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1光年厚的铅板都不一定挡得住中微子,中微子为何穿透力那么强?

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你好科普 2021-09-25 07:15

宇宙通常被认为是时间、空间和物质全部的总称,还包含了各种各样复杂的能量以及影响这些能量和物质的物理上的定律。

现在的很多人都认为宇宙是来自于一场大爆炸,大概发生在137亿年左右的样子,经过了漫长的时间才演变成了如今复杂而璀璨的宇宙空间。

宇宙到底有多大,人类目前并没有一个较为准确的说法,根据当前的科学水平来说,人类可以测量到的宇宙的直径大约为930亿光年1光年指的就是光在真空的环境下沿着直线行走一年的距离单位。

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可观测宇宙

因为无法看到可观测边界之外的空间,人类也无法知道宇宙到底是有限的,还是无穷无尽的。有些科学家估测,若是宇宙有边界,那么大小一定是在我们已经观测到的范围的250倍以上,大概是超过23万亿光年的直径。

可以想象,宇宙的大小可谓是无穷无尽,哪怕人类研究出了光年移速的宇宙飞船,想要试图跨越宇宙,也要上千亿年,足够人类从碳基生物进化成另外一种生物了。

甚至是对于宇宙本身而言,人类不管有多努力,也不过相当于身体上的一只无法引起注意的微生物罢了。

宇宙银河系甚至看不到地球

中微子的发现‍

通过对宇宙长达几十年的观察和研究,天文学家们得出了宇宙中只有5%的普通物质,其他则分别是68%的驱动宇宙运动的暗能量,以及26.8%的如同胶水一样粘合所有物质的暗物质,而除了普通物质,这些对宇宙有着重要作用的暗物质和暗能量都无法被人类监测到。

同时宇宙中的物质大多是由粒子构成,而其中数量最多的粒子,当属中微子,并且中微子还在宇宙的起源和演化中起着非常重要的作用。

然而中微子虽然充斥着宇宙,但因为与其他物质的相互作用尤其弱,也很难被科学家们探测到。

宇宙中的中微子

由于19世纪20年代人们研究放射性时,发现了物质在β衰变过程中,电子带走了一部分的能量,可科学家却始终无法发现这些失踪的能量去了什么地方。

1930年,一名物理学家泡利根据“能量守恒”的定律,提出了还存在未知粒子的假说,并在第二年将其命名为“中微子”,认为它是在原子核当中。

然而这些还只是一种假设,直到20多年以后,1956年,美国科学家们才在一次实验中成功观测到了中微子的存在。因为中微子的神秘和探测难度大,人们也将它叫做是“鬼微子”和宇宙“隐身人”

泡利提出中微子存在的假说

中微子是什么‍?

中微子是轻子的一种,也就是不参与强相互作用的费米子。它具有着非零的静质量,质量非常轻,甚至有的比电子的100万分之一还要小,并且非常小,不带电,自旋为1/2,运动速度能够接近光速。

然而中微子只参与非常微弱的弱相互作用,在100亿个中微子里,才会有那么一个比较积极的,能够“愿意”与其他物质发生反应。

也正是因为如此,尽管中微子除了宇宙大爆炸的残留,还产生在宇宙和地球的很多活动中,比如核裂变、核聚变、超新星爆发等过程,以及人类活动中的核反应堆发电等也会产生中微子,然而人们对中微子的了解是基础粒子中最少的,发现的时间也很晚。

中微子震荡图

通过现代对于中微子的研究,我们能够发现中微子有三种,即电子型中微子、μ型中微子和τ型中微子,并且还都有相同的中微子反粒子

1998年,当时的科学家们通过实验,证明了中微子能够变成另外一种中微子,不仅证明了振荡现象,还打破了当时人们以为的中微子几乎没有质量的认识,间接反映了中微子本身拥有着极其微小的质量,对粒子物理和天体物理等都有着非常重要的影响,中微子也远超粒子物理的范畴。

中微子的穿透力‍

中微子还有一个非常惊人的特点,即——穿透力。事实上,我们身处在地球之中,而中微子能够毫无阻碍地穿越地球,甚至每一秒,人类的体内就会穿过10万亿个中微子,然而我们根本无法感知到这个恐怖的被亿万个粒子穿越的事情。

中微子穿透地球

因为中微子很难与其他物质发生反应,如同雁过不留痕,哪怕肆无忌惮地穿行宇宙,也无法被人们所发现。就算是在宇宙中,假设一个中微子在宇宙行走1亿光年,也只会有一半的概率才会发生反应。

并且恒星核聚变产生的光子和中微子,光子也跑不过中微子,太阳系的光子从核心到达表面要经历14万年的漫长时间,遭到无数的阻拦,才能够磕磕碰碰地逃出太阳,中微子却不受任何的限制和约束,几秒的时间就能跑出来。这些都说明了中微子极强的穿透力。

中微子逃出太阳

这其实与宇宙中的四种基本作用力也有着很大的关系,即原子核层面的作用力核力,同样也被叫做是强力、弱力,以及在我们的生活中时常都会接触到的引力和电磁力

根据基本作用力的强度来比较,其中强力是最大的,引力则是最小的,粒子构成物质也就是依靠着这种作用力。人类通常是根据电磁力来观测粒子,但是中微子并不理会电磁力,并且受到引力的影响非常小,这也是为什么中微子的穿透力如此强大的原因之一。

因为从微观的角度来讲,构成物质的粒子与粒子之间其实有着非常大的空隙。比如一个原子,原子核的质量非常大,几乎是整个原子质量,但是原子核的大小却非常小。

原子核的组成

假设原子的直径经过放大能有地球那么大,原子核在其中就只是沧海一粟,相当于一栋高楼,电子就更小了,如同鸡蛋的大小。就算是把原子核外面的电子全部都放进这栋大楼中,加起来也仅仅只有20余米

中微子只会与物质发生弱相互作用力,但是这种作用距离过于短,而且仅仅存在于原子核里面的夸克上面,如果要发生反应,那么只有当中微子非常巧合地撞在原子核的夸克怀里的时候。

然而上面也说了,中微子和夸克本身也都非常小,假设中微子直径能有1毫米,那么夸克只有10厘米,但是原子核却比它们大了无数倍,是10000千米,可以想象,这个“巧合”到底有多么难以发生。

中微子与质子相互作用

这些都说明了在微观的世界里,我们人类眼中的一切物质,对于质量非常小的中微子来说,全都是遍布缝隙的“破筛子”,而且中微子因为本身并不带电,速度接近于光速,也很难发生相互作用,因此穿越地球和人类也不过简简单单,轻轻松松。

1光年厚的铅板‍

金属铅一般被人类认为是防辐射的材料。通常来说,是否能够防辐射需要考虑原子序数和物质密度两个条件。但是越大的原子序数不说它自己就有放射性,数量也很稀少,生成环境还很难,成本极高。

铅的原子序数就相对来说比较高,而且没有放射性的存在,同时密度为11.3克/立方厘米,比它密度高的一般都较为昂贵,不适合用来充当防辐射的物质。

铅元素

虽然铅的密度很大,1光年的铅板也有一定的厚度和引力,但是中微子在穿过大量铅原子构成的钢板时,缝隙依旧非常巨大,一个中微子只要没有傻愣愣地刚好撞上夸克,就可以一直不停,直到穿过这1光年的距离。

因此1光年厚的铅板不一定能够阻拦中微子,只有5光年的厚度,铅板才能有足够的力量阻挡中微子的运动。

中微子的相关研究‍

根据推算,每一秒的时间里,每一平方厘米的地表就会被600亿个中微子穿过。那么人类是否会受到中微子的影响呢?

数目众多的中微子

实际上人类基本随时都处在中微子的“汪洋大海”之中,每一分每一秒都被无数的中微子穿过,并且这并非是短时间的,而可能是从古至今,从宇宙诞生开始就开始发生的,就如同空气一样对于人类身体而言是极其普遍和常见的存在。因此,中微子对人类本身并没有什么影响。

但是如果人类能够抓住中微子,掌握利用中微子的方法和技术,则将对人类的科技发展产生巨大的推动促进。

比如在通信方面,目前我们经常使用到的电磁波由于只能直线传送,而地球是个球状星球,电磁波并不能穿过表面,甚至地表的一些建筑物和地形还会阻拦电磁波的路线,因此它只能通过卫星和地面站的连接,才能在远距离收到信息。

电磁波

而中微子能够肆无忌惮穿行地球,并且耗损非常小,在南美洲使用高能加速器产生中微子,接近光速的速度会在极快的时间内直接到达地球的另一边的北京。

美国科学家已经成功实现了中微子的通讯,并且无法被拦截和破解,如果对这个功能加以利用,就能节约非常大制造卫星和地面站的成本,将在未来高速发展的信息化时代占据至关重要的地位和巨大的优势。

科学们对于中微子的研究还有助于探清世界的真相,对揭示物质的诞生和反物质世界的消失具有着极大的作用。

中微子通讯

为了寻找宇宙的超高能中微子,科学家们还利用了中微子只参与弱相互作用的特点,建造了一个有着5万吨纯水超级中微子探测器,以便观察中微子。

我国在2008年也提出了中微子相关的实验,并且也希望找到一种全新的衰变,确定反中微子到底是不同的粒子,还是中微子本身。

如果想要完成这项实验,需要超高的难度,比如建设巨大的探测器和20000吨液体闪烁体。除此之外,还需要能够将光子转化为电子,再放大10的7次方倍的光电倍增管,这个设备在当时还需要从国外进口,价钱也非常昂贵,需要投入巨大的成本。

中国中微子实验装置

其实早在20世纪60年代的时候我们也曾经拥有过光电倍增管的工厂,只是在90年代被被市场淘汰了,我国经过了多年的研究,终于拥有了较低成本的光电倍增管,也将成功开始对中微子的研究。

结论

早在宇宙诞生之初,大爆发的发生就在第一时间产生出了大量的中微子,这些神秘的粒子比光子更能体现宇宙的起源、演化和整个世界的形成

事实证明,人类对于宇宙的了解和探索还远远不够。我们距离发现中微子过去了不到百年的时间,虽然有所进展,却依然还不够。

制造出接收中微子传输信息的探测器

科学家们也在不断地研究中微子,试图发现其中蕴藏的奥秘,破解宇宙的真相,在他们看来,研究中微子的本身要重要于它本身的利用价值和实用性。相信在不久的未来,我国必将掌握中微子的技术,实现经济和科技的又一个大飞跃。

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