什么是幽灵粒子
什么是幽灵粒子？它的作用有多大？随着对未知世界探测领域的拓宽和技术的不断进步，人们不但对宏观宇宙的形成和发展规律方面的认知日新月异，而且对微观层面的物质组成及相互作用的规律也日渐深入。而在微观领域中，中微子的发现可谓一波三折，因为其难以观测性以及随之引发的物理特性，使科学们差点放弃了之前所有的理论基础，这一无比神秘的微观粒子也被人们形象地称之为“幽灵粒子”。中微子到底是什么？中微子可以说无时无刻地不存在我们的周围，它是宇宙大爆炸之后释放出来的最基本的微观粒子之一，在后来的研究中，科学家们发现，无论是恒星内部核聚变、超新星爆炸、放射性元素衰变、等离子体加速器中，都有它们的身影。我们每一立方厘米的身体中，平均就有每秒上百亿个中微子穿过，而我们一点感觉都没有，它们来无影去无踪，就像幽灵一般鬼魅，给它冠以“幽灵粒子”真是名副其实。从现代对微观粒子的研究结果来看，中微子属于轻子的一种，是宇宙中最基本的微观粒子。我们知道，原子是由中心的原子核以及核外电子构成的，而原子核包括质子和中子，这里面并没有含有中微子。实际上，只有当原子核的结构被打破，更观的粒子重新组合之后才会伴随着中微子的产生。中微子和中子仅有一字之差，表明它们既有联系又有区别。其相同之处在于都不带电、具有1/2自旋特征，而且由于它们具有的强自由性，使得在一个体系的量子态上，都仅有一个这样的粒子存在，因此中子和中微子都属于费米子。而它们之间的区别在于中子属于强子，不是基本粒子成员，有相应的静止质量；而中微子属于轻子，不参与强相互作用，可能存在静止质量（目前科学界还没有定论）。中微子到底是怎么发现的？在微观物理关于基本粒子体系还没有建立起来之前，科学界并没有认识到中微子的存在。在爱因斯坦提出质量守恒定律之后，关于物质发生物理或者化学变化，性质发生改变之后，科学界认同的是在一个封闭系统中，物质变化之后的质量总和和变化之前的数值相等。后来，随着人们研究尺度的进一步深入和细化，特别是在发现具有放射性物质之后，随着核裂变的进行，组成物质的质量总量会随着反应的进行而发生亏损，同时释放相应能量，这种质量的亏损和能量的释放，就不能完全用质量守恒定律来解释了。于是爱因斯坦据此提出质能守恒定律，将物体的质量作为能量的一种表达，将质量和能量进行了统一，并且提出了质量和能量的对应关系，即E＝mc^2，从而解释通了放射性物质通过核裂变，所引发的质量亏损现象是由于能量的释放所造成的，于是铸造起了物体质量和能量的统一这个物理学最基本的基石。然而，当科学家们在随后的科研工作中，发现中子在衰变为质子和电子，即β衰变的过程中，通过精确测量反应后的能量总量，与反应前进行对比，仍然会有一定的能量亏损，在排除实验误差之后，这种现象仍然没有得到解决，似乎用之前的质能守恒定律不能完美解释这一问题，当时也无从知晓到底问题出在哪里，于是哥本哈根学派的鼻祖之一玻尔就此认为，在β衰变过程中，将不遵守能量守恒定律，被科学界奉为铁律的这一定律也面临着被的危险。随后，在上世纪30年代召开的国际核物理会议上，众多物理学界的顶尖学者就此问题展开了激烈讨论，有人与波尔的观点一致，认为质能守恒定律不正确，需要重新建立物理学界的基石。而其中也有人持不同观点，比如泡利，它认为在β衰变过程中，能量的亏损是由于中子在衰变过程中，在产生质子、电子的同时，还同时产生了一种更为微小的中性粒子，由于这种粒子的特殊性，并未被监测到，正是这种更小的中性粒子将其中的一小部分能量带走了，而爱因斯坦提出的能量守恒定律依然是正确的，带走的这部分能量即为通过实验计算出来的能量亏损数值。随后，费米根据泡利的观点，应用相对论量子力学的理论，通过狄拉克辐射的产生和湮灭等，推导出了费米子的寿命公式及其衰变的连续能谱公式，进一步阐述清楚了β衰变的过程和规律。按照费米的这个结论，科学家们逐渐意识到产生能量亏损的这种特殊微观粒子，总是在中子发生衰变之后，产生质子的同时，与电子同时出现。后来科学家们又用实验的方法，即应用K-俘获原子的反冲测量实验，测出了原子的反冲能，然后间接地证实了中微子的存在。中微子的神秘之处中微子不同于其它构成原子的基本组成，正是因为它的诸多神秘特性，造成了它的难以观测性，以至于在科学家发现原子的基本结构之后的很长时间才得以被间接地观测到。中微子的神秘特性主要表现在：一是它几乎不与任何物质产生反应。在宇宙中最本的四种力（引力、电磁力、强核力、弱核力）中，中微子除在β衰变过程中自然引发的弱作用力外，基本不参与其它三种力的作用过程。至于引力，由于中微子的静止质量到底是多少，科学界仍然没有统一明确的结论，所以因质量带来的引力作用也微乎其微，而电磁力和强核力中微子就根本不会参与其中，而这两种力，是我们日常生活中和微观粒子实验中最常见的力的作用，中微子不会与之产生相应反应，因此自由度非常高，而且极难被捕捉到。二是它的强大穿透性。这种特性基于其高度自由性，不参与可以被我们应用观测的方法可以探知的电磁力作用，无论是我们用肉眼还是监测仪器进行探测，其原理都可以归结到电磁力上。同时，中微子也不参与微观粒子之间强核力作用，不受任何强核力和电磁力的干扰，从而可以很轻松地穿过由原子和亚原子构成的宏观物体和微观环境。因此，中微子穿透我们的身体、地球、甚至更大质量的恒星都不在话下。三是质量的争议。按照物理学标准模型，一个粒子的质量可以通过希格斯机制进行推导，但是中微子只有1/2自旋，无法通过耦合的获取其质量，因此理论上其质量为0。但是，科学家们通过实验的探测到中微子会发生震荡现象，即从一个区域产生的电中微子，可以在另外一个区域转变为另外的μ中微子或τ中微子，而微观粒子的“震荡”是其具有静质量的衡量标准，至于这个质量的获得，势必应该是突破了现有微观粒子标准模型之外的其它神性机制造成的，目前科学家们对此正在进行着深入的研究和论证。四是接近光速。中微子不但体积微小、穿透力强、基本不参与其它力的作用之外，还具有超高的速度。而通过之前的中微子震荡实验，表明了它应该具有微小的质量，因此它的运动速度不会达到光速，但非常接近光速，这给人们对它的直接监测也带来了非常大的挑战。总结一下中微子是这个世界最难捉摸的基本粒子了，它的来去无踪、高度自由以及极强的穿透力，使科学家们对它极难加以直接观测。在被证实存在中微子震荡之后，关于其质量形成的深层次原理和机制的研究必将越来越深入，从而为将来人们更加全面地了解微观世界的运动规律，以及在此基础上掌握宏观宇宙的更多奥秘，提供更多的理论依据。
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