中微子“量子涨落”的发现历程（一）

中微子是太空中的“变色龙粒子”，两位日本和加拿大科学家解决了中微子的“身世”谜题，分享了2015年的诺贝尔物理学奖。日本学者梶田隆章和加拿大学者阿瑟·B·麦克唐纳是解决中微子谜题的两位主要物理学家，他们带领了各自的科学团队，一个团队在日本的超级神冈地下实验室、一个团队在加拿大的萨德伯里中微子天文台分别发现了中微子在“长途跋涉”过程中的变形，“变色龙粒子”概念源于中微子的形态变化。多个国家的科学家参入了在巨大的地下深层设施中进行的对中微子搜索的实验，数以千计的“人工眼睛”——灵敏的探测器等待着从远处而来的中微子。发现中微子的秘密，中微子物理学已成为科学研究的热门领域，开启粒子物理学研究的新领域，这已形成科学家的共识。

1998年，梶田隆章发布了中微子可能发生变形的研究成果，在超级神冈地下实验室的探测器中，梶田隆章带领的科学团队发现，中微子在行进途中发生了“身份”或风味、特性的转变，来自于宇宙射线的中微子和地球大气层产生了撞击，产生了物理反应。与此同时，在地球另一端的加拿大萨德伯里天文台，科学家接收了来自于太阳的中微子，2001年，麦克唐纳带领的科学团队发现，来自于太阳的中微子在行进途中发生了形态或风味、自身确定性的转化。两个科学团队的发现成果相互补充，一个地下、一个地上实验室共同确认了一个新的物理现象——中微子震荡或中微子涨落。中微子涨落的发现意义深远，长期以来，科学家一直认为中微子是没有质量的粒子，新的发现证明了中微子的质量性，中微子研究取得了基础性突破，2015年，诺奖委员会认可了中微子涨落的研究成果，它的重要性体现在人们对粒子物理学和宇宙学更深入的理解。

——“躲躲闪闪”的“真英雄”

中微子是自然世界“不愿现身”的“英雄”，人们生活在中微子的“海洋”世界，却感觉不到自己在海洋中“游泳”。每秒有数以万亿的中微子从人们的身体穿越，人们看不见它们的身影，感觉不到它们的存在，不完全了解中微子对人的生命和宇宙的意义。中微子几乎以光速在太空中穿行，它们来无影，去无踪，几乎不与任何普通物质产生相互作用，它们从什么地方来？到什么地方去？中微子有哪些性质？科学家只是猜想，一部分中微子可能从宇宙大爆炸中产生，另一部分中微子以不同方式创生于太空和地球，诸如：超新星暴，大质量恒星在死亡之后发生了剧烈爆发；原子能发电厂的核反应堆；以自然方式发生的放射性衰变；甚至在人们的身体内，每秒平均生成了5000个中微子，它们通过身体内一种同位素的衰变释放出来。在地球上运动的中微子主要来源于太阳内的核反应。在精彩纷呈的粒子世界，中微子的数量仅次于光子。

长期以来，科学家不能确定中微子的存在，中微子概念是奥地利物理学家沃夫岗·泡利（1945年的诺贝尔物理学奖得主）首先提出的，经过过一番深思熟虑之后，泡利用“虚拟粒子”的假设解释了贝塔粒子衰变的能量守恒性，为了满足能量的转化和守恒定理，泡利提出了一种新粒子的可能性，这个“虚拟粒子”便是后来得到证实的中微子。1930年9月，泡利给同事写了一封信，他在信的开头写下了“亲爱的放射性粒子女士们和先生们”的幽默语句，信中表达了自己的一个见解：在贝塔粒子衰变过程中，一些能量被“虚拟粒子”带走，只有加上损失的能量，物理反应式的两边才能保持能量的平衡，假想的粒子为电中性，它有极弱的相互作用和非常轻的质量。泡利很难相信这种幽灵粒子的存在，他在信中半信半疑地陈述到，“我做了一件可怕的事情，假设了一种不可能被探测到的粒子存在”。

意大利人恩里科·费米（1938年的诺贝尔奖得主）之后建构了一种十分优雅的物理理论，涵盖了泡利曾经假想的轻质量、电中性粒子，他将之命名为中微子，费米没有想到的是，中微子概念将对粒子物理学和宇宙学两大领域产生革命性的影响。在费米建构了中微子概念之后，科学前进的“火车轮”滚动了四分之一世纪，科学界终于迎来中微子被发现的时机，大约从1950年代起，核能发电厂产生了巨量的中微子，蓬勃兴起的核发电厂变成了检验中微子的“实验室”，1956年6月，两位美国物理学家费里德里克·莱茵斯（1995年的诺贝尔奖得主）和克莱德·科温给沃夫岗·泡利发了一份文字热情洋溢的电报，他们在电文中声称在探测器中发现了中微子的痕迹，幽灵粒子的存在被实验证实了，好像在一部电影展现的“恶作剧的鬼”一样的粒子不再是虚拟和假设的产物，它是真实存在的粒子，在我们的宇宙中“漫天飞舞”。人们给予光子太多的赞美之词，却只好用“幽灵世界”的语句描述中微子的行踪，人们现在知道，光明和不光明的粒子都有同等的科学价值，人们的科学认识随中微子的发现而改变。

（编译：2015-10-7）