最鬼魅的粒子,还会变身,科学家因为它都想放弃能量守恒定律

幽灵粒子
在宇宙中存在着一种极为“特殊的基本粒子”,这种粒子曾经一度让量子力学哥本哈根学派的领袖尼尔斯·波尔,想要放弃能量守恒定律,还让科学家苦苦找寻了几十年,如今依旧如同迷一样的存在。更特别的是,每秒钟大约有十万亿个这种粒子穿过我们的身体,但我们对此一无所知,正是因为这种神出鬼没的特性,它有个著名的外号:幽灵粒子,它就是中微子。
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自从上个世纪50年代起,科学家就试图去构建一个粒子物理学标准模型,希望能够将各种粒子、相互作用统一到一起,这也是目前最接近大一统理论的物理学理论。
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在这套理论的最后一块拼图是希格斯玻色子,这是科学家在1964年预言的一种粒子,但直到2012年,欧洲核子研究中心才对外宣布,已经确认寻找到了希格斯玻色子。
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可是,寻找中微子之路更加坎坷,在19世纪末20世纪初,科学家发现了和中微子有关的奇怪现象,到了2000年,科学家才差不多把中微子找全,整个过程历经了100余年。对于中微子的深入研究,也直接让科学家知道了许多宇宙的秘密,开启了中微子天文学。那具体是咋回事呢?
今天,我们就来聊一聊这段曲折的“寻找中微子之路”。
预言“中微子”的存在
这要从20世纪初说起,当时有个著名的物理学家叫做卢瑟福,他做了一个著名的α粒子散射实验,具体来说就是用α粒子轰击金箔。通过这个实验,他给出了一个全新的原子结构。
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后来,他用类似的办法,轰击氮原子核,继而发现了质子。在这次实验中,卢瑟福预言中子的存在。
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随后,卢瑟福的徒弟查德威克又用同样的办法轰击铍,发现了中子。
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自从查德威克发现了中子,海森堡提出了不确定性原理之后,科学家对于原子的结构有了一个比较清晰的认识。几乎在同一时间,许多科学家在研究放射性物质。最为我们熟知的就是居里夫人。
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其中,放射性物质中存在这一种β衰变,在这个过程中,一个中子转化为了一个电子,带走了一部分的能量。实际上,我们现在知道,这个过程其实还产生了中微子,只不过当时的仪器并没有检测出来。于是,通过理论计算就会发现,有一部分能量不知道去哪了?这个过程最诡异的就是电荷是守恒的,但能量和动量都不守恒。
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后来,就有了上文我们提到的,量子力学哥本哈根学派的波尔很崩溃的一幕,他开始质疑能量守恒定律不是真的适用于微观世界。到了1931年,泡利在国际核物理会议就提出,能量守恒定律在微观世界中依然应该适用。
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只不过存在着一种中性的粒子,把能量都给带走了,由于它质量太小,我们的仪器无法探测到它。泡利这样的假设就可以让电荷守恒不受到影响,同时满足能量守恒定律和动量守恒定律。后来,杨振宁和李政道的老师恩里科·费米,就把泡利所说的这种中心粒子命名为“中微子”。
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发现“中微子”
于是,科学家们开始思考如何找寻中微子,根据科学家当时的理论预言,中微子有两个特点。
中微子的质量应该几乎为0,甚至有一些科学家认为它的质量就是0,质量的上限是电子质量的百万分之一。事实上,如今我们也知道,中微子的质量确实很小很小,我们现在的技术都没有办法把它的质量测准。中微子应该和暗物质粒子有点类似,不参与强相互作用和电磁相互作用,只有极其小的概率会发生弱相互作用。因此,中微子的穿透力很强。具体有多强呢?我们的人体每秒钟都会穿过大量的中微子,但我们一无所知。按照理论预言,中微子在宇宙中传播1光年的距离,只有50%的概率和这段距离上的物质发生作用。为了寻找中微子,科学家莱因斯和科万设计了一个实验。根据理论,他们知道核反应堆中的质子会和反中微子,最后产生正电子和中子。

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