我们为何存在于宇宙，可能与TA有关

Original 村山齐科学大院 2022-07-13

对于“我们为何存在于宇宙”这一问题，如果我告诉大家“这一切可能与中微子有关”，大部分人可能会一头雾水，甚至有人会很惊讶，觉得我在胡说八道。

其实，随着对中微子研究的不断深入，我们发现它具有非常不可思议的性质，甚至可能与暗物质及宇宙暴胀存在密不可分的关系。我们能够在宇宙中诞生可能也是中微子的眷顾和馈赠。

大亚湾中微子探测实验装置（图片来源：环球科学）

首尾相接的“宇宙之蛇”

在进入正题之前，让我们先来思考一下宇宙的大小。我们在日常生活中使用的物品，例如笔记本、钢笔等文具，长度大概只有十几厘米，而我们的身高最多也只有几米。随着尺寸的不断扩大，车站、百货商店等建筑可高达数十米，东京塔、东京晴空塔等建筑则可高达数百米。像富士山和珠穆朗玛峰这样的高山海拔可高达数千米。此外，地球的直径约为 1.3 万千米，地球与太阳之间的距离约为1.5 亿千米，太阳与海王星之间的距离约为 45 亿千米。像这样，表示大小的数字在不断增大。

当然，宇宙更加辽阔。太阳系的外侧是浩瀚的银河系，银河系的外侧则遍布着以仙女座星系为代表的诸多星系，它们共同聚集构成了星系团。如果照此扩大观察的尺度，可以说宇宙是无边无际的。由于大爆炸产生的光能传播的最远距离大约为 10^27 米，因此我们尚不了解超出这个距离之外的情况。不过，我们已经把宇宙的可知范围扩大到了比笔记本和钢笔的尺度大 29 个数量级的程度。可以说这种尺度的宇宙是非常巨大的。

不过，随着对宇宙研究的不断深入，我们发现除了大的物体以外，微小的物质同样至关重要。如果把笔记本和钢笔的尺寸再继续缩小，就会进入原子、原子核、基本粒子的微观世界。虽然现在的宇宙大到让我们无法想象，但如果时光能够倒流，宇宙就会不可思议地不断缩小。另外，我们发现宇宙在刚诞生的时候，是非常微小且炽热的。因此，要想查明宇宙如何诞生、如何演变为现在的模样，我们还必须了解微小的世界。

为了真正理解无比巨大的宇宙，竟然得去研究微小的基本粒子世界，这真是太有趣了。我不禁想起了希腊神话中的衔尾蛇。这条蛇在吞食自己的尾巴时，躯体会呈现为圆环状，它仿佛象征着和谐的宇宙。如果将蛇头比作整个宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微观世界就可以像衔尾蛇吞食着自己的尾巴那样衔接在一起（图 1-1）。宇宙与基本粒子之间仍然存在很多未解之谜，世界上许多研究者都对此产生了浓厚的兴趣。

图1-1 衔尾蛇与和谐的宇宙（在希腊神话中出现的衔尾蛇会吞噬自己的尾巴。我认为我们的世界也是这样的结构，即宏大的宇宙与微小的基本粒子衔接在一起）

未知的“黑暗乐园”

宇宙究竟由什么构成，其实我们尚未完全了解。2003 年，由美国国家航空航天局（NASA）发射的观测卫星“威尔金森微波各向异性探测器”（WMAP）成功测得了宇宙的能量明细。听起来我们似乎已经搞清楚了宇宙的成分，然而事实并非如此。只要提起宇宙，我们就会想到璀璨的繁星和绚烂的星系，然而它们的总量仅占整个宇宙的0.5% 左右。此外，在本书后文中即将为大家介绍的中微子，在宇宙中所占的比例为 0.1% ～1.5%，也属于宇宙中的少数派，甚至连由构成我们身体的原子所构成的所有物质也仅占整个宇宙的 4.4% 左右。即使将以上所有物质都加在一起，其占比也仅为宇宙整体的 5%左右，远远达不到 100%。

世间万物都由原子构成，这是我们在学校学到的知识。但是，宇宙中的原子总量甚至不到宇宙整体的 5%，所以这句话其实是完全错误的。我真希望涉及这部分内容的教科书能够尽早得到修订。以前，我们一直认为物质是宇宙的全部，然而物质在宇宙中只是微不足道的少数派。

那么，其余的大部分是什么呢？对于人类来说目前这仍是未解之谜。WMAP 的观测结果显示，暗物质占宇宙能量总体的 22% 左右，暗能量则为 72% 左右。虽然物质与这两部分相加后，可以在比例上圆满地凑成 100%，但我们尚不了解暗物质和暗能量究竟是什么。我们只不过是给未知的神秘物质和能量起了临时的名字罢了（图 1-2）。

不过，暗物质这种不可思议的物质，与恒星及星系的诞生和演化等问题存在密不可分的关系，也与“我们为何存在于宇宙”之谜息息相关。中微子的“亲戚”被认为是暗物质的有力候选者之一。另一方面，暗能量则与宇宙的未来密切相关。虽然现在人类已经证实宇宙正在不断膨胀，但不久前我们还一直认为宇宙的膨胀速度是在逐渐减缓的。然而研究发现，宇宙的膨胀速度竟然在不断加快。我们认为这很有可能是暗能量造成的。

图1-2 宇宙的能量结构（正常物质约占宇宙整体的5%，宇宙的其余部分仍是未解之谜，图中比值均为近似值）

宇宙中充满了中微子

从宇宙的构成要素来看，中微子仅占宇宙整体能量的0.1% ～1.5%，它在整个宇宙中似乎没有什么存在感。但是，如果从其他角度来看结果会如何呢？前文从能量的角度分析了宇宙的构成，接下来就让我们从粒子数量的角度进行比较吧。

虽然暗物质的能量约占宇宙总能量的四分之一，但从粒子的数量来看，每立方厘米的空间中仅包含大约千万分之一个暗物质粒子。然而在相同大小的空间内，中微子的数量却多达 300 个。

如果要统计构成物质的粒子的数量，那么中微子就是宇宙中数量最多的粒子。构成我们身体的质子、中子和电子等粒子仅占中微子数量的十亿分之一。其实，宇宙中充满了中微子。每立方厘米的空间内包含 300 个中微子，这意味着在宇宙的任何角落都存在中微子。而且，太阳等恒星还会不断生成大量的中微子，每秒都有数百万亿个中微子穿过我们的身体。尽管如此，但我们却全然不知，这究竟是为什么呢？

图1-3 粒子的数量（与遍布于宇宙中的其他粒子相比，光子和中微子在数量上具有压倒性的优势）

其实，中微子是一种十分“腼腆”的粒子。我们要想发觉某个地方存在粒子，就需要粒子能对力产生反应。由于质子和中子能对引力产生反应，所以只要它们与其他粒子发生碰撞，我们就能注意到它们的存在。但是，中微子对引力和电磁力都不能产生反应，所以它可以肆无忌惮地穿过我们的身体而不被发觉。

那么，我们怎样才能获知中微子的存在呢？最简单的方法就是放置大量物质。即便是同一个车站的站台，在早高峰时段和白天的低峰时段也会呈现出不同的景象。早高峰时段车站内人山人海，我们常常会陷入内心焦急却寸步难行的窘境。有时人潮过于拥挤，即使很注意脚下也难免会撞到他人。

同样，假如在某处放置大量物质，应该偶尔会有一两个中微子 “啪”地撞上来。如果我们要尝试捕捉来自太阳的中微子，那么需要放置多少铅块才可以让中微子与其发生碰撞呢？计算显示，只有把铅块堆积至 3 光年左右的厚度，才能确保中微子与其发生一次碰撞。3 光年是指光以每秒 30 万千米的速度传播 3 年所经过的距离，几乎相当于太阳与离它最近的恒星之间的距离。地球上不存在数量如此庞大的铅，即使存在，人类也无法实现规模如此巨大的堆积作业。中微子如此腼腆，又罕见地不与其他物质发生反应，这种如同幽灵般的基本粒子让人无法知晓它的存在。

探索原子的世界

我们自身和周边的所有物质都是由原子构成的。通过对原子的深入研究，我们发现原子由位于原子中心的原子核和围绕原子核转动的电子构成。因此，经常有人用太阳系的结构类比原子的结构。

人类从19 世纪90 年代后期开始逐渐了解原子的内部结构。1897 年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森发现，当向几乎处于真空状态的、类似于荧光灯的玻璃管两端施加高电压时，由此产生的阴极射线其实是一种微小的粒子。他将这种粒子命名为电子。

除了阴极射线这样的放电现象之外，人类还陆续发现了高温物体放电和光电效应（光照射到金属上释放出电子）等现象，从而认识到在原子内部还存在电子。电子是带负电的微小粒子。由于原子基本都呈现电中性，因此我们推断原子内部一定存在某种带正电的物质。关于原子的内部结构，研究者提出了以下两种假说。

第一种是葡萄干蛋糕模型。该假说认为电子就像葡萄干一样被揉进了原子这块蛋糕里，并均匀地散落其中。第二种是太阳系模型。该假说认为电子如同太阳系的行星一般围绕着带正电的原子核转动。这两种模型产生了极大的对立，直到1911 年才分出胜负。

英国物理学家欧内斯特·卢瑟福在利用α 射线轰击金箔时，发现大部分α 粒子会径直穿过金箔，偶尔会有少数α 粒子像被反弹一样发生很大角度的偏转。α 射线其实就是氦原子核，所以它比电子重，并且带正电。通过卢瑟福的实验我们可以推断，虽然原子内部几乎空无一物，但在其正中心存在一个类似于芯的原子核，即太阳系模型是正确的（图1-4）。

此外，1919 年卢瑟福利用α 射线轰击氮气，成功实现了氮原子向氧原子的转变，并由此发现了带正电的新粒子——质子。这一发现也表明，原子核中带正电的物质为质子。

图1-4 太阳系模型（当用α射线轰击金箔时，大部分α粒子会径直穿过金箔，只有少数α粒子被弹回。由实验结果可知，原子正中心存在一个原子核，并且电子围绕着原子核转动）

消失的能量

在原子模型实验稍早之前的1896 年，法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔首次发现了放射性现象。1898 年，卢瑟福通过实验发现射线共有三种类型，并将其分别命名为α 射线、β射线和γ 射线。经过更深入的研究，他发现β 射线实际上就是电子束。

然而，β 射线的进一步研究带来了新的问题，即与释放β 射线之前相比，释放β 射线后总能量竟然变少了。我们在学校学过物理学中最基本的法则——能量守恒定律，该定律认为反应前的所有能量之和与反应后的总能量是相等的。

但是，释放β 射线的β 衰变却违背了能量守恒定律，β 衰变后的总能量减少，一部分能量不知所终。当时的物理学家对此也感到十分疑惑，谁也不知道为什么会发生这样的现象。就连奠定了量子力学基础的著名物理学家尼尔斯·玻尔也曾这样说：“原子核太微小了，那个层级的世界可能超出了我们的想象。或许在那个世界里能量并不是守恒的。”

泡利的预言

在这种悬而未决的状况下，仅有一人对此持有不同观点，他就是沃尔夫冈· 泡利。泡利提出了一种假说，认为在β 衰变的过程中，虽然总能量看上去确实变少了，但这只是表面现象，能量肯定是守恒的，减少的能量一定以其他形式遵循了能量守恒定律。

泡利在此表达的意思，其实是说可能存在一种不可见的粒子。虽然释放β 射线前后能量看似不守恒，但其实是在该过程中产生的某种看不见的粒子带走了部分能量，所以会造成一种总能量减少了的错觉。

今天，我们认为泡利的假说具有划时代的意义，然而在当时，这一假说简直就是打破常规和禁忌的“疯言疯语”。不过，通过假设存在一种全新粒子来解释这种不可思议的现象，也许真的行得通。但是，如果没有足够的依据，这样的假说是不会得到普遍认可的。在当时，大家也的确没有对泡利的假说给予积极的评价。

泡利本人似乎也预料到自己的假说会遭受抨击，于是申辩道：“其实，构想新粒子是一种迫不得已的解释。”虽说提出“不可见粒子”的构想也无妨，但泡利也许由此感到内疚和心虚了吧。据说，他还在发言中宣称：“我愿意以一箱香槟作赌注，打赌人类无论如何努力，也无法在实验中捕捉到这种粒子。”（图1-5）

图1-5 泡利的赌注（泡利虽然预言到了中微子的存在，但他相信人类无法发现这种粒子，并为此赌上了一箱香槟）

在确立这一假说时，泡利为这种不可见的粒子起了名字。由于他预想到该粒子呈电中性，所以称其为“中子”。但是，在泡利提出这一假说两年后的1932 年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现，除了质子以外，原子核中还存在另一种粒子。由于这种粒子也呈电中性，所以查德威克也将其命名为中子。当时并没有商标注册之说，因此，虽然“中子”这一名称最早是由泡利提出的，但却被实际发现了新粒子的查德威克占用了。

大家可能会认为，尚未发现的粒子即使没有名字也没什么关系吧。然而，有一个人却因此感到十分苦恼，他就是为这个不可见新粒子理论而绞尽脑汁的意大利物理学家恩利克·费米。

恩利克·费米想研究泡利预言的粒子并撰写论文，但该粒子却意外地失去了名字，这让他束手无策。于是，他决定给这种粒子起一个新名字。经过一番思考后，他想出了“中微子”（neutrino）一词。“中子”在英语中写作“neutron”。费米在该单词之后加上词尾ino（在意大利语中意为“小不点”），就变成了“中微子”（neutrino）。大家可能知道，意大利人把婴儿称为“bambino”。“中微子”（neutrino）这个名字的意思是像中子那样“呈电中性且极其微小的粒子”。日语中曾将其译为“中性微子”，不过现在直接称其为neutrino（用片假名ニュートリノ表示）。

核电站中的“幽灵”

虽然泡利预言的不可见粒子圆满地得到了“中微子”这个名字，但是寻找该粒子的工作异常艰辛。难怪当时连泡利自己都认为，无论做多少实验都可能无法发现这种粒子。毕竟中微子是非常腼腆的粒子，所以捕捉这种粒子的难度非常大。

但是，实验物理学家是非常了不起的，美国的弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科温通过不懈努力，在实验中成功发现了中微子（图1-6）。

图1-6 中微子的发现者莱因斯（左）与科温（右）

首先，他们二人思考了如何才能捕捉到中微子。由于中微子的预言源自β 衰变，他们想到或许可以在核试验基地附近开展实验。但是，经过商讨后他们认为那里过于危险，最终决定换成在核电站附近进行实验。

我曾多次提到，中微子是一种几乎可以穿透任何物质的幽灵般的粒子。因此，莱因斯和科温为用来探寻中微子的实验设备起了“鬼驱人”（Poltergeist）这个名字。虽然不确定这个名字起得是否妥当，但他们的确在1954 年首次发现了中微子存在的证据。

发现中微子后，莱因斯和科温立即兴奋地给泡利发去电报：“我们捕获中微子啦！”据说泡利得知消息后也兑现了自己的承诺，真的送给他们一张能购买一箱香槟的支票。从泡利发表中微子的假说，到实际发现该粒子，这期间历经了24 年的漫长岁月。

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我们以及我们的物质世界，为何能存在于宇宙？物质与反物质成对湮灭，应当使得宇宙中空无一物。但一部分反物质却神秘消失，物质世界因而得以幸存。这背后的神秘“力量”究竟是什么?

本书围绕“我们为何存在于宇宙”这一问题，从可感的物质世界出发，层层深入至微观粒子世界，结合基本粒子标准模型的体系，一路探索至中微子与反物质及物质世界间的隐秘关系。本书不止沉潜于对前沿研究的讲解，更是一部激荡人心的自然解谜佳作，能够让读者体会到自然探索中的感动与沉醉。