图为：阿瑟·麦克唐纳。
对于很多人来说，因为工作繁忙，无暇顾及，所以并不了解中微子振荡。 那么下面我就用通俗的话来说一下。 本文只适合对中微子振荡一无所知的普通人。 全文不深入，但大家都能看懂。 如有错误，请多多指教。
什么是中微子
中微子，因为名字里有一个“子”，就意味着它是一个小粒子； 同时它还有一个“中”字，意思是它不像我们熟悉的中子那样带电。 中性的; 还有“微”这个词，意思是中微子非常非常小，比中子和电子小得多。 事实上，之前的科学家甚至认为中微子没有质量。 后来人们才认为中微子有质量，但质量非常非常小，有点接近于零。 正因为如此，中微子非常神奇。 它们的速度非常快，不到1秒就能穿过地球。
别说地球了，就连太阳也能穿过。 太阳每分每秒都在产生大量的中微子。 平均而言，每秒有数万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。
中微子是如何被发现的？
既然中微子穿过地球，穿过我们每个人的身体，那么我们如何捕捉它们呢？ 如果抓不到，怎么证明中微子这样的粒子的存在呢？
这也是事实。 起初，中微子只是一种推测的粒子。 而说到这里，故事就很有趣了。
顺便说一句，几十年前，全世界的物理学家都被一个问题深深困扰，那就是“β衰变”中能量不守恒的问题。
贝塔衰变很容易理解。 我们以碳为例。 碳排第六。 通常其原子核中有6个质子和6个中子。 然而，一些碳原子核有 8 个中子。 6加8等于14。因此，我们称这种原子为碳14。
碳14很神奇，它向外发射电子。 事实证明，碳14的原子核非常不稳定。 其中的某个中子有能力转变为质子加电子！
现在很有趣。 大家想一想，原子核中的一个中子变成一个质子和一个电子后，原子核中不是会多出一个质子吗？ 由于多了一个质子，它就不能再是碳元素了，它变成了氮元素，因为氮排第七。
早在一百多年前，碳14的这种现象就被当时的科学家称为β衰变！
说完β衰变，我们来谈谈能量不守恒时会发生什么。
我们以碳14为例。 当碳14进行β衰变时，会释放出能量，能量被电子夺走，所以当β衰变时，会发射出电子。 按理说，电子的能量应该是固定的，但奇怪的是，即使是同一个碳14原子，在衰变时，发射出的电子却具有不同的能量。
我们打个比方。 有几把一模一样的手枪。 当然，手枪的子弹也是一模一样的。 但现在，朝同一方向射击时，一部手机可以射出300米外的子弹，另一部手机只能射出270米外的子弹，还有一部手机就更可怜了，只能射出250米外的子弹。 地方。 你觉得这很奇怪吗？
为什么子弹射程不同？
是否有些子弹的弹药量较少，而另一些子弹的弹药量较多？ 每个碳14都不同吗？
但如何证明两个碳 14 颗粒不同呢？ 因此，没有办法证明所有碳14都是完全相同的！
该怎么办？
面对这个问题，当时的科学家们非常困扰。 无论他们如何努力，都找不到原因。 最后实在是没有别的办法了。 当时的著名科学家玻尔不得不说，我猜能量守恒定律可能不正确。 至少在微观世界，能量守恒定律并不普遍。
图为波尔。
这一次，波尔绊倒了物理学家米，还开了个玩笑。 因为能量守恒定律是我们宇宙的法则，它从来没有失效过。 如果为了解释小β衰变而轻易推翻能量守恒定律，那么代价就太高了。 因此，许多科学家对玻尔的解释感到不舒服。 尤其是那个叫泡利的科学家，他很不高兴，因为泡利是一个极其追求完美的人。 不过他心里不高兴，一时也找不到其他的解释。
图为泡利。
后来，物理学家决定召开一次会议，讨论当时物理学中最大的谜团。 泡利原本是要参加的，但最后却来了一场即兴舞蹈，他表示无论如何都不能错过这场舞会。 即使不能出席，泡利仍然想表达自己的观点，于是在1930年12月4日，他给与会者写了一封信。 这是一封将载入史册的信。 泡利·赫在信中说道，“我有一个想法，我将置之死地而后生。为了确保能量守恒定律的正确性，我认为在β衰变的过程中，除了发射电子之外，还有一种神秘的看不见的粒子，就是这种粒子带走了部分能量……”。 1931年，他在一次物理学会议上再次提出并修正了自己的观点。 他说：“这种粒子不带电，没有质量，也不与任何物质相互作用，所以我们无法探测到它。”
现在我们知道泡利所说的神秘粒子实际上是中微子。
但作为一名严谨的科学家，泡利是有自知之明的。 当他猜到中微子等粒子的存在后，亚历山大立刻就后悔了。
为什么？
因为泡利预言了中微子的存在，但中微子无论如何都无法观测到，这几乎等于什么也没说。 因为我们可以随意应用这种预测。 比如寒木还可以预测，我们每个人的肚子里都生长着一棵树，但是我们无论如何也看不到那棵树，即使进入我们的肚子里，我们也看不到它。 不看。 因此，泡利意识到自己犯了一个很大的错误。 他感到非常沮丧。 为此，他自己也承认了，并写信给别人：“我做了一件可怕的事，我预测了一个不可能的情况。” 观察到的粒子……”
泡利是一位非常可爱的科学家。 他不仅对自己要求严格，对别人也非常严格。 同时，他又非常刻薄。 他总是喜欢挑剔其他物理学家，而且毫不留情。 泡利以其完美主义而闻名。 有一次，他读完一位年轻物理学家写的论文后评论道：“这篇论文不仅不正确，甚至连错误都算不上。” 还有一次，当一位意大利物理学家做完报告准备离开会议室时，泡利对他说：“我从来没有听过这么糟糕的报告。” 泡利说完，突然转身对瑞士的一位物理化学家说道：“我想，如果你给出这份报告，情况可能会更糟。”
还有一次，泡利想去某个地方，但不知道怎么去，所以一位同事告诉了他。 后来同事问他找到那天想去的地方了吗？ 泡利没有表达感激之情，而是讽刺地说：“当你不谈论物理时，你的想法总是很清晰。”
你看，既然泡利对别人都这样，他对自己就更严格了。 所以泡利在预言了无法观测到的中微子的存在后感到苦恼也是可以理解的。
泡利于1958年去世。在他去世前两年，也就是1956年，泡利终于可以自豪了，因为美国科学家赖因斯和柯文发现了中微子存在的证据，这使得雷因斯获得了1995年的诺贝尔物理学奖，但柯文却没有获奖是因为他已经去世很多年了。
泡利本来应该获奖，但他早在1945年就获得了诺贝尔物理学奖。
太阳中微子消失之谜
谈完证实中微子存在的证据后，科学家们变得更有信心了，其中包括一位雄心勃勃的美国科学家，名叫戴维斯。 他计划在地下1500米深处探测太阳发射的中微子。
中微子的穿透力非常强，不到一秒就能穿过整个地球。 如何检测？ 别担心，并不是说中微子永远不会与任何物质发生反应。 它们仍然与某些特殊原子发生反应，例如氯原子和氢原子，但数量很少。 100亿个中微子穿过地球。 在中微子中，大约有一个中微子与物质碰撞。
只有百亿分之一，太少了，但是别忘了物理学家米，宇宙中的所有恒星和地球上的各种核电站无时无刻不在产生中微子，所以中微子的数量是非常非常多的，平均下来每秒都会有1万亿个中微子穿过我们每个人的身体。 中微子是宇宙中数量最多的粒子之一。 在浩瀚的宇宙中，每立方厘米大约有300个中微子。 儿子。
那么戴维斯为何坚持要在地下1500米深处探测中微子呢？ 躺在地上不是很好吗？
因为地面上有很多来自太空的射线，这些射线会干扰实验。 因此，我国大亚湾的中微子探测装置也是设在山上，让厚厚的岩石阻挡各种射线。
戴维斯的实验是这样的：
他将615吨四氯乙烯液体倒入地下1500米的大水池中，然后等待中微子的到来数十年。 根据天体物理学家对太阳的认识，经过对太阳发射的中微子数量的严格计算，戴维斯得出结论，他的装满四氯乙烯的大水箱每天应该能够捕获一个中微子。 然而，经过多年的观察，他平均需要四天时间才能钓到一只。 其余的中微子去了哪里？ 当时，也就是 1968 年左右，科学家们感到困惑。 要么戴维斯的实验不准确，要么天体物理学家对太阳的理解错误。 戴维斯年复一年地继续改进实验，但最终结果却保持不变。
“我的实验很好，”戴维斯说。
这意味着太阳中微子消失之谜的责任不在于我，而可能在于天体物理学家。
不过，天体物理学家也很憋屈。 他们计算了无数遍，最后坚定地说：我们太阳模型的计算绝对正确！
奇怪的是，既然没有人错，那谁又错了呢？ 这就是著名的“太阳中微子消失之谜”。
不管拥有多少东西，戴维斯仍然常年致力于在1500米深的金矿中捕获中微子的伟大事业。 他这样做已经30年了。 这30年里，他一共只探测到了2000个左右的中微子。
后来，日本神冈探测器也出现了一个大型中微子探测器，称为超级神冈探测器，它是由日本科学家大芝正敏领导的。 经过多年的实验， 等人也发现中微子消失的现象确实存在。
哦，原来戴维斯不该受责备，因为两个探测器同时证实了中微子的消失。 那么，为什么有些中微子会消失呢？ 1998年，这个谜团终于被解开了，因为在这一年，超级神冈探测器证明了中微子拥有一种神奇的能力——中微子可以在飞行过程中发生转变！ 就像悟空可以变成小猪一样。
中微子家族有三兄弟。 这三兄弟分别被称为“电子中微子”、“道中微子”和“苗中微子”。 这三种中微子在飞行过程中会相互变化。 飞一会你就变成我，飞一会我又变成你。 它们总是来回变化，这种现象称为中微子振荡。
中微子振荡示意图。
太阳中微子消失之谜已经解开。 戴维斯的旧中微子探测器只能探测到电子中微子，而不能探测到其他两种中微子。 也就是说，电子中微子飞到地球后，转变为μ子中微子，探测器无法探测到。 因此，中微子并不是消失了，而是变成了另一种中微子。 这只是我们当时没有能力探测到的其他中微子。 戴维斯没有错，天体物理学家对太阳的计算也没有错。 为了表彰戴维斯和小场正俊对中微子研究的贡献，瑞典皇家科学院宣布授予戴维斯和小场正俊双双荣获2002年诺贝尔物理学奖。
图为小柴长军。
梶田孝明
正如我们上面提到的，超级神冈探测器是由大芝正敏领导的，而今年获得诺贝尔奖的梶田贵明恰好是大芝正敏的毕业生。
科巴正顺曾说过：“继承我遗志的弟子中，有两个人就足以获得诺贝尔奖。” 这里的两个人其中之一就是梶田贵明，而今年，2015年，梶田贵明真的获奖了。
梶田贵明获奖的原因是：预测并发现了中微子振荡的存在！
图为梶田贵明。
中微子实验
1998年，科学家进行了一项实验，他们首先在一个地方人工发射中微子。 当这些中微子穿过250公里厚的层时，它们被另一个探测器成功探测到。 从发射到探测的时间间隔只有短短的0.00083秒，证实探测到的中微子来自人工发射的方向。
想想科幻小说，如果未来发明了中微子通讯，地球两端的人们都可以利用往返地心的中微子打电话……
1987年2月23日，多个天文台同时观测到一颗名为“SN 1987A”的超新星开始在大麦哲伦星云中爆炸。 消息公布后，科学家们立即检查了埋在地下的中微子探测器。 他们发现，在天文台探测到超新星爆炸之前，几个探测器已经提前三个小时捕获了来自超新星的总共24个中微子。 其中超级神冈探测器检测到了11个中微子。 虽然科学家在这次超新星爆炸中总共只捕获到了24个中微子，但科学家可以根据这个数字大致推断出这次超新星爆炸的规模以及其他一些重要情况。 自从观测到超新星中微子以来，又一门新学科诞生了，那就是中微子天文学。 我们知道，宇宙中存在大量的星际尘埃，它们对光线有很强的阻挡作用，这使得我们很难探测到遥远宇宙的奥秘。 至于中微子，它们恰好能够穿过大量的物质，所以在未来，中微子将会给我们带来来自宇宙最深处的信息。
图为超新星SN 1987A的想象图。
图为1054年发生的超新星爆炸遗迹。我国宋代的天文学家记录了这一天文事件。
图为超级神冈探测器正在注满水。
图为超级神冈探测器装满水。
图为位于南极洲的“冰立方”中微子探测器示意图。
图为地面实验室。
图为一个小型探测器被缓慢放入冰立方钻出的冰洞中。
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