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宇宙探索之宇宙有哪几部分组成?什么是中微子被称宇宙隐身人

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瑞典皇家科学院6日宣布,将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳,以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。

诺贝尔物理学奖评审委员会宣布这一消息时认定,两名获奖者证明了中微子无论多小都具有质量,这一发现改变了人们对物质内部运作的认识,有助提升人类对宇宙的认知。

上述两名获奖者将平分800万瑞典克朗(约合92万美元)的诺贝尔物理学奖奖金。在接下来的几天里,诺贝尔化学奖等其他奖项的评选结果将逐一揭晓。

你听说过中微子吗?

在科幻小说《三体》中——

书中提到用中微子或者引力波来进行通讯是未来世界的两大通讯技术。中微子通信的强悍之处是几乎不会衰减和畸变。只不过,同样是光速传播,中微子只能定向发送,不能向所有方向广播,不方便作为威慑手段。

在电影《2012》中——

在这部电影中,世界是这样毁灭的:太阳峰年到来时,来自太阳内部的中微子穿过并逐渐加热地球核心,使地球板块加速漂移,黄石超级火山爆发,整座城市沉入大海,数十亿人无家可归……

中微子去哪儿了?

人们一直有个问题:中微子会失踪。研究者能够计算出太阳应该产生多少中微子,但实际测量到的却只有1/3。实验证明,中微子能够在飞行中变身。一位果壳网网友这样描述“中微子振荡”过程中的“粒子大变身”:假设中微子这种基本粒子是一群普通青年,他们“十一”去远游,到了地方发现人只剩约1/3……后来人们发现普通青年没丢,但变成了文艺青年,这叫中微子振荡。

中微子正在穿过你的皮肤!

果壳网在微博上表示:(沿太阳方向)每平方厘米的皮肤每秒都有约650亿个中微子穿过。

被中微子穿透,会害怕吗?其实你自己也是个中微子源,仅人体内钾的衰变,一天就能产生将近5亿个。

有没有大微子和小微子呢?

获奖科学家研究的是中微子。那有没有大微子和小微子?没有。中微子的“中”,并不是代表粒子“个头”的大小,而是指粒子呈“电中性”。“微”才是这种粒子的“身材”描述。

观测中微子的机器长啥样?

“为了观察太阳,你得深入到地下几千米的地方。” 阿瑟·麦克唐纳说。两位获奖者梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳就分别来自两个地下深处的中微子观测站:超级神冈探测站和萨德伯里观测站(如图)。建在地下是为了去除宇宙辐射和周围环境中自发的放射性衰变造成的噪音影响。超级神冈探测器身处地表以下1000米处,包含一个40米见方、装有50000吨水的大箱子。而萨德伯里观测站则有2100米深,用来测量来自太阳的中微子。

获奖理由

他们发现——中微子无论多小都有质量

发现了“宇宙隐身人”的奥秘

中微子是宇宙中的最基本粒子之一,以接近光速运动。它不带电,可自由穿过地球,与其他物质的相互作用十分微弱,被称为宇宙间的“隐身人”。在很长一段时间里,中微子都被认为不具质量。

这两位科学家的发现证明了中微子振荡现象,揭示出中微子无论多小都具有质量,这是粒子物理学的历史性发现。

瑞典皇家科学院在新闻公报中说:“这两名获奖者的研究对证明中微子改变特征作出了关键性贡献,引发这种物理变化需要中微子具有质量,他们的发现改变了人类对物质内部运作的理解,并能提升对宇宙的认知。”

挑战杨振宁的标准模型理论

按照评审委员会的说法,梶田隆章和麦克唐纳的发现对美籍华裔物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁所开创的标准模型理论而言是一个挑战。

标准模型理论是一套描述基本粒子的物理理论,隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论兼容,是自牛顿经典物理学之后最接近“大一统”的一套自然哲学观。

“(梶田隆章和麦克唐纳的)实验揭示出经典模型理论第一个明显的裂缝,”评审委员会说,“显而易见的是,标准模型理论不可能成为描述宇宙基本构成物如何运作的一套完全理论。”

目前,来自世界各地的科学家正不断探索中微子的奥秘。“发现它们最深处的秘密有望改变我们现阶段对宇宙历史、结构及其未来命运的认知,”评审委员会说。

扬子晚报记者连线

“中微子”研究到底和我们的生活有着怎样的关联?昨天,记者联系上了南京大学物理学院教授许昌,许教授表示,“中微子”不仅是学术研究的热点问题,而且和我们普通人的“距离”也并不遥远。每一秒钟,都有几万亿个中微子穿过人体。

扬子晚报记者 杨甜子

“幽灵粒子”其实“触手可及”

“这是一种中性的、微小的粒子,因此得名‘中微子’。通过各种核物理实验,科学家们很早就发现了中微子的存在,此后,便不断的对中微子的振荡、质量等相关问题进行深入的研究。”许昌教授介绍,中微子是构成物质世界的基本粒子之一。恒星内部的核反应,超新星的爆发,宇宙射线与地球大气层的撞击,核反应堆的运行,以至于地球上岩石等各种物质的衰变,都能产生中微子。

而且,中微子并不是专属于物理学家的“专利”,在我们每一个人的“身边”,中微子其实都“触手可及”。每秒钟,都有几万亿个中微子自由地穿过人体。只不过,由于中微子不带电,而且质量非常小,因此和其他粒子的作用微弱,不易被感知,也很难被探测到。因此,中微子也成了基本粒子中人类所知最少的一种。科学家们甚至给中微子起了个绰号,名叫“幽灵粒子”。

“物理学领域里,许多物理学分支都涉及到对中微子的研究,如在粒子物理,原子核物理、天体物理和宇宙学等领域都有对中微子的研究。”许昌说。

“振荡”其实是“转变的过程”

此次诺奖物理学奖授予的,是两位研究中微子振荡的科学家。“振荡”是一个较为学术的概念,许昌教授告诉记者,中微子的振荡比较特殊,不是所有的粒子都有“振荡”这个性质。通俗理解振荡,可以将其理解为“转变的过程”。

“中微子有不同的类型,各个类型之间的转变,其实就是‘振荡’。”

许昌教授告诉记者,经过几十年的科研探索,中微子研究取得了巨大进步,先后有多次重大进展获得了诺贝尔物理学奖。

研究中微子意义何在?

在物理学界,不少人都有这样的共识,中微子虽然“其貌不扬”,但它在微观物理粒子规律和宏观的宇宙演化中都有着重要地位,甚至可能与宇宙中的反物质消失之谜有关。因此科学家们都“争先恐后”的投入到了中微子研究中去。

许昌教授就此打了一个比方,“曾经在电磁波被发现时,也曾有人提出类似的质疑,电磁波研究似乎并不‘接地气’,它的意义何在?但如今,电磁波已经和我们的生活息息相关,我们打电话使用的手机、电脑联网等,都需要使用电磁波。没有基础研究的重大突破,很难有应用技术上的创新和进步。”许昌坚信,科学家们对于中微子的研究和探索,不但可以推动物理学基本理论的进一步发展,同样会泽被后世。

南大校友牵头进行大亚湾实验

中国科学家们对于中微子的探索也从未停止。许多关于中微子的谜团正在解开。“实际上,我们中国的中微子研究在近些年做的非常好。”许昌透露,2012年我国进行的“大亚湾国际合作实验”首次发现了中微子的第三种振荡模式,并获得了精确的测量数值。带领中国学者们一起完成这项重大物理成果的项目首席科学家、中科院高能物理研究所所长、我国粒子物理实验研究的主要学术带头人王贻芳,正是南京大学物理学院知名校友。

“大亚湾国际合作实验”历时8年,研究人员在核电站旁掘地3000米,经过数次爆破,完成了6个中微子探测器的研制和装配。这项震惊学界的研究,更是为当时正处在“岔路口”的中微子研究,找到了未来发展的方向。

据悉,在当时,许多关于中微子的谜团尚未解开,首要亟需解决的问题就是精确测定中微子混合参数θ13。如果这个值很小或者没有,中微子研究的前景将会停滞。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向。大亚湾实验便是瞄准了θ13的精确测量。因此,在大亚湾地下进行的中微子实验,受到全世界粒子物理学家的热切关注。这个难以捉摸的参数首次被精确测量,极大地振奋了国际高能物理界。

对于量子力学而言,获奖成果将物理学研究指向了超越标准模型的高度。

对天文物理学来说,中微子对星际间能量传输十分重要。

在宇宙学领域,中微子可能在大规模结构的形成中发生了作用。

中微子研究依然面临着辽阔的未知疆域……

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