中微子“量子涨落”的发现历程（三）

破解中微子的身世谜团迎来了关键时刻，加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO）的研究人员成功地测量了从遥远太阳“冲刺”过来的中微子，太阳内的核反应仅产生了电子中微子。萨德伯里中微子天文台埋藏在地下2公里的“洞穴”，这是一个“地下天文台”或地下观测站，9500个光探测器等待着中微子的进入，探测器安装在填充了31000吨重水的池子中，重水不同于普通水，它的每个氢原子核多出一个中子，增加的中子生成了氢原子的同位素氚。重水分子的氢原子核为撞击中微子提供了额外的可能，探测器捕获碰撞事件的机会增加了。

科学家在一些核反应中仅能捕获一定数量的电子中微子，而在另一些核反应中只能捕获一定数量、三种类型的中微子，他们在探测中没有区分不同类型的中微子。电子中微子来自太阳，仅有电子中微子和三种类型中微子混合时，通过两种测量方式测到的中微子数量应当相等，中微子只有类型的不同，它们的差别反映了同一事物的不同方面，如果测到的电子中微子数量少于测到的三种类型混合的中微子，那么对背后的原因进行大胆推测，电子中微子从太阳到地球1、5亿公里，其间发生了什么，

在地球表面，每秒、每平方厘米的面积接收了600多亿个太阳中微子，但这不意味着人们能轻而易举地迎接中微子的 到来。萨德伯里中微子天文台在投入使用的头两年，每天接收了微乎其微的三个中微子，在探测到的中微子总数中，三分之一数量的电子中微子与理论预期相同，三分之二数量的电子中微子不知去向，“失联”的电子中微子去哪儿了？如果认为从太阳接收的电子中微子数量与所有接收的三种类型的中微子数量相等，那么可以得出一个结论，从太阳发送的电子中微子在到达地球的途中发生了“身份”或风味、的转变。

——量子力学解释“中微子振荡”

日本和加拿大两个实验室的研究人员证实了理论的推测，中微子从一种形态能够转变为另一种形态。这一发现激发了很多科学团队开展实验的兴趣，迫使粒子物理学家重新考虑之前那些“深信不疑”的理论。两个实验取得了具有基础性突破意义的成果，给出一个极为重要的结论：中微子变形要求自身的质量，否则，中微子不可能发生形变。如何实现自身确定性改变的形变？解开中微子变形“魔方”的钥匙掌握在量子物理学家的手中，粒子和波在量子世界中是同一物理态的两种表现形式，粒子的特定能量由特定频率的波加以描述，电子、μ子和τ子中微子由对应不同质量中微子态的叠加波加以定义。

当叠加波的相位相同时，人们不能区分不同的中微子态，但当中微子在太空急速运动时，叠加波失去了相同的相位，中微子以不同方式发生了变化，波的叠加态在任何给定的位置产生了一种最大可能性，最有可能成为某种类型的中微子，沿中微子的“行军路线”，一个地点出现这种类型的中微子，另一个地点出现那种类型的中微子，不同位置形成不同类型的中微子，它们按照最大可能性原理发生了形态的变化，这是所谓的中微子振荡。

中微子“变来变去”的行为与不同质量中微子类型相关，实验结果显示了质量的差别极其微小，中微子的自身质量小而又小或“小得不能再小”，科学家从未直接测量中微子的微小质量，然而，不能忽略那一点质量，宇宙中的中微子数量大而又大或“大得不能再大”，一个个微小的中微子质量加在一起，科学家获得了一个惊人发现：中微子总质量居然相当于宇宙中整个恒星的质量，看上去“不起眼”的中微子可以再造一个可见宇宙。人们终于理解了中微子的价值，它们是宇宙中躲躲闪闪的“英雄”。

——中微子“撬开”新物理学大门

中微子质量的发现在粒子物理学领域取得了基础性的重大突破，粒子物理学标准模型经历了二十多年的检验，真正的挑战出现了，标准模型要求中微子没有质量，而中微子质量的发现无异于在“铜墙铁壁”的标准模型撕开了一道裂缝，事情变得明朗起来，标准模型可能不是完全正确的理论，它对宇宙基本构成和特性的描述需要修补“漏洞”。在超越标准模型的新理论提出之前，物理学家思考了几个关键问题：中微子质量是什么？中微子质量为何轻而又轻？除了已发现的三种类型，是否还有其它类型的中微子？中微子是否有自身的反粒子或反中微子？

荣获诺奖不是中微子物理学研究的终点，却对中微子物理学产生了很大影响，世界各地建起了先进的中微子实验室，相关的研究活动有不断强化的趋势，比如：中国大亚湾的中微子实验室和南极洲“冰立方”中微子天文台等。通过捕获中微子和检测它们的特性，科学家逐步揭示了中微子“壁垒森严”秘密，对中微子世界的探索将会改变人们对宇宙历史、结构和未来命运的认识。

中微子的“天空”不止有“两朵乌云”，而是呈现“一片乌云”，每朵“乌云”对应一个诺贝尔物理学奖，不知何时产生有关中微子发现的下一个诺贝尔物理学奖？也许要等待科学史的车轮滚过四分之一世纪。人们每天被技术创新的信息包围，对创新产品采取“拿来主义”的态度，人们希望不断升级的产品在使用上简单到“敲键盘”的程度，互联网 工业技术4.0在经济领域大行其道。然而，基础理论的突破经历了长时期积累，绝不是每天都发生的事件，从基础性的理论突破到互联网 工业技术5.0的应用需要经历很长的过渡时期，计算机技术的更新不同于基础理论的突破，后者表现的相当缓慢。中微子物理学更多突破性成果不是一朝一夕完成的。

（编译：2015-10-9）