书城科普能源:不仅仅是危机
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第13章 中微子失踪案

科学家对研究课题的探讨总是没有止境的。虽然核反应理论已经得到了科学界的公认,提出太阳能源学说的贝特也获得了诺贝尔奖金,可是要揭开太阳的奥秘还有许多问题要搞清楚,比如太阳是由些什么元素组成的?它上面的物理状态(温度、压力等)怎么样?”……这些问题对于地面上的物体来说,是很简单的,到实验室里测量、化验一下就解决了。而我们要了解的是在15000万千米之外的太阳!用什么办法寻求答案呢?

太阳的真面貌将更深入更全面地层现在人们面前,它将被更多更好地用来造福于人类。

19世纪末,物理学家发现铀和镭等元素能够自动衰变。在衰变过程中,放射出3种射线,其中有1种射线,叫做p射线。它是一种带负电的高速飞行的电子流。

起初,人们认为在原子核的衰变过程中,原子核发射出一个电子,并且转变成另一种原子核。但是,当人们对衰变前后的原子核进行精密测量并且对能量加以对比之后,发现发射出的电子所携带的能量少于原子核释放出来的能量。就是说,原子核在衰变过程中有一小部分的能量丢失了。

为了寻找遗失的这部分能量,人们进行了实验和研究。到1931年,奥地利物理学家泡利提出一个大胆的设想。他,认为在晾变过程中,原子核除了发射出一个电子以外,可能还发射出一种我们很难察觉到的,还不认识的粒子。他根据衰变理论,认为这种未知的粒子具有奇妙的性质,就是它不带电,显中性,质量微小,不跟周围物质发生作用,它不愿意“显露”自己,所以人们无法观测到它们。

泡利的设想提出后不久,意大利物理学家费米把这种未知的粒子命名为“中微子”,意思是中性的小家伙。

这个假说提出以后,许多科学家就设法寻找这种粒子。寻找中微子是很不容易的,科学家们花了将近20年的时间,想了许多办法,在50年代总算找到了中微子。

在地球上找到了中微子,使天文学家联想到了太阳。人们认为太阳上时刻发生着由氢聚变为氦的核反应,那么一定会发射大量的中微子。

我们知道,现阶段太阳内部主要的核反应是4个氢原子核聚变合成1个氦原子核。经过一次聚变反应之后,质量损失了。损失的质量转化为能量,于是发出巨大的光和热。科学家认为,中微子就是这种反应中必然会产生的一个副产品。天文学家根据理论,可以算出太阳内部每秒钟产生2000亿亿亿亿亿个中微子。这是一个多么巨大的数字啊!

这么大量的太阳中微子穿透太阳大气和太阳到地球之间的空间,来到地球上,铺天盖地地洒向人间。据估计,来到每指甲盖大小的地面上的中微子有几百亿个。

为了寻找来到人间的太阳中微子,科学家想了许多办法。直到1968年,美国科学家戴维斯等人在美国南达科达州的一个深1500米的金矿里做了一次实验,才找到太阳中微子。戴维斯等人在金矿里放了一个很大的钢箱,里面装了38万公升的四氯化二碳溶液,用四氯化二碳来诱捕中微子。当太阳中微子穿过钢箱的时候,就会使一个原子量为37的氯原子在一个中微子的打击下变成一个同样原子量的氩原子,并且放出一个电子。氩是一种不稳定的放射性元素,它会不断地衰变。用计数器可以测出核反应以后产生了多少氩原子,这样可以反算出中微子的数量。

捕获中微子的办法总算找到了,可是实验的结果却使科学家大吃一惊,引起了一场争论。实际找到的中微子数量远远少于估计能抓到的数量。本来预计用这个方法每天能捕获一个中微子,实际上5天也捉不到1个。在反复研究测量技术之后,科学家断定确实有大量的中微子失踪了。

大量的中微子哪儿去了呢?经过反复检查,有些科学家认为,中微子失踪既然不是因为计量的方法和仪器的误差造成的,那么可能是现有的一些理论有漏洞,应当对一些理论加以检查。

科学家对现有的一些理论的来龙去脉进行了详细检查,发现这些理论确实值得怀疑。

有人认为目前人们对太阳的结构和物质状态的认识,并不是无懈可击。目前人们对太阳内部的一些认识,主要是利用外部太阳大气的一些数据,用理论方法计算出来的。如果修正—下人们原有的认识,修改一下标准太阳模型;如果假定太阳内部的重元素比我们原来想象的少一些,太阳内部有一个数值达10万万高斯的强磁场,太阳内部的自转比外部快得多,那么算出来的太阳内部的温度要比原来计算的偏低一些,这样计算出来的太阳中微子的理论值就大大减少,跟观测值相近。甚至有人认为原先的太阳产生能量的理论完全不对,太阳内部进行着另一种方式的核反应,那种新的核反应所产生的中微子并不多。

还有一些人认为中微子失踪的原因是太阳能量的产生时而剧烈,时而平静。中微子从太阳到地球只要几分钟,它告诉我们的是几分钟前太阳内部的情况;而太阳辐射能量是经过几千万年从太阳内部传到表面的,所以太阳辐射告诉我们的是几千万年前太阳内部的情况。他们认为目前太阳能量的产生正处在平静阶段,太阳中微子并不多。可是我们关于中微子数量的计算,是根据几千万年前从太阳内部出来到达太阳外部的情况来计算的,而几千万年前正当太阳能量的产生处于剧烈时期。这样算出来的中微子数量当然跟目前产生的数量大不一样了。

另一些人却怀疑人们对中微子的一些现有的认识。他们认为,中微子并不是人们所想象的不跟其他物质打交道。它从太阳中心出来,穿过太阳大气,经过日地空间的时候,可能发生了衰变,变成其他粒子,因而我们找不到它。

上面3种看法对天文学家和原子物理学家都是一个挑。战。要么让天文学家去思考,怎样修改标准的太阳理论模型;要么让原子物理学家去思考,检查一下核反应理论有没有差错。现在人们还不能轻易地下结论;不能肯定谁是谁非。因而太阳中微子失踪一案,在科学上还是个谜。

科学上矛盾的发现往往是科学发展的起点。科学上的难点促使人们去思考,去探索,应当说是一件大好事。太阳中微子之谜一旦被人们揭开,人们就会抛弃一些陈旧的观点,引导出崭新的理论。

太阳不过是一颗平凡的恒星,天上千千万万颗恒星都是中微子发射源。一些超新星以及演化到晚期的恒星也都是强大的中微子发射源。而中微子是人们研究天体结构、能量平衡、演化途径的必不可少的助手,因而解开太阳中微子之谜具有十分广泛的意义。虽然要解开太阳中微子失踪之谜还需要一段时间,需要付出辛勤的劳动,但是人们仍然十分重视它。目前,已经形成天文学的一个新分支——中微子天文学。我们相信,中微子天文学今后将获得丰富的成果。