未来技术能否让我们更深入地“窥探”宇宙的第一秒？

　　大爆炸发生后的瞬间，大量粒子被释放到新生的宇宙中。从那时起，它们就一直在太空中涌动，带着来自创世之初的秘密。我们多么希望能捕捉到它们，哪怕是一个，但是它们极其孤僻，很少与物质发生作用。譬如，每秒有100万亿个这种粒子流经你的身体，而你却从未感觉到。

　　这些幽灵般的粒子就是中微子。这是我们知道其存在，但极难探测的一种基本粒子。一些实验已经捕捉到了从太阳中释放出来的中微子。然而，大爆炸之后不久释放的中微子，因其能量要小得多，到目前为止还无法探测。

　　宇宙的光子和中微子背景

　　现今宇宙中的一切，都曾挤在一个小得多的空间。当宇宙还很年轻的时候，它是由温度极高、密度极大的等离子体组成的。那时，粒子的能量是那么高，碰撞又是那么频繁，以至于原子都无法形成。光子不是被吸收，就是被散射，根本无法走远。所以，这个原始的等离子体是完全不透明的。

　　随着宇宙的不断膨胀，等离子体开始冷却，密度也变小，因此光子被散射或吸收的可能性不断下降。这种情况一直持续到大爆炸后38万年，这时光子终于可以不受阻碍地在整个宇宙中穿行。我们今天仍然可以看到那一瞬间释放的光子：它们构成了宇宙中最古老的光——宇宙微波背景(CMB)。

　　自1964年CMB被发现以来，我们已经高度精确地测量了这些组成宇宙背景的光子。它们给我们描绘了宇宙在大爆炸后38万年时的景象。我们从中可以看到，后来发展成星系的物质“斑块”，以及早期宇宙中辐射、普通物质和暗物质各自所占的比例。

　　CMB是我们所看到的最古老的光。但是，还有一个关于早期宇宙的尚未研究的信息，可以帮助我们追溯到更远的年代，这就是宇宙在诞生之初释放的中微子——宇宙中微子，它们也构成了宇宙的一个背景。

　　中微子在1930年被首次提出，并于1956年被探测到。几乎所有放射性元素都能自发地放出中微子，比如一根普通香蕉(富含钾)，其内部的放射性钾原子在衰变时会源源不断地产生中微子流。然而，中微子是非常轻的，而且几乎不与其他东西发生作用。

　　由于中微子异常孤僻，与光子相比，在早期宇宙中，当光子不断地被其他粒子吸收或散射时，中微子却可以自由地穿行在那个高温、高密度的等离子体中。这些古老的中微子今天仍然在宇宙中四处游荡，构成了宇宙的另一个背景，即宇宙中微子背景(CNB)。

　　演示宇宙演化的3D电影

　　如果发现CNB，意义将是巨大的。毫不夸张地说，它将提供一种全新的方式来观察宇宙的演化。为什么这么说呢?这需要我们了解中微子以及它们如何传播。

　　光子和中微子的关键区别在于，前者是无质量的，后者是有质量的，尽管质量非常微小。事实上，中微子有三种不同的类型，每种类型的质量都略有不同。光子无质量，所以不同波长的光都以同样的速度传播;而中微子有质量，这导致它们的运动速度低于光速，并且可以有不同的速度。据大爆炸模型计算，宇宙中微子的速度不超过光速的1/1000，而且可能快慢参差不齐。

　　当光子在宇宙中飞驰时，它们的路径会被经过的巨大天体(如星系)的引力所弯曲，这种效应被称为引力透镜。由于所有光子都以相同的速度传播，其路径弯曲的方式只取决于某个时间点该天体的质量。举个例子，天体A距离我们10亿光年，所以我们现在接收到的来自它的光(可以是它自己发出的，也可以是被它的引力扭曲的过路的光)，都是它在10亿年前发出的，这些光反映的是它10亿年前的样貌。至于10亿年后的今天它是什么样子，我们无从知道。

　　引力透镜效应也发生在中微子身上。与光子不同的是，宇宙中微子以不同的速度在空间旅行，因此它们在不同的时间经过那些巨大的天体，而这些天体自身也在随时间不断演化着。因此，经过它的不同速度的宇宙中微子，可以反映它在不同时间点的样貌。还是以上述的天体A为例。如果我们现在接收到一群速度为光速二分之一的中微子和一群速度为光速四分之一的中微子。前者反映的是天体A在20亿年前的样貌，后者反映的是天体A在40亿年前的样貌。这意味着，如果我们能够扫描天空中的宇宙中微子，可以利用它们来窥视宇宙在不同时间的大规模结构。可以这样说：如果CMB向我们展示了早期宇宙的黑白照片，那么宇宙中微子将产生一部全彩的3D电影。

　　现在的问题是如何去探测宇宙中微子。尽管我们已经探测到某些类型的高能中微子，比如太阳中微子，但宇宙中微子的能量可能是迄今探测到的最低能量中微子的十亿分之一，这使得它们极难探测。

　　探测方法一：借鉴探测太阳中微子

　　寻找宇宙中微子的最早想法是由已故美国物理学家史蒂芬·温伯格在1962年提出的。他受到一项技术的启发，该技术被用来探测太阳中微子。

　　事实证明，如果一个中微子击中一个原子，它可以被原子俘获。如果它的能量足够高，可以将原子核中的一个质子转化为中子，产生一种不同的元素——这是可以检测到的，是中微子参与作用的一个确凿标志。

　　1970年，两位美国物理学家在一个罐子里装了38万升富含氯的液体。如果一个中微子击中其中一个氯原子，氯原子将变成一个氩原子。唯一的麻烦是，宇宙射线(来自太空的高能粒子)也能做同样的事情。因此，他们将罐子埋在一个1500米深的废弃矿井里。在宇宙射线被屏蔽的同时，中微子穿过地面，将一些埋在地下的氯变成了氩。他们以此捕获了太阳中微子。

　　温伯格建议，也以类似的策略去发现宇宙中微子。但是，由于它们的能量是如此之低，根本不足以在任何一种稳定的原子核中将质子转变成中子，因此，温伯格转向了氚，一种具有2个中子和1个质子的放射性氢元素。氚是不稳定的，它通过将其中一个中子转变为质子而自然衰变，同时放出一个电子。如果一个氚核在衰变前吸收了宇宙中微子，它放出的电子能量就会超过预期，因为中微子会带来一些额外的能量。温伯格推断，如果我们能够极其精确地测量电子能量，并且检测到氚衰变产生的异常高能的电子，我们就会发现宇宙中微子。

　　探测方法二：加速大量的离子

　　其他物理学家也提出了探测宇宙中微子的不同方法。譬如最近，美国物理学家马丁·鲍尔提出另一个设想，其想法的基础是克服“宇宙中微子携带的能量少得可怜”这一主要障碍。

　　在普通的中微子探测器中，一大桶的原子静静地坐着，等待快速运动的太阳中微子来轰击。当涉及到宇宙中微子时，它们的运动速度要慢得多，能量也更小，所以碰撞更难检测。我们对于中微子当然无能为力，但是目标原子呢?我们能不能以某种方式加速它们，以便当它们与宇宙中微子碰撞时，碰撞强度大一点?

　　加速原子是困难的，因为它们是电中性的，无法被加速器加速。然而，如果我们剥去一个原子的一些外层电子，这将产生离子;离子是可以用加速器加速的，而且剥去一个电子对原子核与中微子的相互作用没有任何影响。

　　鲍尔的想法是：使用加速器来加速大量的离子。大量的宇宙中微子将直接涌入加速器中，就像它们穿过你的身体一样，然后它们中的某些将与高能量的离子碰撞，将后者变成另一种元素。不过，这将需要一个比大型强子对撞机能量高大约100倍的加速器，这并不是一蹴而就的事。

　　物理学中一些重大的发现，从希格斯玻色子到引力波，无不经过几十年的酝酿。同样地，找到第一个宇宙中微子也需要漫长的时间。所幸的是，我们已经起步。