你正坐著刷手機的這會,已經有超過300萬億個神秘粒子穿過了你的身體,它們來自我太陽的核心、遙遠的超新星爆發(fā),甚至可能是宇宙大爆炸的余暉。
這些粒子就是中微子,被科學家叫做“幽靈粒子”,它們能輕松穿過地球,卻幾乎不留下任何痕跡。
最近麻省理工學院的物理學家們提出了一個大膽想法:給這些捉摸不定的幽靈粒子“編個隊”,造一臺“中微子激光器”。
這個聽起來像科幻電影里的裝置,可能會讓人類第一次真正看清宇宙最深層的秘密。
在廣東江門一座山的地下700米深處,藏著個直徑35米的巨大有機玻璃球,里面裝著2萬噸特殊液體,周圍布滿了數(shù)萬個探測器。
這就是我國剛投入運行的江門中微子實驗裝置,專門用來捕捉那些“路過”地球的中微子。
為什么要費這么大勁往地下鉆?因為中微子實在太“害羞”了,每十萬億個來自太陽的中微子穿過地球,只有一個會和地球上的物質發(fā)生反應。
打個比方,如果想讓中微子有機會撞上一個原子核,就像在足球場上找一根特定的頭發(fā)絲,還得蒙著眼睛。
我們身體里每秒都有50萬億個中微子穿過,卻毫無感覺,這要是換成其他粒子,早把我們的身體打成篩子了。
這種超強的穿透能力,讓中微子成了宇宙的“沉默信使’它們攜帶了來自宇宙誕生、恒星演化的重要信息,卻不愿意輕易“開口”。
科學家對中微子的了解還很少,它們有質量卻輕到測不出具體數(shù)值,會在飛行中“變身”(物理上叫中微子振蕩),甚至可能和宇宙中神秘的暗物質有關。
這些問題不解決,我們就沒法真正理解宇宙的基本規(guī)律。
傳統(tǒng)激光器大家都不陌生,超市掃碼、手術臺上的激光刀都用它,原理很簡單:讓混亂的光子整齊列隊,形成一束方向一致、能量集中的光束,現(xiàn)在科學家想把這套思路用在中微子身上。
麻省理工和德克薩斯大學的研究團隊提出的設計方案,核心是銣-83原子,這是一種特殊的放射性原子,衰變時會自然產生中微子。
平時這些原子衰變毫無規(guī)律,中微子向四面八方亂飄,根本沒法集中研究。
科學家的妙招是給這些原子“降溫”,降到比星際空間還低的超低溫,讓它們進入一種神奇的狀態(tài),叫“玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)”。
在這種狀態(tài)下,原本各自為政的原子會變成“步調一致”的整體,就像上萬個人同時跳一支完美的舞蹈。
當銣-83原子在這種狀態(tài)下衰變時,產生的中微子就不再是雜亂無章的“散兵游勇”,而是形成一束方向固定、強度集中的中微子束。
就像給亂跑的幽靈們裝上了統(tǒng)一的導航系統(tǒng),這就是中微子激光器的核心原理。
這個過程技術難度極大,銣在常溫下是柔軟的金屬,熔點只有39℃,但要達到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),溫度得接近絕對零度(-273.15℃)。
在這種極端低溫下保持原子云的穩(wěn)定,本身就是對現(xiàn)有技術的巨大挑戰(zhàn)。
如果中微子激光器真能造出來,會發(fā)生什么?最直接的變化就是中微子探測效率的飛躍,現(xiàn)在的中微子實驗就像守株待兔,只能被動等待中微子“撞上來”。
有了定向中微子束,科學家就能主動“發(fā)射”并追蹤它們的軌跡。
這意味著我們能給地球做“CT掃描”,中微子能輕松穿透地殼,通過分析中微子束穿過地球時的細微變化,就能探測地下資源、預測地震,石油勘探、地質研究可能會迎來革命性突破。
在通信領域,中微子更是潛力巨大,2012年美國科學家就做過嘗試,用中微子束穿過780英尺厚的巖石傳輸信息,首次證明了中微子通信的可行性。
這種通信方式不怕電磁干擾,不怕核爆炸,就算發(fā)生世界大戰(zhàn),藏在地下的指揮部也能保持聯(lián)系。
未來給月球背面的探測器發(fā)信號,或者和深空探測器通信,中微子都是理想選擇。
對基礎科學研究來說,中微子激光器更是打開了新世界的大門,它能幫助科學家精確測量中微子質量,搞清楚它們在宇宙演化中扮演的角色。
天文學家最關心的暗物質問題,或許也能通過中微子研究找到突破口,有理論認為,暗物質和中微子之間可能存在我們還不知道的相互作用。
更讓人興奮的是,它可能解開“反物質消失之謎”按照宇宙大爆炸理論,應該產生等量的物質和反物質,它們相遇會湮滅成能量。
但我們的宇宙卻充滿了物質,反物質去哪了?中微子的特性或許藏著這個問題的答案。
“如果這能在實驗室中實現(xiàn),人們就可以開始思考,我們能否用它來制造中微子探測器?或者用它來進行新型通信?真正的樂趣才剛剛開始?!?/p>
麻省理工的物理學家約瑟夫?福馬喬的這句話,說出了所有科研人員的期待。
當然,這個設想還處于理論階段,從概念到現(xiàn)實,還有很長的路要走,光是讓足夠多的銣-83原子同時進入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),就是個極大的技術難題。
但科學的進步往往始于看似不可能的想法,一百年前,誰能想到人類能造出激光、能探測到引力波?
我國的江門中微子實驗已經開始運行,它要解決的中微子質量排序問題,正是理解中微子特性的關鍵一步,世界各地的中微子探測器也在不斷升級。
這些基礎研究積累到一定程度,或許就能讓中微子激光器從圖紙變成現(xiàn)實。
想想看,那些從宇宙誕生之初就存在的中微子,攜帶著138億年的宇宙記憶,一直在默默穿過我們的身體,如果人類真能造出控制它們的“激光器”,就像終于學會了和宇宙對話的語言。
到那時候,太陽核心的核聚變過程、超新星爆發(fā)的細節(jié)、黑洞附近的物理規(guī)律,甚至宇宙大爆炸的秘密,可能都將不再是謎團。
我們對物質世界的理解,對時間和空間的認知,都可能迎來顛覆性的突破。
科學的浪漫就在于此,面對浩瀚神秘的宇宙,人類從未停止過好奇和探索。
也許再過幾十年,當孩子們在課堂上學習中微子通信技術時,會想起今天這群敢想敢干的科學家,是如何給那些“幽靈粒子”戴上“韁繩”,讓宇宙的奧秘不再藏蹤匿影。
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