簡單的例子來粗略說明：陀螺一頭尖一頭平，以尖的一端作為參照，就可以定義旋轉的陀螺的轉動方向（即手征性）--順時針或逆時針。基本粒子也具有手征性。不過在粒子物理中不說順時針與逆時針，而說左旋與右旋。對大多數粒子來說左旋與右旋是對稱的，即如果存在具有左旋的某種粒子，就一定也存在具有右旋的同種粒子。假如一個具有左旋的粒子去照鏡子，鏡子裏看到的就是一個具有右旋的同種粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同種的右旋粒子而結果不變，這種相互作用就具有手征對稱性。然而令人費解的是，實驗中觀測到的中微子都是左旋的（反中微子則都是右旋的），世上似乎根本不存在右旋中微子。沒有右旋中微子的一個直接結果是，如果能讓一個中微子去照鏡子，鏡子裏就將什麽都沒有！有人懷疑中微子的這種不對稱性也許與宇宙的形成有關，可能是揭開宇宙中物質與反物質高度不對稱之謎的關鍵。

　　首次探測到中微子靠的是核子反應堆。其實太陽就是一個超大型的反應堆，它所發出的光和熱是產生於發生在其核心的熱核反應。由於需要穿過厚厚的等離子體，在核心產生的能量要經過上百萬年才能到達太陽表麵。也就是說，我們現在沐浴的陽光是產生於百萬年之前的。但是熱核反應中產生的大量中微子卻可以幾乎不受阻滯地直達表麵、飛離太陽。這就意味著，通過研究目前收到的太陽中微子，人們可以了解一些百萬年後太陽能的狀況。上世紀60年代末，巴赫恰勒（John Bachall，1934-2005）借助基本的核物理和天體物理知識，從理論上計算了來自太陽的中微子流量。為了核實他的計算結果，巴赫恰勒建議他的朋友、實驗物理學家戴維斯（Raymond Davis，1912-2006）進行一項測量太陽中微子的實驗。為了排除其他外界因素的幹擾，戴維斯將實驗室設在美國南達科他州的一個1000多米深的廢棄礦井裏。根據巴赫恰勒的計算，戴維斯應該每星期觀測到大約10個太陽中微子，然而實際觀測到的僅3個左右（這項實驗後來為戴維斯贏得了2002年的諾貝爾物理獎）。不少核物理學家用不同的模型對太陽的中微子流量進行了反複地計算，得出的結果都與巴赫恰勒的結果一致。然而戴維斯的實驗也無懈可擊，他有一條非常過硬的論據：如果是外界的其他來源造成了“汙染”，觀測到的中微子數目隻會比理論上的更多而不是更少。理論與實驗的巨大差異不但在物理界引起軒然大波，就連大眾媒體也摻和進來了，諸如“太陽病了”之類的文章隨處可見。

　　其實解開這個謎團的鑰匙在幾年前就已經被龐蒂科夫（Bruno Pontecorvo，1913-1993）打造好了，隻不過在當時沒有引起多少人的重視。龐蒂科夫是出生在意大利的猶太人，曾在費米領導的著名研究小組中工作過，一直從事核物理方麵的研究。二戰時為了躲避納粹的迫害，流亡到美國，後來去了英國並參與過英國的原子彈計劃。可他同時又是蘇聯克格勃的間諜，1950年叛逃去了蘇聯。在60年代初，物理學家們就已經知道中微子應該有不止一種。常見的中微子是與電子相關聯的電子中微子，此外還有與另兩種輕子μ子和τ子相關聯的μ中微子和τ中微子。這三種中微子在物理上可以用具有不同的“味”來加以區分。龐蒂科夫在1967年提出了一個大膽的設想：如果中微子的靜止質量不為零，中微子就可能“變味”，即電子中微子可以自動變成μ中微子、μ中微子可以自動變成τ中微子、τ中微子又能自動變成電子中微子，循環往複--這就是著名的中微子震蕩。然而物理界普遍相信中微子是以光速運動的，根據相對論，以光速運動的粒子其靜止質量隻能為零。這也是為什麽龐蒂科夫的理論無人問津的根本原因。有意思的是，龐蒂科夫的理論卻為太陽中微子的難題提供了一種非常自然的解釋：太陽的核反應中產生的中微子雖然隻有電子中微子（為此戴維斯設計的實驗隻探測電子中微子），但如果它們在飛往地球的旅程中不斷重複電子中微子μ中微子τ中微子電子中微子的循環，那麽實際到達戴維斯的探測器時，就是三種中微子，而不是單一的電子中微子。因而測到的電子中微子數量當然就隻有出發時的1/3了。由此看來，巴赫恰勒的計算和戴維斯的實驗都沒有錯。為了證實來自太陽的中微子真的是在三種“味”的混合體，1999年在加拿大薩德伯裏一個3000多米深的礦井裏安排了可以同時探測三種“味”的中微子的精密實驗，此次實驗測到的中微子總流量與理論計算值完全吻合，從而給“太陽中微子丟失”之謎畫下了一個完美的句號。龐蒂科夫若不是具有上麵所說的那種複雜背景，他應該有可能因提出中微子震蕩理論而獲得諾貝爾獎。

　　自70年代以來，為了研究中微子震蕩，進行了大量的科學實驗。其中最典型的是一係列測量不同“味”的中微子之間振蕩幾率（用來決定一種中微子轉換成另一種中微子之可能性的大小）的實驗。振蕩幾率一共有三種，其中兩種的數值已經被準確測定，分別為0.861和0.97.還剩一種，由於其數值比較小，因而難以測定。確定第三種振蕩幾率正是目前中微子實驗的熱點。

　　OPERA大概可以算是目前規模最大的中微子實驗。它運用位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織（CERN）超級質子同步加速器產生的高強度、高能量的μ中微子束向730公裏之外、位於意大利中部的格蘭沙索國家實驗室傳送，其目的是觀測μ中微子與τ中微子間的振蕩現象。2010年5月31日OPERA公布了從μ中微子束中探測到的τ中微子現象，為中微子振蕩提供了相當過硬的證據。一年多之後，OPERA又在物理界投下了一顆新的巨型震撼彈。在一篇由174名科研人員署名的論文裏，他們宣稱實驗中所測到的中微子速度比真空中的光速還快了6米/秒。這自然立即成了科學界的頭號新聞，因為此一結果如若真的屬實，則將動搖作為近代物理學兩大基石之一的相對論，整個物理學就可能發生翻天覆地的變化。盡管絕大多數物理學家都對這項實驗結果持懷疑態度，有些理論物理學家卻已經開始籌謀為相對論尋找出路了。他們希望在現有的相對論框架下（即仍然保持真空中光速不可超越），為OPERA的這項實驗提供一項合理的理論解釋。比如有人提出，按照流行的宇宙學理論，在構成宇宙的全部物質中，暗能量占73%，暗物質占23%，真正能“看到”的物質僅占4%。假設暗物質真的無所不在，如果它與光子間有哪怕極微弱的一點相互作用（這是一個很強的假設，因為到目前為止還沒有什麽證據顯示暗物質能與任何其他物質發生相互作用），那麽我們所測量到的光速或中微子的速度就不是真空中的速度，而是它們在介質（暗物質）中的速度。在介質中出現超光速現象是不足為奇的，也不會動搖相對論的理論基礎。正當這些理論物理學家們摩拳擦掌準備搶占新的理論製高點時，2012年2月突然又從圈內傳出讓人瞠目結舌的消息：OPERA公布的實驗結果也許是個超級大烏龍！測到的中微子超光速數據可能隻是由於電腦光纖的接頭鬆動而導致的誤讀。科學實驗就是這樣，有時候會讓人空歡喜一場。

　　盡管OPERA鬧了一個大笑話，中微子震蕩依然是物理界的熱門話題。不久之前，從我國大亞灣核電站傳出一個振奮人心的消息，由250名來自6個國家的科研人員組成的大亞灣中微子實驗國際合作組獲得了中微子第三種振蕩幾率的可靠數據。在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用了6個中微子探測器，完成了實驗數據的獲取、質量檢查、標度、修正和數據分析。結果表明中微子第三種振蕩幾率為0.092、誤差0.017，從而首次證實了這種新的中微子振蕩模式的存在（在此之前，日本、美國和法國的實驗室也曾測量過這一振蕩幾率，但由於誤差較大，無法給出決定性的結論）。不少權威人士認為，如果最終證實實驗結果準確無誤，它有可能成為首個在中國國內完成的獲得諾貝爾物理獎提名的科研成果。

　　從泡利預言中微子的存在到今天，80多年已經過去了。人們對中微子的認識與那時已不可同日而語。然而仍然有一些根本性的問題有待從理論上和實驗上加以解決和證實。一個例子是，目前有兩種比較完備的中微子理論，一個由狄拉克（Paul Dirac，1902-1984，獲1933年諾貝爾物理獎）提出，另一個來自物理奇才馬約拉納（Ettore Majorana，1906-1938），二者都可以對現存的所有實驗給出完美的解釋。如果中微子的靜止質量為零，則這兩個理論永遠分不出優劣。然而一係列有關中微子震蕩的實驗，基本肯定了中微子是有質量的，因而對這兩個理論的最終判定也許已為期不遠了。80多年來，中微子不時給物理界製造些“麻煩”，有時也帶來些意外的驚喜。我們對它的認識也在不斷深入。今天已經有人開始從技術層麵上考慮如何利用中微子的特性來造福人類，比如，中微子可以穿透幾乎任何物體，如果能對它的發射和接收有效掌控，它可能成為長程通訊的理想載體。總之，中微子的故事仍在繼續，而且還會持續很久。