每秒钟有万亿个中微子穿过你的身体，你却一无所知 | 占亮——科学讲坛

“科学家发现核衰变似乎能量不守恒，最后提出并证实了中微子的存在。科学家又发现太阳中微子消失了，随后发现中微子振荡现象。”

占亮

中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员

神奇的中微子

中微子无处不在，非常神奇，被称为宇宙的“隐形人”。中微子到底有多神奇呢？我们之所以能看到太阳，是因为太阳发射的光传到我们的眼睛里，所以我们看见了太阳。

神奇的中微子

但是你不知道的是，每秒有上亿个中微子也穿过你的眼睛。

更为神奇的是，即使你把眼睛闭上，看不见光了，但是中微子依然会穿过你的眼睛。你根本无法阻挡中微子。

沃尔夫冈 · 泡利

说到中微子，先从一位传奇的物理学家说起，20世纪初最天才的物理学家之一，沃尔夫冈·泡利。

他非常有个性，别人提出一个理论，他认为有问题就会马上批评。更奇怪的是，大家发现泡利的批评总是对的。

大概20岁的时候，泡利去听大名鼎鼎的爱因斯坦的演讲，在演讲现场，他向爱因斯坦提出一些很尖锐的问题。据说爱因斯坦以后做演讲的时候，都要先看看泡利在不在场。

最聪明大脑的合影

这是1927年召开的索尔维学术会议上的照片，集合了世界上最聪明的大脑，共29人，其中有17人都是诺贝尔奖得主。泡利身处其中，他当时非常年轻，只有27岁。

泡利跟中微子有什么关系呢？

能量守恒定律告诉我们，能量不能够凭空产生，也不会无故消失。20世纪初，有一些科学家在研究原子核衰变的时候，发现能量少了一部分，是不是能量不守恒？

泡利预言了一种无法测到的粒子 

泡利提出一个非常大胆的假设，在原子核的衰变过程中，释放出来一个我们看不见的粒子，这个粒子带走了部分能量，这个粒子非常小，非常轻，并且不带电，是中性的。

泡利把这个粒子叫中微子，他说正是由于中微子带走一部分能量，所以我们看到的能量就是少了，如果把中微子的能量算进去，能量还是守恒的。

能量到底守不守恒，泡利的假设到底正不正确呢？

在之后的几十年，很多科学家就去寻找中微子，验证泡利的假设到底对不对。最后证明，泡利还是对的。

王淦昌

在寻找中微子的科学家当中，有一位中国科学家王淦昌，也是我国的两弹元勋。

1941年，王淦昌就提出了间接探测中微子的方法。他当时是浙江大学的教授，也是我们熟知的诺贝尔奖得主李政道的老师。

他虽然提出这个方法，但是受当时的条件限制，就没有做实验。国外有一位科学家在1942年做了这个实验，间接证明了中微子是存在的。

从科学实验的角度来说，一个东西如果存在，就必须要能直接探测到，间接探测不是直接的证据。因此必须用探测器探测中微子的存在，人的眼睛是没办法看到中微子的。

怎样才能看到中微子呢？

因为中微子的穿透力非常强，穿过人的身体时毫无知觉，那么就需要非常强的中微子源，释放出大量的中微子，虽然不能看到每一个中微子，但是只需要看到这么多中微子中的几个，就能证明它的存在。

很强的中微子源有哪些呢？原子弹就是很强的中微子源，有些科学家想利用原子弹爆炸来探测中微子，这确实太危险了。

从提出到证实——直接探测中微子

一九五几年的时候，人们造出了反应堆，它很安全，可以持续地释放中微子。科学家莱因斯和科万在反应堆旁边造了一台一吨重的探测器去探测中微子。

1956年，他们终于探测到了反应堆发出来的中微子，确认了中微子存在的信号。他们把这个好消息告诉了泡利。

泡利在回信中说：谢谢告知，任何事情都青睐懂得等待的人。

只是这一等待长达26年，从1930年提出假说，到1956年才得到证实，泡利从当初年轻的小伙也变成老人了。

但是泡利还算是比较幸运了，莱因斯和科万1956年做了实验，1995年只有莱因斯获得诺贝尔奖，不幸的是，科万已经去世21年了。

我们现在知道中微子是无处不在的，每秒钟就有数万亿个中微子穿过大家的身体。

中微子无处不在

其实中微子还有其他的一些源，比如太阳、地球、宇宙大爆炸、恒星大爆炸、大气层、反应堆、加速器。甚至人的身体也是一个中微子源。人的身体每秒钟会释放出大约3亿个中微子，当然这跟人的体重有关。

中微子很难发生反应

中微子无处不在，为什么我们看不见它呢？

因为中微子可以很轻易地穿过人体，虽然每秒钟有上万亿个中微子穿过人体，但是很安全。不仅人如此，地球在中微子面前也是透明的，中微子能直接穿过地球。

发现中微子之后，科学家继续研究，发现不止存在一种中微子，2000年的时候，科学家发现了第三种中微子，经过70年，三种中微子都被发现了。

三种中微子

中微子按照不同的标准，可以分成三类：按照质量大小分，可以分成中微子1、2、3；按照“味道”来分，可以分成e中微子，μ中微子，τ中微子。

这有点像给苹果分类，按照颜色分，可以分为红色、青色、黄色的苹果；按照味道分，可以分为酸的、甜的、涩的苹果。中微子与此类似。

中微子的探索之旅

太阳中微子消失之谜

科学家在探索中微子的过程中，发现一些很奇特的现象。戴维斯在一个深达1500米的矿井里，寻找太阳发射过来的中微子。

他在1968年就看到了太阳中微子，但是令人疑惑不解的是，太阳中微子的数目不对，跟预测的相比，只剩下了1/3，有2/3的太阳中微子不知道去哪儿了，他就继续找，一直做实验，做了20多年的实验。

这个现象一直困扰了科学家好几十年。有一些科学家就提出来一种理论，中微子会发生振荡，是什么意思呢？

前面说的三种中微子，一种中微子是太阳发出的电子中微子，传播到地球的过程中，变成了另外两种中微子。戴维斯的实验只能看到电子中微子，所以电子中微子就少了。

中微子震荡

以图中的一群马做例子，马跑的过程中，一些马变成了羊，一些马变成了牛，这是很奇妙的现象。这个现象到底是不是真的，需要做实验来验证。

2015年诺贝尔奖

日本的超级神冈实验和加拿大的SNO实验，分别探测了大气中微子振荡和太阳中微子振荡，实验中观察到电子中微子消失的现象，更重要的是还发现了另外两种新的中微子产生。

如果把三种中微子全部加起来，发现个数正好不多不少，跟原来的一模一样。实验证实了中微子振荡现象，这一发现获得了2015年的诺贝尔奖。

第三种振荡模式

科学家通过实验观察到了太阳中微子振荡和大气中微子振荡，那么会不会有第三种中微子振荡呢？

这涉及到了基础物理学里面的重要参数之一，是发现正反物质不对称之谜的一把钥匙。

根据大爆炸理论，宇宙最开始爆炸时就产生同样多的正物质和反物质，每一个粒子都有与之对应的反粒子。

现在并没有发现反物质世界的存在，会不会是没找到，反物质世界在某一天突然出现，把宇宙给毁灭了呢？这是一个很奇妙的现象，寻找第三种中微子振荡就可以解释这种现象。

当时世界上提出8个实验方案去寻找第三种中微子振荡，通过竞争比较之后，最终只有3个实验方案执行了，其中包括中国的大亚湾中微子实验。

大亚湾中微子实验在国际上是领先的，有自己得天独厚的优势，比如它位于广东省深圳市大亚湾核电站附近，那里还有岭澳核电站，一共有6个反应堆，反应堆加起来的功率非常大，能够释放的中微子数目也非常多。

大亚湾实验

另外，它附近有一座山，可以把实验室建到山的下面，挖一个隧道进去，在那里做实验很方便，开着车直接就进去了。

大亚湾实验室也体现了我国科学家的水平，设计建造的探测器精度是国际上最高的。

因为大亚湾实验室这一系列的优点，美国人也放弃了在他们自己国家做实验的方案，带着钱和人加入到大亚湾的实验，和我们一起合作做实验。

大亚湾实验室探测器

这是大亚湾实验探测器的照片，照片中有几个钢桶，这些钢桶就是中微子探测器，它们有几十吨重，放在一个水池里面。

为什么要把探测器放在水里面呢？中微子探测器对环境的要求非常高，不能有灰尘，不能和空气直接接触，所以只能放在水里面。

这些水能够阻挡比如墙壁、天花板释放出来的、看不见的放射性射线，这些射线会干扰中微子的信号。

中微子探测器

大家可能很好奇，中微子探测器的内部是什么样的，这张照片有些魔幻，中间透明的部分是有机玻璃罐，这里面放着一些会发光的液体，当中微子打到这些液体里面，会发光，这些光会被附近灯泡状的东西接收到，从而捕捉到中微子信号。

大亚湾探测器建成的第一天做实验，就探测到几百个中微子信号，跟几十年前寻找中微子相比，大亚湾探测器要先进得多。

2016年获得基础物理学突破奖

所以应该感谢我们国家的经济水平、科学技术水平的进步，让我们能够建造更强大的探测器。

同时，我们也不应该忘记几十年前那些寻找中微子的先驱们，正是他们迈出了科学的第一步，我们才能有后面的成果，所谓“不积跬步，无以至千里”。

大亚湾实验室用55天获得的实验数据，就寻找到大批的中微子，并且确认了第三种中微子振荡的信号，这是中国首次测得基础物理学参数，也是中国对基础物理学最大的贡献。

这项成就在2016年获得了基础物理学突破奖，这个奖是科学界的“第一巨奖”，被誉为科学界的“奥斯卡奖”。

中微子仍是个谜

大亚湾实验发现了第三种中微子振荡，是不是所有问题都解决了呢？

并不是，中微子还有很多未解之谜，比如中微子是否为自己的反粒子？会不会被自己湮没？中微子的质量顺序，三种中微子的质量谁大谁小？

国际上有一些实验方案试图来解决这个问题，日本、美国的一些实验室有先进的加速器技术，他们用加速器产生的中微子来研究其质量顺序。

我们有大亚湾实验室，在反应堆中微子实验上积累了很多经验，我们又提出了江门中微子实验，来研究中微子的质量顺序。

这次国际上没有同类实验跟我们竞争，其他反应堆中微子实验科学家经过评价以后，认为我们的实验更好，就带着钱和人都参加到了我们的实验里面。

江门中微子实验探测器

从图中可以看到江门中微子实验探测器的情况，右边是一个直径40米的大圆球，有十几层楼那么高，里面装有2万吨的液闪，左边是大亚湾探测器，从图中对比来看，大亚湾探测器显得很小，里面只有40吨的液闪。

江门中微子实验

江门中微子实验参加者中，有一半都是中国人，另外一半是外国人，合作单位非常多，国内外一共有77家研究单位。

光电倍增管实物图和模拟图

江门中微子探测器目前还没建成，右边是一张模拟设计的照片，可以看到探测器里面是一个非常大的圆球，里面有很多灯泡状的东西，就是光电倍增管，左边是两根光电倍增管的实物图，这是核心器件，可以探测光，确认中微子的存在。

光电倍增管几十年来只有日本滨松公司能够制造，这家公司一直处于垄断地位，我们做大亚湾实验的时候，一个探测器要用192根光电倍增管，全部买的这家公司的产品。

国外垄断的光电倍增管价格昂贵

我们现在做江门中微子探测器，里面有将近2万根光电倍增管，一根光电倍增管要几万元，如果全部买滨松公司的产品，大约要10亿元，价格实在太高了。

江门中微子实验里面的一些科学家就与中国的企业合作，一起联合攻关，研制光电倍增管。

经过无数次失败，终于成功研制了这个产品，我国生产的光电倍增管已经进入了国际市场，产品甚至卖到了日本。

我们仍然买了少量滨松公司的光电倍增管，跟我们自己生产的光电倍增管，各有优势，形成互补，但是这时候我们买他们的光电倍增管，跟之前相比就便宜很多了。

生活里的中微子

我这里讲的都是科研中的中微子，它跟我们的实际生活有什么关系呢？

这是一个很难回答的问题。实事求是地说，中微子现在跟我们的生活没有太大的关系。

我之前讲到科学家们开始研究核衰变的时候发现了中微子，他们当时研究核衰变也不知道在生活中该怎么用，但是几十年后，科学家利用核物理知识造出了原子弹、反应堆，给人们的生活带来巨大改变。

现在我们研究中微子有什么作用呢？可能十几年、几十年后会知道。这取决于我们对中微子研究的深入程度。

后面我讲一些脑洞大开的想法，用中微子可以做什么，但是这些想法也许行得通，也许行不通，到底能不能行，还是要看我们对中微子的知识了解有多少。

预警核反应堆

用中微子监测核反应堆。造原子弹需要的原料可以在反应堆里制造。

如果世界上有一些国家或者恐怖分子偷偷造反应堆怎样才能发现呢？如果他们在地面上造了一个反应堆，可以用卫星拍高清照片。

如果他们在山洞里面偷偷地造原子弹，卫星也拍不到，怎么办？这时候中微子就可以发挥作用了。在中微子面前，地球相当于透明的。

不管你在地球哪一个角落造违规的反应堆，释放的中微子都毫无保留地传递给我们的探测器。

中微子通信。2012年，美国有一些科学家做了一个实验，利用中微子穿过340米厚的岩石传递信息。但是信息量非常少，只有一个单词neutrino，用了142分钟，传输速度非常非常慢，但是这毕竟迈出了人类的第一步。

另外，中微子通信可以解决常用手段无法解决的问题，比如中微子的穿透能力特别强，可以实现星际间的通信。

如果有人能生活在地心的话，甚至可以实现从地表到地心的通信。当然这种情形只能在科幻小说中出现，刘慈欣的科幻小说中，就描写了这种情况。

还有海平面与海底的通信，海底的潜艇可以通过中微子与海面进行通信，因为海水无法阻挡中微子。

中微子还可以给地球做扫描。地球对于中微子来说是透明的，中微子穿过地球时，就可以扫描地球的内部结构。

地球的探针

想要知道地球的内部结构，现在常用的手段是挖一个很深的井，去里面取岩石样品。

但是我们现在挖的井，最深也就一万多米，对于地球几千千米的半径来说就是九牛一毛，因此对地球内部没有直接的探测手段。

用中微子就可以扫描地球内部的结构，类似于给人体做CT扫描。人体CT扫描采用X射线，但是X射线也只能穿过人体那么厚的东西；中微子能穿过整个地球。

另外地球本身会产生中微子，地球内部发射的中微子就携带了物质组成的一些信息，它可以直接穿过地球，传到地表，被探测器探测到，这时候我们就能够了解地球内部的成分。

总结一下，科学家发现核衰变似乎能量不守恒，最后提出并证实了中微子的存在。科学家又发现太阳中微子消失了，随后发现中微子振荡现象。

所以，科学家发现一些很难理解的问题，通常是科学知识的突破口，帮助人们寻找、发现新的科学知识。

中微子现在还有一些未知之谜，科学家们研究它又会有什么新的科学发现呢？

这些科学发现在几十年后对我们的生活会产生怎样的影响？让我们拭目以待，谢谢大家！