日本在地下1000米深处，储存了5万吨超纯水，20多年来目的何在？

日本作为一个岛国，自然资源并不丰富，经常要向别国进口石油、煤炭，但凡事都有利有弊，日本虽然极度缺乏工业原料，但却是个水资源大国。

Tips：东京塔是位于日本东京芝公园的电波塔，是东京的地标性建筑与观光景点。其以法国巴黎的埃菲尔铁塔为范本而建造，正式名称为日本电波塔。是第二高的结构物，仅次於东京晴空塔。

在世界水资源匮乏的现在，水资源已经成为世界性的问题。但日本作为一个水资源大国，却在一个偏远城市的地下藏起了5万吨超纯水，这是怎么回事？难道说又是日本的阴谋吗？

日本为什么要储存这么多超纯水？

超纯水，顾名思义就是超级纯净的水，电阻率达到18 MΩ*cm（25℃）的水就称之为超纯水。超纯水并不常见，一般只有在实验室才会用到。

因为这种水，除了水分子外，几乎没有什么杂质，不仅没有细菌，也没有人体所需的矿物质微量元素。如果意外喝下去，还会引起细渗透压变化，导致细胞膨胀甚至破裂，对人体造成损伤。

那日本储存这么多的超纯水来做什么？这些水又不能喝。答案是，为了探测中微子。

Tips：中微子，又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号希腊字母v表示。

在上个世纪80年代，日本为了探测质子衰变，在岐阜县的一个废弃矿山的矿井中，修建了一个名叫“神冈核子衰变实验”的神秘建筑，完工后整个建筑呈圆柱形，高16米，直径15.6米，装有3000吨水和大约1000只光电倍增管。

起初因为灵敏度不够，没有达到探测目的，就在1985年开始扩建，这极大地提高了探测器的灵敏度。于是在87年2月，神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦星云中超新星1987A爆炸时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

Tips：大麦哲伦星系，是本星系群中著名的河外星系之一，属矮星系。它是银河系众多卫星星系中质量最大的一个，距离约160,000光年。

这次探测给了日本研究人员极大地鼓舞，又对实验室进行了扩建，耗资1亿美元建造了更大的探测器，也就是今天的“超级神冈探测器”。其中的探测物质从3000吨超纯水，增加到50000吨超纯水，各方面全面升级，可谓是鸟枪换炮。

1996年，“超级神冈探测器”正式被投入使用，探测范围从原来的探测质子的衰变，扩展到寻找太阳、地球大气的中微子，并观测银河系内的超新星爆发。

Tips：超级神冈探测器位于飞驒市神冈町的茂住矿山1,000米的地下。之所以盖在如此深的地层中是因为要阻隔其他的宇宙射线讯号。

自1998年，超级神冈探测器开始发布中微子探测结果起，就给日本科学界带来了多个诺贝尔物理学奖桂冠，例如小柴昌俊（2002年）以及梶田隆章（2015年）。

什么是中微子？

现代科学证实，人类所在的物质世界，是由各种基本粒子构成的，中微子也是组成自然界的基本粒子之一，是轻子的一种。

不过中微子却有着非常奇特的性质，虽然它的数量之多，在宇宙中无处不在，但却基本不与其他物质进行相互作用，是个中性物质，因此就算每秒钟通过我们眼睛的中微子数十亿计，我们也浑然不觉，被称为宇宙“隐身人”。

Tips：隐形飞机是通过机身涂上一层高效吸收电波的物质，造成雷达无法追踪的效果，但是只靠涂吸收电波的物质也是达不到很好的效果的，还要在飞机的气动布局上做一定的修改。

最初提出中微子设想的是匈牙利物理学家泡利，当时的科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现在这个过程中有一部分能量不知去向。于是开始开始质疑能量守恒定律，但年仅30岁的泡利坚信能量守恒定律，于是提出非凡的猜想：在此过程中，必定还有一种不带电的、质量极小的与物质相互作用极弱，以至于无法探测到的新粒子放出来，是它带走了那一部分能量。他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”。

Tips：能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。

1942年，美国物理学家艾伦按照我国物理学家王淦昌提出的方法，首次通过实验间接证实了中微子的存在。

在泡利提出“中微子假说”后的26年后，也就是1956年美国加利福尼亚大学莱因斯教授带领的团队，通过把400升醋酸镉水溶液作为靶液，放入新投入使用的核反应堆中（作中微子源），每小时测得2.8个中微子，这个结果与泡利的理论预测完全一致。因为在实验中直接观测到了中微子，莱因斯于1995年获得诺贝尔奖。

Tips：诺贝尔奖，是指根据诺贝尔1895年的遗嘱而设立的五个奖项，包括：物理学奖、化学奖、和平奖、生理学或医学奖和文学奖。

中微子，作为宇宙中的基本粒子之一，它们的速度非常接近光速，而且个头小、不带电，只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用。而且这种力的作用距离极短（小于10^-17米），这个范围其实就是原子核内的夸克层面。

因为中微子，不与其他物质反应的性质，导致科学界花费了接近30年才直接观测到中微子。直到后来，科学家发现，中微子在水中穿行时，又极小的概率与水中的氢原子与氧原子发生反应。由于光在水中的速度只有真空中的75%，而接近光速的中微子，在水中的速度比光还快，中微子在水中的“超光速”会发出一种独特的辐射光，切伦科夫辐射光。

Tips：媒质中的光速比真空中的光速小，粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速，在这种情况下会发生切伦科夫辐射，被称为切仑科夫效应Cherenkov effect。

而日本之所以会在地深处1000米的地方装上5万吨超纯水，一个是为了更好地与中微子反应，另一个就是为了避免接收到出中微子外其他的宇宙射线，保证中微子发出的切伦科夫辐射光能被准确的记录下来。

为了记录这些辐射光，科学家在超级神冈探测器的内壁上设置了1.12万个光电倍增管，其功能是将辐射光信号尽可能地放大（可以高达1亿倍）。工作时，这一万多个光电倍增管就是一万多只眼睛，它们在黑暗中忠实的记录着中微子在超纯水中反应发出的切伦科夫辐射光信号。

事实证明这个装置十分有效，不仅首次观测到超新星爆发时散射的中微子，还观测到来自太阳系的中微子。

Tips：超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。

是的，这些会“隐身”的中微子就是来自于太阳。太阳这个巨大的恒星，相当于一个大型的热核反应堆，无时不刻进行着聚变反应，向宇宙散发出无数的中微子，因为地球没有完全接受到来自太阳的中微子，所以无法估计中微子的数量有多大。

根据物理学家的研究表明，太阳每产生3个光子就会伴随产生两个中微子，但在相当长的时间里，地球上观测到的中微子数量只有理论的三分之一，这就是美国科学家戴维斯发现太阳中微子失踪之谜，他也因此获得了2002年的诺奖。

Tips：原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。

我们不禁会想这剩下的三分之二的中微子跑到哪里去了，凭空消失了吗？直到1987年观测到的一场超新星爆炸，那些产生的中微子并没有像太阳中微子一样消失了三分之二，于是科学界猜想，中微子可能不止一种，而是有三种，并且相互之间还可以互相转化，这就是日本东京大学教授小柴昌俊提出的“中微子震荡”假设。在2001年加拿大SNO实验也证实了失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。证实了中微子之间可以互相转化，并且中微子的数量不止一种。

Tips：中微子振荡Neutrino oscillation，是一个量子力学现象，是指中微子在生成时所伴随的轻子（包括电子、渺子、τ子）味可在之后转化成不同的味，而被测量出改变。

现代科学研究告诉我们，中微子的种类上限为3，即有3种中微子。除了上述发现的电子型中微子之外，还有μ型中微子（1962年发现）和τ型中微子（1975年发现），每一种中微子都有相同的反中微子。

中微子的作用

一、获得恒星内部的消息

因为中微子是质量极小的不带电的基本粒子。它广泛存在于宇宙的每一个角落，平均每立方厘米就有300个左右，比其他所有的粒子多出数十亿倍，对整个宇宙有着举足轻重的地位。

而且因为它几乎不与一般的物质产生相互作用，在恒星内部的中微子可以不受拘束地跑出恒星表面，因此只要探测到这些来自于恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。得到太阳、超新星乃至整个宇宙内部的演化过程和内部结构的规律。

Tips：“大爆炸宇宙论”The Big Bang Theory，是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。

二、地质学

此外，由于中微子与物质相互作用的截面会随着中微子能量的提升能增大，利用高能加速器对中微子进行加速，产生的定向照射地层，与地层物质性互作用相互作用会产生内局部震动，能够实现对深层地质的扫描和勘探。

而且地球内部的放射性元素衰变也会产生中微子，捕捉这些中微子就可以得到地球内部结构的精确数据和演进规律，让埋在地球深处的奥秘一览无遗。

Tips：地质学geology，是研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系，主要研究对象为地球的固体硬壳---地壳或岩石圈。

三、核反应过程的诊断

也许中微子最明显的应用就是在核反应堆中。这一领域正在积极发展，并基于这些粒子正在创建各种传感器，从而能够实时监测核电站反应堆的功率，并了解其燃料的复合成分。

四、军事领域

1、 中微子雷达

因为核反应会产生大量的中微子，中微子可以轻易地穿透各种障碍物。所以通过中微子信号的探测可以发展出中微子雷达，实现对深海核潜艇和地下核设施的精准定位。

Tips：雷达Radar，源于radio detection and ranging的缩写，意思为'无线电探测和测距'，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。

2、中微子武器

主要用于销毁敌人的核武器库。利用加速产生的中微子束定向照射核材料，可以将核材料点燃和销毁。

3、中微子天文学

通过中微子可以任意穿行恒星内外之间，通过研究这些中微子，可以发现甚至非常遥远天体的属性。因为任何恒星，其本质上都有一个热核反应堆，它们都会发射出大量的中微子。在研究过程中，科学家发现，随着恒星年龄的增长，它形成的粒子的数量在逐渐减少。在“临终时刻”，恒星会失去高达90%的中微子，这就是为什么中微子开始冷却的原因。

Tips：天文学Astronomy，是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。

4、通讯方式

在这一领域，中微子还没有被真正使用，因为这些技术只停留在理论上。从1970年起美国就有科学家开始研究以中微子为载体的通信技术，因为中微子可以无障碍地任意穿行在事物内部，所以这就极大地促进数据在任何地方的传输，到地球的任何地方，甚至到达地表深处，认为中微子可以胜任全球点对点无线直连以及地面和深海之间电磁波难以完成的通信任务。而且这种通信技术还不会对人体造成辐射伤害，可以说是一种清洁、高效的电子通信方式。

结语

人类的科技在不断的进步，从预言中微子到发现，最终证实中微子的存在，科学界花了一个世纪的时间，但目前我们对于中微子还知之甚少。

Tips：江门中微子实验是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，它对人类了解物质微观的基本结构和宏观宇宙的起源与演化具有重要意义。

日本在2019年发布将升级超级神冈探测器，为储水26亿吨的顶级神冈探测器，将拥有数倍超级神冈探测器的实力，我国的江门中微子实验，将最早于2022年开始收集数据，这个位于地下700多米深的中微子探测设施将进一步揭开中微子的神秘面纱。