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耗费半个世纪,只为证实太阳真的是在核聚变!

2019-05-17来源:邢台大邢网

对于“太阳是如何发光”的问题,我们在前几天的文章中已经做过介绍。知道了太阳核聚变最早是由亚瑟.爱丁顿提出,经过汉斯.贝特完善,从理论上解释了太阳为何高寿以及内部的工作原理。

但。。还是感觉缺点什么?没错,就是直接证据。

虽然“太阳进行的是核聚变”这一点几乎已经是板上钉钉的事实,但科学家仍希望能得到再确切一些的证据于是就把目光转向了太阳内部产生的那超巨量的中微子。

耗费半个世纪,只为证实太阳真的是在核聚变!

在第一篇科普长文中,我们提到过太阳内部的核聚变反应会释放出中微子和光子,并且还以“宇宙的隐形人”、“性格孤僻”等词汇描述这个中微子;对于光子,描述则恰恰相反,称呼它为“社交达人”。而之所以采用这些比喻,那是它们能参与的相互作用种类决定的,光子参与电磁相互作用,而中微子则参与弱相互作用(两者都参与引力相互作用)。

导致光子从内部出发,直到最后抵达太阳表面需要极其漫长的时间(数万乃至十几万年);但中微子就不同了,它以略低于光速的速度耗时两秒多些,直接穿越大约70万公里半径的太阳,最后再经过数分钟就能抵达地球。可以说中微子是比较“新鲜”的,并且从某些方面来说,中微子还能提供给我们有关太阳的第一手资料。(为了切合文章主题,有关“中微子的提出”过程中所发生的“有趣”故事,就不再赘述,以后有时间会单独再写一篇)

那么问题来了,既然我们现在想要去捕捉中微子以证实太阳核聚变的事实。首先得知道这个中微子的数量有多少?

这个问题并不困难,理论上的估算,太阳每秒能产出将近两百 万亿亿亿亿个中微子,也就是10的38次方,这是一个相当恐怖的数字,以至于这些中微子传播开来,即便是辐射到半径1.5亿公里的球壳上,每个平方厘米的面积上的通量仍旧高达600多亿个,换算成一个成年人的一侧面积(体型适中,0.4*1.7米),相当于每秒有400多万亿个中微子将你穿透!

(但前文也说过了,中微子极难与物质发生作用,因此也不必担心中微子会不会哪天把咱小命带走)

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中微子穿过地球

既然已经确定了中微子数量非常庞大,那么问题又来了,怎么去捕获呢?在中微子面前,即便是地球这样的庞然大物,也会被直接穿过,能阻拦的概率小之又小(甚至让地球直径增长至一光年,中微子也不带正眼瞧一下的)。

没办法,因为中微子只青睐弱相互作用(地球或者太阳的引力因素可忽略),那么捕获它也只能靠弱相互作用了。还好它只是极难与物质发生作用,也就是说,还是有概率能捕获的。就像你去买彩票,一次中奖的概率不高,那就多试几次呗,或者把亲朋好友叫过,人越多越好,大家一起买,那中奖概率就会高些了呀。于是科学家们就着手去找能够让中微子通过弱相互作用留下踪迹的,且能够大量被使用的物质。

很快,科学家就先盯上了氯的同位素氯37,因为一旦中微子与它亲密接触,就会诞生氩37,于是咱们就能通过检测手段,在事先放满氯元素的装置内发现氩元素,那不就表明有中微子反应了么。(内部反应就是中微子与氯37原子内的中子结合,生成质子和电子,导致氯37变成氩37)

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既然原理找到了,下一步就是着手实验了。

于是在上世纪50年代,由美国物理学家雷蒙德·戴维斯(1914—2006)第一个开始了实验,但最终的结果却是喜忧参半,喜的是:真的检测到了氩元素(意味着有中微子撞上去了),忧的是:数量太少了,连理论值的一半都不到。

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雷蒙德·戴维斯

这到底是怎么回事呢?我们再去看看其他科学家做的相关实验,结果会不会好些呢?然而情况并没有出现太好的改变,一直到上世纪90年代(也就是说差不多过去四十年了),各地的实验结果都离理论值差了一大截。那么问题就来了,那部分消失的中微子到底去哪了?这就是著名的“太阳中微子丢失之谜”

虽然各地的实验都能证明太阳发出了中微子,但几十年过去了,实验数据依然和理论对不上头,那就让人着急了,甚至太阳内部核聚变进行的方式、位置等原先就定下的理论基础都即将面临大刀阔斧的修正。

但最终科学家还是找到了问题所在。在不断的猜测推翻,再猜测再推翻之后,终于将矛头对准了中微子本身,认为中微子会不会在飞行途中发生了种类转换(这个现象被称为“中微子振荡”),以至于让先前探测电子中微子为目标的实验均以失败告终。(中微子分三种:电子中微子、缪子中微子、陶子中微子)

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中微子三兄弟

如果能证明确实是中微子发生了种类的转换,那就或许就能解释之前实验中出现的尴尬局面了。而且一旦证实了这点,那么原先描述太阳的理论也不必进行大的改正,可谓是一举两得。

那么该如何对中微子进行改动呢?科学家在理论上找到了突破口,想要发生中微子振荡,就必须让中微子具备质量,而在此之前科学家们一直以来都是将中微子当做无静止质量对待的(这点和光子一样)。

于是科学家们开始寻找中微子振荡存在的证据,而这一重要成果,在1998年被日本的超级神岡探测器首次证实

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超级神岡探测器

(这里还要补充一点:这个探测器的原理和之前所讲的利用元素转变来捕获中微子的原理大不相同。它内部装的不是什么特殊溶液,就是高纯度的水,原理是利用中微子与电子发生碰撞,随后电子的速度被增加,而有些电子增能后的速度甚至会超过水中的光速,说到这,可能很多朋友就知道下一句是什么了,没错,就是切伦科夫辐射,一种会发出美丽蓝光的现象,于是这个探测器就通过对切伦科夫辐射的检测来判断中微子的捕获。)

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环形核心反应堆发生的切伦科夫辐射

并且这种方式的捕获,获取的信息要比元素转变法得到的多,比如它能知道捕获时间、位置、甚至是方向(这就更能证明是中微子是从太阳发射过来的了)。

不过神岡探测器所证实的中微子振荡有一个遗憾,因为它证明的不是太阳的中微子,而是宇宙空间别处飞来的。

那么最终解决太阳中微子丢失之谜的大奖到底花落谁家了呢?

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萨德伯里中微子观测台

这个幸运儿就是加拿大萨德伯里中微子观测台,它在神岡探测器的基础上进行了升级,内部采用了“重水”,仅仅是换了个“水”,但是收效却完全不一样了,它不但能检测三种中微子,还能对电子中微子进行特殊“照顾”,最后的结果就是实验数据既满足了理论值,又验证了中微子振荡,这一成果于2001年宣布。

最后2015年的诺贝尔物理学奖就被日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·麦克唐纳共享了。

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梶田隆章、阿瑟·麦克唐纳

从上世纪50年代直到2001年,前后花费了半个世纪的时间。太阳中微子丢失之谜终于被解决,“太阳内部发生的是核聚变”得到有力证实!

本篇文章的内容到此结束。

谢谢各位阅读!

以后还会不断更新精心准备的通俗科普长文

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