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1 # 小宇堂
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2 # 刁博
中微子是一種不帶電的質量極小的基本粒子。最早的時候科學家們發現一些核反應過程中會有能量損失,這個問題困惑了很多傑出的科學家,包括量子力學的領軍人物玻爾一度認為微觀過程中能量守恆定律不成立。解決了能量丟失問題的是泡利,他在1930年提出那些核反應過程中釋放出一種不帶電、也沒有質量的微小粒子,正是那種粒子偷走了能量。由於它是中性的微小粒子,故名中微子。
過了二十多年,泡利預言的中微子被發現了,1995年發現中微子的萊茵斯獲得了諾貝爾物理學獎。三種中微子的振盪也陸續被發現,中微子有振盪就意味著它的靜止質量不為零,它的傳播速度也僅僅是比光速小那麼一點點。
中微子無處不在並且穿透能力極強,每秒中會有上萬億個中微子穿過你的身體,即使穿過地球的時候它幾乎也是暢通無阻。中微子的這個特點使得它很難被發現,要發現它需要有能夠釋放出大量中微子的源頭,大量的中微子穿過人類佈置的天羅地網時或許會有幾個會被捕獲,這樣的幾個被捕獲的中微子已經制造了數次諾貝爾物理學獎。即使在今天粒子物理學“盛宴已過”的情況下,對中微子的研究依然是物理學最基本的問題之一,並且還會繼續製造諾貝爾獎。
研究中微子會給人類的生活帶來什麼變化嗎?對基礎科學的研究很難預測未來會有什麼應用價值,中微子能夠給人類帶來什麼應用,有一個很好的設想,那就是利用中微子進行通訊。
無線電通訊已經非常普及,不過它也有一些不足。無線電訊號不容易穿過建築物、高山、大地、水面等,為了實現更大範圍的訊號覆蓋往往需要在高處建造高大的訊號塔、在天上佈置衛星通訊網。在深海處的潛艇要想和外界進行聯絡非常困難,若是用中微子進行通訊就不會存在訊號穿不過海洋的情況。如果有一天人類能夠進行更遠距離的星際旅行,用中微子進行通訊就不用擔心訊號被星際物質阻擋。
設想是美好的,不過利用中微子進行通訊會面臨一個巨大的問題,就是它太難檢測了,這會使得訊號傳遞的速度非常慢。2010年,美國的科學家利用中微子進行了一次穿透340米岩石的通訊試驗,結果僅僅是傳輸了中微子的英文詞neutrino就耗時2個多小時。雖然很慢但是意義重大,也許隨著技術的突破,利用中微子進行通訊會在一些領域得到真正的應用。
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只要中微子能夠探測,那麼中微子通訊就是可行的。
期待更靈敏和小型化的中微子探測裝置雖然現在對中微子的探測還異常困難,例如需要巨大的地下水池,等待中微子碰巧與某些原子發生機率極低的作用產生切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。
(上圖:中微子探測要求探測器遮蔽宇宙射線干擾,所以必須以無輻射的輻射遮蔽材質建設在地底,此外要求探測器內足夠透明和足夠黑暗,且探測裝置足夠靈敏,才能在中微子產生的極微弱的切倫科夫輻射光線時探測到,所以這個裝置達到能夠在裡面划船)
(實際上有這麼大)
這種困難源於人類在材料和探測原理方面研究的困境。或許我們還沒有找到一種能夠輕易中微子發生作用的物質或者相關原理。但是科技是在不斷向前推進的,我們有理由相信,有朝一日能夠找到這麼一種裝置,能夠靈敏的探測中微子。
在中微子上承載資訊在探測基礎之上,科學家們可以開始研究如何調製中微子資訊,例如利用中微子脈衝來傳輸經典資訊,或者透過中微子的自旋來傳遞量子態資訊。這些都是可能的,而且這二者都有傳統領域的豐富經驗。
但或許中微子的其他特性可以支援與眾不同的調製方式,例如中微子振盪——
中微子振盪(Neutrino oscillation)是一個量子力學現象,是指中微子在傳播過程中它的“味”屬性(如電子中微子、μ子中微子、τ子中微子,這三者質量和能量不同)可相互轉化,且具有周期性。中微子振盪具有周期性,這就給調製資訊帶來了想象空間,將資訊承載到中微子振盪的週期的相位之上,透過測量三種中微子的比例即可獲取相位資訊,並定義相關相位的資訊內涵。(這純屬於個人胡思亂想……)
中微子通訊的難點製備和接受裝置太大——以目前的探測原理,接受裝置必須足夠大,因為中微子透過弱作用與原子核發生互動的機率實在太小(要知道原子核只佔原子內部空間的很小的體積,就像一個射擊靶標,十環的那個中心如果比頭髮絲的直徑還小,而子彈還比這個十環的直徑還小若干倍,那再好的槍手也擊不中啊);此外製備中微子,目前只能靠衰變(或裂變)反應,除非是自然衰變,人工可控裂變目前還很難精確實現(想想福島那三個不爭氣的反應堆)。
中微子干擾問題——因為宇宙中充滿了因恆星內部核聚變產生的中微子(包括地球內部的天然核裂變,還有像木星這種巨型氣體行星內部的微弱核聚變都會產生大量中微子),所以任何敏感的中微子探測儀器應該都會探測到這些中微子,導致真正的訊號被淹沒在這些中微子的背景之中,所以必須找到某種區別人造中微子和天然中微子的噪音消除技術。
調製方式的困難——如果以中微子脈衝的方式來調製資訊,那麼需要根據需要來中斷中微子流,但中微子不像光子那樣用一個遮光板就可以擋住,中微子的發射需要有一種精確地高頻率控制機制才能夠允許序列化的脈衝資訊能夠產生,目前這種機制還沒有任何原理建立起來。
中微子通訊的發展前景中微子通訊一旦實現,那種應用場景的想象空間之大。到時候人類的中微子通訊裝置的朝向不再是需要朝向天空,而很有可能是朝向地下。傳送方和接收方之間的資訊是通過了地心以接近光速的速度到達,如此無需衛星、中繼站點的中繼(地球對於中微子來說幾乎就相當於是空的,只有少量的損耗),而且未來利用中微子向飛越太陽系的航天器收發資訊就不用太擔心星際物質包括各種行星、衛星和小行星的遮擋了……