物理学奖：开启新物理学的大门

一年一度的诺贝尔奖评选，除了文学奖之外，最能激起人们预测兴趣的非物理奖莫属。原因大概是在自然科学领域，物理学所涵盖的范围最广、分支最多，在各个领域内都有众多星光闪耀之士，因此最能吸引人们的兴趣。此前据坊间传闻，本届诺贝尔物理奖将会“轮到”宇宙学领域，4年以前2011年度的诺贝尔物理奖授予了发现推动宇宙加速膨胀的暗能量的三位宇宙学家，但除此之外，近年来人类在宇宙学领域的重大突破并不多，想要预测颇为不易。

2015年10月6日奖项揭晓，“因为发现了中微子振荡现象，从而证明了中微子存在质量”，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔物理奖授予了日本物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita）与加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald），两人平分奖金。中微子振荡现象既关乎粒子物理学，又与宇宙学相联，奖项揭晓之后使得鬼魅般的中微子研究又一次成为全世界关注的焦点。

这两位物理学家，在地底深处观测宇宙，不仅揭示了标准模型的不完整性，为人类粒子物理学研究提出了新问题，也开创了人类宇宙学研究的新领域，获得诺贝尔物理奖可以说是实至名归。而他们两人在不同的研究项目中，通过观测分析来自宇宙射线和太阳的中微子，从不同的侧面最终得到了相同的结论，也可以说是殊途同归。

中微子是宇宙中除了光子之外，数量最为众多的基本粒子，但是人类对于中微子的研究开始得却较晚，原因就在于这种粒子可以自由来去，极少与其他物质发生相互作用，因而极难探测，此前人类根本没有觉察到这种基本粒子的存在。尽管每秒钟都有数以万亿计的中微子以近乎光速的速度穿过人类的身体，人类却对此无所知觉，从概率上来说，一个中微子可以穿越一光年厚的铅而不发生一次碰撞。

最开始中微子是为了满足物理学的质能守恒原理，作为一种理论上假设的粒子出现在物理学中的。1930年，奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）为了解决beta衰变现象中的质能不守恒问题，提出可能存在一种当时还不为人所知的“不带电，只参与弱相互作用，自旋1/2，质量与电子接近”的在当时条件下无法探测到的粒子，泡利建议这种粒子可以被命名为“中子”。两年之后，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）发现了一种更重的、参与强相互作用的中性粒子，自然采用了这个名字。实际上，当时就连泡利本人对于这个假设也不十分自信，他有些气恼地写道：“我做了件可怕的事情，我假设出一种永远无法被探测到的粒子。”但随后，物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）提出一个理论框架，可以把这种粒子包含其中，并且为它命名为“中微子”（neutrino），他认为这种粒子可能并没有质量。在随后的大半个世纪里，这种奇特的粒子带给物理学家无尽的困惑，也开启了粒子物理学和宇宙学的新天地。

在1956年，美国物理学家克莱德·科温（Clyde Cowan）和弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）在一个核反应堆附近，利用一个装有40公斤水的中微子探测器证明了中微子的存在，这种粒子终于从理论走进实验，弗雷德里克·莱因斯也因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖（克莱德·科温当时已经去世）。一年之后，意大利粒子物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）建议，如果有多于一种的中微子，那么在它们之间有可能发生“振荡”，由其中一种中微子转变为另外一种。

泡利当时所假设的是电子中微子，而在1962年，一组哥伦比亚大学的物理学家发现了另外一种与muon粒子（一种比电子更重的带电粒子）相关的中微子，即muon中微子。到了1975年，物理学家们在斯坦福大学的直线粒子加速器中又发现了电子和muon粒子的另一个表亲——质量是电子3500倍的tau粒子。物理学家们马上猜想，会存在另外一种与之相关的tau中微子，这种中微子直到2000年才由费米实验室发起的DONUT实验项目发现。至此，人们发现了与电子、muon粒子、tau粒子分别相关的三种中微子。

中微子从何而来？宇宙大爆炸中产生大量的中微子，在粒子的高能对撞中也会产生出中微子，此时此刻宇宙中就正在制造着大量的中微子——超新星爆发过程中会产生出中微子，核反应堆会产生出大量的中微子，太阳本身就是一个巨大的核反应堆，它正一刻不停地向地球辐射中微子，就连人体内部也会因为钾元素的衰变，平均每秒钟产生出5000个中微子。

从20世纪60年代开始，物理学家们不仅对中微子进行理论计算，也开始探测来自太阳的电子中微子。在美国南达科他州的地下，物理学家们在探测器中注入数十万升的纯水探测电子中微子，这个项目的领导者雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis，Jr）获得了2002年诺贝尔物理奖。这种基本粒子开始显示出它不同寻常的一面——探测到的中微子数目与物理学家的理论计算始终存在很大的偏差，探测到的中微子只有理论计算数值的三分之一左右。是描述基本粒子的标准模型有错误，还是探测装置有偏差？当时就有物理学家怀疑，太阳只产生电子中微子，如果这些中微子在到达地球的途中转变了身份变得无法探测，那么就可以解释这种偏差。中微子可能转变身份的猜测虽然一直存在，但想要探测到这种转变却绝非易事，为了避免宇宙射线的干扰以及原子核衰变对于探测产生的影响，中微子探测器大多布置在地下，又因为中微子极难与其他粒子发生碰撞，探测器必须非常巨大，进行这样的科学研究，在工程方面和理论方面都要求极高。

从1996年开始，梶田隆章在东京西北部一个地下1000米深的锌矿中建设的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）项目进行研究工作，主要用来探测宇宙射线与地球大气层相撞后产生的muon中微子。这个探测器的主体是一个40米高、装有5万吨纯水的大水池，在水池的各处还装有1.1万个光探测器，用来探测和放大中微子信号。经过这个探测器的绝大多数中微子会穿过水池不留下任何痕迹，但是极少数的中微子会和探测器中的原子核或是电子发生碰撞，产生出带电粒子，因为切连科夫辐射发射出微弱的蓝光，进而被探测到。

在最初两年的探测中，超级神冈探测器发现了大约5000个中微子信号，这个数字仍然与理论计算有很大的距离——宇宙射线不断地从各个角度和地球大气层发生碰撞，进而产生出大量的muon中微子。不仅如此，更重要的是梶田隆章发现超级神冈探测器探测到的muon中微子信号更多是来自探测器的上方（更接近地表的方向）。考虑到整个地球相对于中微子来说是透明的，无法阻止它的前进，那么从理论上说探测器发现的来自任何方向的中微子数量应该相等，为什么会有方向性的区别呢？

一个合理的猜测就是，宇宙射线与地球大气层发生碰撞，产生出的muon中微子在到达探测器水池的过程中，其中的一部分发生了“身份转变”，变成无法被探测到的tau中微子，这就可以解释muon中微子数量上的缺失以及对于方向的选择（从地球另外一面到达探测器的muon中微子经过的路程更远，因此更多的muon中微子转变为tau中微子）。

几乎与此同时，在加拿大，另外一组科学家正在地下2100米深的一个镍矿改建的萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）观测太阳中微子。太阳内部产生大量的电子中微子，其中的一些以接近光速的速度到达地球。在萨德伯里微中子观测站工作的物理学家从加拿大政府借来1000吨原本用做核反应堆冷却剂的重水，装在一个直径12米的圆球里，在周围布置了9500个光感探测器进行探测。在最初的两年里，萨德伯里微中子观测站平均每天只能发现3个电子中微子的信号，这个数字只是理论计算的三分之一，这说明，必定有更多的电子中微子在从太阳到达地球的1.5亿公里的旅途中转变了身份，无法被探测到。

超级神冈探测器和萨德伯里中微子观测站通过多年观测，以清晰的证据证明了中微子确实会在运行途中改变身份，这种现象被称为“中微子振荡”（neutrino oscillation），这个结论又引发出了更为深刻的推论。人类描述的基本粒子性质的标准模型中包含了这三种中微子，但是起初在标准模型中，中微子是不具有质量的。如果中微子可以发生振荡，恰恰说明这种粒子具有质量（对于没有质量的粒子来说时间恒定，也就不可能发生振荡），这就迫使粒子物理学家们必须对标准模型进行修改，使其中的中微子具有一定的质量。但是由于中微子的质量实在是太小（远小于一个质子的10亿分之一），直到现在人们也无法测量出它的精确质量，它鬼魅般的种种奇特性质也容易引发实验失误。

2011年9月，欧洲核子中心（CERN）的OPERA项目召开研讨会，声明他们探测到的从瑞士出发穿过地壳到达意大利地下的中微子束运行速度超过了光速的0.0025%。光速是宇宙中最快的速度是相对论的根基，一旦这个根基被动摇，整个物理学将面临重建，一时间举世哗然，世界众多实验室都开始进行相关的实验进行验证。不久之后，欧洲核子中心透露，超光速中微子可能是因为实验测量过程中电缆连接松动造成的，这个结果让一些物理学家感到安心，另一些则感到略微失望。

目前中微子已经成为粒子物理学领域最受关注的问题。中微子振荡现象被证实之后，21世纪以来，越来越多的中微子实验对这种现象进行了深入的研究，对于中微子的种种性质，人们至今仍然只能猜测，人们希望从中微子来突破目前标准模型的限制，更需要研究它在宇宙中的作用。尽管中微子质量微小，但是因为数量众多，其总质量十分惊人。根据估计，宇宙中所有中微子的质量之和大约相当于宇宙中所有可见星系的总质量相加，这个数字不可忽视。人类所探测到的三种不同“味道”（flavor）的中微子，是否可以理解为同一种粒子的量子叠加态？它们精确的质量是多少，在宇宙的形成和演化过程中又起到了怎样的作用？中微子的反粒子是否具有同样的振荡现象？中微子是不是其自身的反粒子？中微子和它的反粒子与物质相互作用的方式是否一致？这是否是宇宙中物质多于反物质的原因？（人们相信在宇宙大爆炸中产生了等量的物质和反物质）另外，中微子的质量为什么如此之小？它获得质量的原理与其他粒子是否相同？

对中微子的研究还牵扯到了宇宙学领域的另一个难题：宇宙中质量远高于普通物质的暗物质是由什么构成的？有人猜测中微子是构成暗物质的主要成分，但是根据人类目前对于中微子的了解，它们的质量还不足以成为暗物质的主要成分。是否存在另一种类型的中微子？根据一些理论预测还可能存在着另外一种目前不为人所知的中微子，这种中微子是否确实存在，是否构成了暗物质的主要部分？这些问题仍然等待着人们回答。

中微子也可能成为未来宇宙学观测的一种新手段。在美国进行的深地下中微子实验（Deep Underground Neutrino Experiment）项目中，除了探测核反应堆提供的中微子束，科学家们还期待着利用中微子探测器充当天文望远镜，观测一种罕见的现象。如果在银河系内发生超新星爆炸，就可能在短时间内有数量众多的因为爆炸产生的高能中微子穿过地球，在理论上物理学家们有可能在几秒钟时间内探测到上千个中微子信号。这种情况平均每30年才会发生一次，而一旦在实验室中观测到超新星爆发产生的中微子束，科学家们将会有极好的机会了解超新星爆发的内部细节。除此之外，中微子观测可能还会有更为实际的用途。在一个核反应堆附近探测它所放射出的中微子数量，在理论上可以判断反应堆中钚元素的含量，进而判断反应堆是否用于和平的目的。

这种变色龙般的基本粒子，虽然已经带来四个诺贝尔物理奖，但人类对它的研究实际上才刚刚开始，在未来必定还会有更多关于中微子研究的突破性进展。中微子振荡现象对于粒子物理学和宇宙学所产生的影响，人类也需要更多时间才能理解，也许这正是开启新物理学大门的一把钥匙。

（本文写作参考了诺贝尔奖网站以及相关报道） 基本粒子科学微子电子中微子物理学诺贝尔奖探测