【科学故事会】大家说物理：跨越时空、讲述传奇的宇宙精灵

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》

来源：《科学故事会》2024年9月刊

排版：沈　丹

编辑：林雪琪

审定：李红林