【科学故事会】大家说物理:跨越时空、讲述传奇的宇宙精灵
科学故事会 杨莉莉 2024-09-25 11:48
在深不可测的宇宙中,存在着一种小精灵。许多人对它充满了好奇。有人为它欣然赋诗;有人为它深耕地下,将青春奉献在1500米深的地下实验室里。这种精灵究竟是谁?为什么能对人类产生如此强大的吸引力?
神奇的宇宙精灵
中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,在一粒骰子大小的空间里面,就有将近300个中微子存在。这种粒子就陪伴在你我左右,并且能穿过我们的身体,可是我们看不到它,也摸不到它,甚至感受不到它。
有科学家曾经统计过,在一个人80年的人生中,会有一个中微子和他的身体发生反应,其他的中微子则都会从他的身体中穿过去,不留下一丝痕迹。是不是很神奇?
正因为中微子不容易和其他粒子发生反应,很长一段时间内,我们都不知道它的存在。对于科学家来说,如果能捕捉到它,那是何其幸运的一件事!
精灵粒子的发现
了解水力发电的同学可能知道,这是依靠水从高处流下时产生的巨大能量,使发电机转动,从而转化为我们需要的电能。这其中蕴含着自然界的一条重要基本定律——能量守恒定律。
小到原子内部,大到宇宙天体,能量不会凭空产生,也不会无故消失,只要有能量转化,就一定服从能量守恒定律。
但在20世纪20年代,科学家在实验中发现,在原子核的衰变过程中,有一部分能量竟然莫名其妙地消失了!他们不禁怀疑,被奉为黄金准则的能量守恒定律难道“失灵”了?
不过,一位叫泡利的科学家并不这么认为,他觉得这部分能量并不是“消失”了,而是变成了另一种非常轻、非常小的新粒子,而这种粒子尚且无法被检测到。但这只是泡利的一种假设。
直到1956年,科学家莱恩斯和柯万,在我国科学家王淦昌间接探测中微子的理论启发下,终于探测到了反应堆发出来的中微子,证实了泡利的假说。
开启中微子天文学的时代
除了反应堆外,中微子源还有许多,比如太阳、地球、大气层、宇宙大爆炸、恒星大爆炸等。但是在20世纪八九十年代,科学家们还不知道超新星爆发也会产生中微子。
1987年2月23号,地球上的两个中微子探测器同时发现了一种中微子信号,它们来自16万光年远的一个地方。这次的中微子信号是怎么产生的?大家都一无所知。直到4小时后,天空中出现了一种明亮的光,那是超新星爆发后到达地球的光。随后,这颗超新星被命名为1987A超新星。
科学家们便推测,这次的中微子信号可能来自于这次超新星爆发。你可能会疑惑,中微子为什么能比光先到达地球呢?这正说明了中微子具有独一无二的特性,当其他微粒受制于各类物质时,中微子从最极端的环境里跑出来后,可以不受任何事物的干扰,畅通无阻地跨越整个时空,到达我们的地球,告诉我们宇宙的传奇故事,告诉我们物质的起源,揭示出最极端的天体环境。
因此,1987年2月23号这一天,标志着中微子天文学的时代正式开启了。
中微子的秒用
中微子还能带给我们什么惊喜?科学家们正在孜孜以求。
既然我们已经知道核反应堆可以发出中微子,那么未来通过探测中微子,我们就能知道哪里有怎样的核辐射。
和科幻小说《三体》、科幻电影《流浪地球2》中的中微子通信类似,我们可以想象有中微子的帮助,未来我们不需要依赖各种线缆,就能接收远距离的通讯信号,并且因为一种中微子在传播过程中可以转换成另一种中微子,这有助于信息的加密。
另外,中微子还可以成为地球内部的“扫描仪”。当中微子穿透地球,从一端到另一端,被探测器探测到,它会告诉我们它在穿越地球时遇到了谁,我们便可以由此了解地核中有什么、整个地球的物质分布是怎样的,就像X射线穿过人体,给人体内部做扫描一样。
目前,有些企业还在探索中微子能源的利用。正如我们利用太阳板收集太阳能,既然我们生活中有这么多中微子,那是不是也可以收集来自中微子的能量呢?
有关“如何妙用中微子”的脑洞,可谓不胜枚举。
从人类第一次发现中微子到现在,我们知道了很多,但我们不知道的更多,于是我们一边发现,一边不断地经历失望与惊喜,这大概就是科学的魅力所在。
希望大家能成为有趣、有故事、有方向的人。就像中微子一样,不被任何东西所阻挠,坚定地到达所眺望的远方。
小知识
粒子:是最小的物质组成部分,能够以自由状态存在,比如原子。
原子核:你也许听说过“物质由原子构成”这句话,原子在希腊语中的意思是“不可分割”。但后来科学家发现,原子可以再分为原子核和围绕在原子核周围的电子,而原子核作为原子的核心部分,还可以分成质子和中子两种粒子。
超新星爆发就是某些恒星在接近生命末期时经历的一种剧烈爆炸,这种爆炸极其明亮。公元1054年,我国北宋的天文学家亲眼目睹了超新星爆发,这是人类历史上第一次目击的超新星爆发事件。它残留的遗迹叫蟹状星云。
1987A的数字代表该超新星发现的年份,A代表这是当年发现的第一颗超新星。
文/杨莉莉(中山大学物理与天文学院)
特约供稿/中国物理学会《科学1小时》