三、 中微子的物理本质

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义的９７个悬而未决的难题：４．引力能否被屏蔽？７．引力子，你在何方？８．新以太是否存在？６４．太阳中微子之谜能否解决？６５．中微子有无静止质量？６６．有无中微子振荡？２８．宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？

北京大学的刘川教授认为：中微子有质量（假设中微子振荡实验正确），它的速度小于光速。因发现第二代μ中微子而与人分享1988年诺贝尔物理学奖的莱昂·莱德曼评论说，找到τ中微子的直接证据是非常重要且等待已久的结果。说其重要，是因为科学家将据此进一步研究三代中微子之间的关系；说等待已久，是因为25年前τ轻子就已经被发现，现在“另一个鞋子终于掉了下来”。τ轻子的发现者、荣获1995年诺贝尔物理学奖的马钉佩尔说，证实τ中微子的存在具有里程碑的意义。在找到粒子家庭全部成员之前，粒子间相互转换的研究难以展开，现在这一障碍已被扫除。τ中微子的发现会给现实生活带来什么改变？这还是科学家们无法预言的。不过，正如居里夫人100年前发现原子核裂变时没有人知道这一发现会有什么用处、而40年后人们用它制造原子弹和发电一样，τ中微子的发现也将给科学的发展带来深远影响。30年前，科学家计算出了从太阳流失的电子中微子的数量，但实际观测到的中微子的数量小于计算值。2001年加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家证实了早先一些实验得出的假设：中微子事实上并没有失踪，只是在离开太阳后转化成了τ中微子和μ中微子，因此躲过了科学家的探测。笔者认为这三种中微子可以互相转化，说明它们都是只具有引力质量。中微子的反粒子是反中微子。现代科技界认为中微子总质量上限确定到不及10亿分之一的氢原子质量，使暗物质的一种可能形式，它们在全部暗物质中最多只占有1/8的分额。【1】

从场的space-time本质的观点看，谈论中微子的总质量是没有意义的，这种观点是错误的。An.Lee认为中微子就是由正负电子结合的产物，正负电子可组成为一正一负两个自绕一组的稳定结构，也可以两对正负电子组成四个一组具有相互传递缠绕的稳定结构，还可以组成为六个一组的具有立体空间相互缠绕的稳定结构。他认为中微子的正负电子学说推导出中微子应当具有基本三种类型，这和我们实际中探测到的三种中微子（电子中微子、μ中微子和τ中微子）是完全一致的。他说中微子的正负电子学说可以通过中微子相互碰撞和正负电子零速度下飘逸实验来证实。他表示，物理学世界及其研究还要以正负电子作为基点来考虑才行。按照这个思路，具有正引力质量的中微子至少应当是三种情况，即两倍电子的质量2m_e，4m_e，6m_e.中微子的质量可能关系到宇宙平衡。宇宙中如果弥漫这种东西，而且是相对比较一致的，那么我们的宇宙就是一个均衡态的宇宙。光的传递可能是需要中微子作用的，只是我们觉察不到。笔者认为中微子是正负电子中和的引力质量部分。

在一定的条件下，这些轻子和夸克之间可以互相转化。但它们之间并不是你包含我或我包含你，而似乎是你中有我，我中有你。这反映粒子并不都是基本的。那么，在粒子世界中，是否能找出基本要素呢？根据有关事实认为：中微子和电荷是构成轻子和夸克的二大要素——中微子加上整份电荷构成了荷电轻子中微子加上分数电荷构成了夸克。中微子有三种，这是粒子分为三代的基矗这三种中微子是同一物质的三种不同状态，正如同一物质会有固态、液态、气态一样。下面就以部分粒子的衰变为例，来作一下描述。

中微子质量m_υ的实验测定值是根据相对论公式：E²=P²c²+m²_υc⁴来定义的，1966年全球平均的实验数据显示m²(v_e)=-27±20eV²。后来实验上进一步控制β粒子能量在源中的损失，把1991——1995年间被认为不可靠的9个实验数据排除掉，在2000年的粒子表中给出新的全球平均值，m²(v_e)= -2.5±3.3eV², m²(v_μ)= -0.016±0.023eV²，式中的负号说明中微子的引力质量为负数，实验中观察到的只是其数值，没有考虑到其量纲。

1956年宇称不守恒发现后，为解释有中微子参与的弱相互作用过程，李政道、杨振宁提出了二分量中微子理论，其物理实质是假定自然界只存在左旋中微子与右旋反中微子而不存在右旋中微子与左旋反中微子。中微子这种永久纵向极化的性质之所以可能，是因为当时中微子质量被认为等于0，因而左旋中微子与右旋反中微子永远以光速运动，同时一切观察者所在的惯性系间的相对速度v都不可能超过c的缘故。假如中微子是亚光速的Dirac粒子，具有微小的质量m_υ，设它在S系以速度u＜c运动，则当S`系观察者以速度v相对于S系运动，又设v平行于u且v＞u时，他将看到一个左旋中微子变成右旋中微子，一个右旋反中微子变成左旋反中微子，于是中微子不可能永久纵向极化的了，出现了宇称守恒的四分量中微子理论。即中微子的静止质量不为0与宇称不守恒的实验事实相矛盾。【2】证明宇称不守恒的实验-钴在低温下的β衰变。

如果假定中微子运动速度为光速，不能用相对时间度量，那么就可以解释中微子与引力场具有引力质量，但不满足Lorentz transformation，因为只有具有时间量子属性的引力质量才满足Lorentz transformation。在【2】中倪光炯教授提出了中微子可能是超光速粒子，但这又和狭义相对论矛盾。

长期以来，科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验尚未成功。根据广义相对论，当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波，这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样。因此，任何物体都在无时无刻地辐射引力波，它在宇宙中是无处不在的。例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。地球由此而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿（即1039）倍。我们之所以感受到引力，惟一的原因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了。但是，引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波，它不会产生我们通常能察觉到的任何效应。例如，地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0.001瓦，因而在几十亿年中，它向太阳靠拢的距离简直微不足道。而假如500亿颗直径为1公里的速度撞向地球，所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯波。不过没有人能活着看到这个结果。Einstein的广义相对论预言：引力波（也称重力波）的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。

质子+电子→中子+中微子，中子的引力质量大于质子和电子的引力质量之和，所以中微子的引力质量为负值，反中微子的引力质量为正值，产生反中微子实际上是吸收了中微子。由于中微子的引力质量的绝对值很小，因此在上面的变化中能量不守恒，原因在于space-time本身参与了能量的交换。

现代物理学认为：由于中微子比其它物质粒子的总数多十几亿倍，因此整个宇宙中中微子质量的总和大大超过其它物质的质量总和，占宇宙总质量的99% 以上 ，中微子可能是控制宇宙运动变化的关键性因素。根据场的本质是相对space-time的观点，这种说法是错误的。

在大雨过后，偶尔会打一个响雷。这时我们会听到一种与闪光同时到达的声音。这种声音听起来象是快速地撕一张薄纸。几秒钟后才听到轰鸣的雷声。只要注意，这种现象经常会被发现。这种现象只能说明，存在着一种空气以外的流体物质，它可以传递纵波。这一现象完全可以在实验室里再现。笔者认为这就是中微子流。从1993年及1995年开始运行的水切连科夫探测器和镓探测器，长期对太阳中微子的测量证明，太阳中微子到达地球后确实有很大一部分失踪了。后来科学家又发现，就在大气圈上空产生的中微子，在运行过程中同样有很大一部分失踪了。如同幼儿园的阿姨找不到自己看管的娃一样，科学家能不焦急吗？总得给一个说法，这就是大多数科学家都同意的“味震荡”假说；它是说，中微子有少许静质量，且质量本征态与弱作用本征态不简并，不同味道的中微子在运行中就允许发生“味震荡”，就是说电子型中微子在运行过程中变成了难以探测的其他“味道”的中微子，为了证明这一假说的可靠性，科学家又把测量的对象对准了人工源（反应堆）中微子，虽然各有说词，但问题的严重性也终于浮出了水面：“震荡假说”如果成立，就会同时存在5个佐证；（1）找到可重复检测的双β衰变的观察依据；（2）中微子震荡的运行距离（L）具有线性数学结构；（3）高能端的观察事例数大于低能端；（4）可测量的μ中微子数量与太阳运动方向相统一；（5）不出现中微子质量平方值为负的事例。然而事实恰好相反，由铃木厚人领导的“卡姆兰德”实验组提供了（2）（3）二项相反的测量依据，其它实验提供了（4）（5）二项相反的依据，第（1）项还没有找到。这就是目前的进展状况，实验能提供的都是证伪“震荡假说”的依据。简单的中微子失踪案向现有的科学理论提出了严重的挑战。

根据物理学的传统理论，稳定、不带电的基本粒子中微子的静止质量应为零，然而美国科学家的研究从另一个角度有可能推翻这一结论。

据俄《知识就是力量》月刊报道，美国斯坦福大学的科研人员对最近24年来人类探测中微子所获数据进行分析后发现，从太阳飞向地球的中微子流运动具有某种周期性，每28天为一个循环，这几乎与太阳绕自己的轴心自转的周期相重合。

美国科学家认为，这种周期性是由于太阳不均等的磁场作用造成的。磁场强度的变化，使部分中微子流严重偏移，致使探测器难以捕捉到。对此似可得出结论：中微子流有着自己的磁矩，既然有磁矩，就应有静止质量。

在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一，但由于它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用，因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。被誉为中微子之父的泡利与费密曾假设它没有静止质量。

1998年6月12日，东京大学的一个国际研究小组在美国《科学》杂志上发表报告说，他们利用一个巨大的地下水槽，证实了中微子有静止质量。这一论断在世界科学界引起广泛关注。由日、美、韩三国科学家组成的科研小组日前在此间宣布，他们在实验中观测到了250公里远处的质子加速器发出的中微子。这是人类首次在如此远的距离内观测到人造粒子。

日本文部省的高能加速器机构位于筑波科学城，东京大学宇宙射线研究所设在岐阜县的神冈，两地相距250公里。6月19日下午，科学家在高能加速器研究机构使用质子加速器向宇宙射线研究所的神冈地下检测槽发射中微子，并通过检测槽检测到了中微子。由于这批中微子来自筑波科学城方向，并且是在发射之后大约0.00083秒时检测到的，科学家因而断定，它们就是质子加速器发出的那批中微子。

这项实验是为了证实中微子有静止质量而设计的。1998年6月，日、美两国科学家宣布探测到中微子有静止质量。如果这一点被证实，现有的理论物理体系将受到巨大冲击。为了验证这一发现，科学家计划人工发射和接收中微子，观察中微子经过远距离传输后发生的变化，推断中微子是否有质量。

为了研究宇宙中的中微子，各种新型望远镜不断出现并投入使用。今年9月，一台专门研究中微子的特殊望远镜在地中海中开始安装。它不像普通望远镜那样直指天空，而是“反其道行之”面朝海底。这台“面海观天”的中微子望远镜名为“安塔雷斯”。它由英国、法国、俄罗斯、西班牙和荷兰等国科学家联合设计，安装地点位于距法国马赛东南海岸40公里处。望远镜在海面2.4公里以下，由13根垂入海中的缆状物组成，每个缆状物上将带有20个足球大小的探测器。

参与该国际合作项目的英国设菲尔德大学科研人员介绍说，来自宇宙的中微子能畅行无碍地穿越包括地球在内的很多物体。虽然中微子无法直接探测到，但它在穿透地球过程中，偶尔会产生少量的高能量缪子中微子，并发散出特殊辐射光——切伦科夫光。“安塔雷斯”主要通过高灵敏度探测器检测该辐射来研究中微子。由于“安塔雷斯”面向海底，绝大部分宇宙射线会被厚厚的地层屏蔽掉，大大减少了观测过程中的本底噪音。专家说，这台望远镜的安装有可能为更深入揭示伽马射线爆发以及暗物质等宇宙奥秘提供重要线索。

参考文献：

【1】《物理》第31卷11期759页 2002年 北京

【2】《物理》第31卷4期255页 2002年 北京