中微子是無處不在的，並且它的穿透力非常強，太陽、地球、宇宙大爆炸、甚至是人的身體，都是一箇中微子。科學家已經透過實驗觀察到了太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，為了發現第三種中微子振盪，解釋反物質世界的現象，我們執行了大亞灣中微子實驗。怎樣才能看到中微子？中微子和我們的實際生活有什麼關係？

以下內容為中國科學院高能物理研究所特聘青年研究員佔亮演講實錄：

神奇的中微子

中微子無處不在，非常神奇，被稱為宇宙的“隱形人”。中微子到底有多神奇呢？我們之所以能看到太陽，是因為太陽發射的光傳到我們的眼睛裡，所以我們看見了太陽。

但是你不知道的是，每秒有上億個中微子也穿過你的眼睛。

更為神奇的是，即使你把眼睛閉上，看不見光了，但是中微子依然會穿過你的眼睛。你根本無法阻擋中微子。

說到中微子，先從一位傳奇的物理學家說起，20世紀初最天才的物理學家之一，沃爾夫岡·泡利。

他非常有個性，別人提出一個理論，他認為有問題就會馬上批評。更奇怪的是，大家發現泡利的批評總是對的。

大概20歲的時候，泡利去聽大名鼎鼎的愛因斯坦的演講，在演講現場，他向愛因斯坦提出一些很尖銳的問題。據說愛因斯坦以後做演講的時候，都要先看看泡利在不在場。

這是1927年召開的索爾維學術會議上的照片，集合了世界上最聰明的大腦，共29人，其中有17人都是諾貝爾獎得主。泡利身處其中，他當時非常年輕，只有27歲。

泡利跟中微子有什麼關係呢？

能量守恆定律告訴我們，能量不能夠憑空產生，也不會無故消失。20世紀初，有一些科學家在研究原子核衰變的時候，發現能量少了一部分，是不是能量不守恆？

泡利提出一個非常大膽的假設，在原子核的衰變過程中，釋放出來一個我們看不見的粒子，這個粒子帶走了部分能量，這個粒子非常小，非常輕，並且不帶電，是中性的。

泡利把這個粒子叫中微子，他說正是由於中微子帶走一部分能量，所以我們看到的能量就是少了，如果把中微子的能量算進去，能量還是守恆的。

能量到底守不守恆，泡利的假設到底正不正確呢？

在之後的幾十年，很多科學家就去尋找中微子，驗證泡利的假設到底對不對。最後證明，泡利還是對的。

在尋找中微子的科學家當中，有一位中國科學家王淦昌，也是我國的兩彈元勳。

1941年，王淦昌就提出了間接探測中微子的方法。他當時是浙江大學的教授，也是我們熟知的諾貝爾獎得主李政道的老師。

他雖然提出這個方法，但是受當時的條件限制，就沒有做實驗。國外有一位科學家在1942年做了這個實驗，間接證明了中微子是存在的。

從科學實驗的角度來說，一個東西如果存在，就必須要能直接探測到，間接探測不是直接的證據。因此必須用探測器探測中微子的存在，人的眼睛是沒辦法看到中微子的。

怎樣才能看到中微子呢？

因為中微子的穿透力非常強，穿過人的身體時毫無知覺，那麼就需要非常強的中微子源，釋放出大量的中微子，雖然不能看到每一箇中微子，但是隻需要看到這麼多中微子中的幾個，就能證明它的存在。

很強的中微子源有哪些呢？原子彈就是很強的中微子源，有些科學家想利用原子彈爆炸來探測中微子，這確實太危險了。

一九五幾年的時候，人們造出了反應堆，它很安全，可以持續地釋放中微子。科學家萊因斯和科萬在反應堆旁邊造了一臺一噸重的探測器去探測中微子。

1956年，他們終於探測到了反應堆發出來的中微子，確認了中微子存在的訊號。他們把這個好訊息告訴了泡利。

只是這一等待長達26年，從1930年提出假說，到1956年才得到證實，泡利從當初年輕的小夥也變成老人了。

但是泡利還算是比較幸運了，萊因斯和科萬1956年做了實驗，1995年只有萊因斯獲得諾貝爾獎，不幸的是，科萬已經去世21年了。

我們現在知道中微子是無處不在的，每秒鐘就有數萬億個中微子穿過大家的身體。

其實中微子還有其他的一些源，比如太陽、地球、宇宙大爆炸、恆星大爆炸、大氣層、反應堆、加速器。甚至人的身體也是一箇中微子源。人的身體每秒鐘會釋放出大約3億個中微子，當然這跟人的體重有關。

中微子無處不在，為什麼我們看不見它呢？

因為中微子可以很輕易地穿過人體，雖然每秒鐘有上萬億個中微子穿過人體，但是很安全。不僅人如此，地球在中微子面前也是透明的，中微子能直接穿過地球。

發現中微子之後，科學家繼續研究，發現不止存在一種中微子，2000年的時候，科學家發現了第三種中微子，經過70年，三種中微子都被發現了。

中微子按照不同的標準，可以分成三類：按照質量大小分，可以分成中微子1、2、3；按照“味道”來分，可以分成e中微子，μ中微子，τ中微子。

這有點像給蘋果分類，按照顏色分，可以分為紅色、青色、黃色的蘋果；按照味道分，可以分為酸的、甜的、澀的蘋果。中微子與此類似。

中微子的探索之旅

科學家在探索中微子的過程中，發現一些很奇特的現象。戴維斯在一個深達1500米的礦井裡，尋找太陽發射過來的中微子。

他在1968年就看到了太陽中微子，但是令人疑惑不解的是，太陽中微子的數目不對，跟預測的相比，只剩下了1/3，有2/3的太陽中微子不知道去哪兒了，他就繼續找，一直做實驗，做了20多年的實驗。

這個現象一直困擾了科學家好幾十年。有一些科學家就提出來一種理論，中微子會發生振盪，是什麼意思呢？

前面說的三種中微子，一種中微子是太陽發出的電子中微子，傳播到地球的過程中，變成了另外兩種中微子。戴維斯的實驗只能看到電子中微子，所以電子中微子就少了。

以圖中的一群馬做例子，馬跑的過程中，一些馬變成了羊，一些馬變成了牛，這是很奇妙的現象。這個現象到底是不是真的，需要做實驗來驗證。

日本的超級神岡實驗和加拿大的SNO實驗，分別探測了大氣中微子振盪和太陽中微子振盪，實驗中觀察到電子中微子消失的現象，更重要的是還發現了另外兩種新的中微子產生。

如果把三種中微子全部加起來，發現個數正好不多不少，跟原來的一模一樣。實驗證實了中微子振盪現象，這一發現獲得了2015年的諾貝爾獎。

科學家透過實驗觀察到了太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，那麼會不會有第三種中微子振盪呢？

這涉及到了基礎物理學裡面的重要引數之一，是發現正反物質不對稱之謎的一把鑰匙。

根據大爆炸理論，宇宙最開始爆炸時就產生同樣多的正物質和反物質，每一個粒子都有與之對應的反粒子。

現在並沒有發現反物質世界的存在，會不會是沒找到，反物質世界在某一天突然出現，把宇宙給毀滅了呢？這是一個很奇妙的現象，尋找第三種中微子振盪就可以解釋這種現象。

當時世界上提出8個實驗方案去尋找第三種中微子振盪，透過競爭比較之後，最終只有3個實驗方案執行了，其中包括中國的大亞灣中微子實驗。

大亞灣中微子實驗在國際上是領先的，有自己得天獨厚的優勢，比如它位於廣東省深圳市大亞灣核電站附近，那裡還有嶺澳核電站，一共有6個反應堆，反應堆加起來的功率非常大，能夠釋放的中微子數目也非常多。

另外，它附近有一座山，可以把實驗室建到山的下面，挖一個隧道進去，在那裡做實驗很方便，開著車直接就進去了。

大亞灣實驗室也體現了我國科學家的水平，設計建造的探測器精度是國際上最高的。

因為大亞灣實驗室這一系列的優點，美國人也放棄了在他們自己國家做實驗的方案，帶著錢和人加入到大亞灣的實驗，和我們一起合作做實驗。

這是大亞灣實驗探測器的照片，照片中有幾個鋼桶，這些鋼桶就是中微子探測器，它們有幾十噸重，放在一個水池裡面。

為什麼要把探測器放在水裡面呢？中微子探測器對環境的要求非常高，不能有灰塵，不能和空氣直接接觸，所以只能放在水裡面。

這些水能夠阻擋比如牆壁、天花板釋放出來的、看不見的放射性射線，這些射線會干擾中微子的訊號。

大家可能很好奇，中微子探測器的內部是什麼樣的，這張照片有些魔幻，中間透明的部分是有機玻璃罐，這裡面放著一些會發光的液體，當中微子打到這些液體裡面，會發光，這些光會被附近燈泡狀的東西接收到，從而捕捉到中微子訊號。

大亞灣探測器建成的第一天做實驗，就探測到幾百個中微子訊號，跟幾十年前尋找中微子相比，大亞灣探測器要先進得多。

所以應該感謝我們國家的經濟水平、科學技術水平的進步，讓我們能夠建造更強大的探測器。

同時，我們也不應該忘記幾十年前那些尋找中微子的先驅們，正是他們邁出了科學的第一步，我們才能有後面的成果，所謂“不積跬步，無以至千里”。

大亞灣實驗室用55天獲得的實驗資料，就尋找到大批的中微子，並且確認了第三種中微子振盪的訊號，這是中國首次測得基礎物理學引數，也是中國對基礎物理學最大的貢獻。

這項成就在2016年獲得了基礎物理學突破獎，這個獎是科學界的“第一鉅獎”，被譽為科學界的“奧斯卡獎”。

大亞灣實驗發現了第三種中微子振盪，是不是所有問題都解決了呢？

並不是，中微子還有很多未解之謎，比如中微子是否為自己的反粒子？會不會被自己湮沒？中微子的質量順序，三種中微子的質量誰大誰小？

國際上有一些實驗方案試圖來解決這個問題，日本、美國的一些實驗室有先進的加速器技術，他們用加速器產生的中微子來研究其質量順序。

我們有大亞灣實驗室，在反應堆中微子實驗上積累了很多經驗，我們又提出了江門中微子實驗，來研究中微子的質量順序。

這次國際上沒有同類實驗跟我們競爭，其他反應堆中微子實驗科學家經過評價以後，認為我們的實驗更好，就帶著錢和人都參加到了我們的實驗裡面。

從圖中可以看到江門中微子實驗探測器的情況，右邊是一個直徑40米的大圓球，有十幾層樓那麼高，裡面裝有2萬噸的液閃，左邊是大亞灣探測器，從圖中對比來看，大亞灣探測器顯得很小，裡面只有40噸的液閃。

江門中微子實驗參加者中，有一半都是中國人，另外一半是外國人，合作單位非常多，國內外一共有77家研究單位。

江門中微子探測器目前還沒建成，右邊是一張模擬設計的照片，可以看到探測器裡面是一個非常大的圓球，裡面有很多燈泡狀的東西，就是光電倍增管，左邊是兩根光電倍增管的實物圖，這是核心器件，可以探測光，確認中微子的存在。

光電倍增管幾十年來只有日本濱松公司能夠製造，這家公司一直處於壟斷地位，我們做大亞灣實驗的時候，一個探測器要用192根光電倍增管，全部買的這家公司的產品。

我們現在做江門中微子探測器，裡面有將近2萬根光電倍增管，一根光電倍增管要幾萬元，如果全部買濱松公司的產品，大約要10億元，價格實在太高了。

江門中微子實驗裡面的一些科學家就與中國的企業合作，一起聯合攻關，研製光電倍增管。

經過無數次失敗，終於成功研製了這個產品，我國生產的光電倍增管已經進入了國際市場，產品甚至賣到了日本。

我們仍然買了少量濱松公司的光電倍增管，跟我們自己生產的光電倍增管，各有優勢，形成互補，但是這時候我們買他們的光電倍增管，跟之前相比就便宜很多了。

生活裡的中微子

我這裡講的都是科研中的中微子，它跟我們的實際生活有什麼關係呢？

這是一個很難回答的問題。實事求是地說，中微子現在跟我們的生活沒有太大的關係。

我之前講到科學家們開始研究核衰變的時候發現了中微子，他們當時研究核衰變也不知道在生活中該怎麼用，但是幾十年後，科學家利用核物理知識造出了原子彈、反應堆，給人們的生活帶來巨大改變。

現在我們研究中微子有什麼作用呢？可能十幾年、幾十年後會知道。這取決於我們對中微子研究的深入程度。

後面我講一些腦洞大開的想法，用中微子可以做什麼，但是這些想法也許行得通，也許行不通，到底能不能行，還是要看我們對中微子的知識瞭解有多少。

用中微子監測核反應堆。造原子彈需要的原料可以在反應堆裡製造。

如果世界上有一些國家或者恐怖分子偷偷造反應堆怎樣才能發現呢？如果他們在地面上造了一個反應堆，可以用衛星拍高畫質照片。

如果他們在山洞裡面偷偷地造原子彈，衛星也拍不到，怎麼辦？這時候中微子就可以發揮作用了。在中微子面前，地球相當於透明的。

不管你在地球哪一個角落造違規的反應堆，釋放的中微子都毫無保留地傳遞給我們的探測器。

中微子通訊。2012年，美國有一些科學家做了一個實驗，利用中微子穿過340米厚的岩石傳遞資訊。但是資訊量非常少，只有一個單詞neutrino，用了142分鐘，傳輸速度非常非常慢，但是這畢竟邁出了人類的第一步。

另外，中微子通訊可以解決常用手段無法解決的問題，比如中微子的穿透能力特別強，可以實現星際間的通訊。

如果有人能生活在地心的話，甚至可以實現從地表到地心的通訊。當然這種情形只能在科幻小說中出現，劉慈欣的科幻小說中，就描寫了這種情況。

還有海平面與海底的通訊，海底的潛艇可以透過中微子與海面進行通訊，因為海水無法阻擋中微子。

中微子還可以給地球做掃描。地球對於中微子來說是透明的，中微子穿過地球時，就可以掃描地球的內部結構。

想要知道地球的內部結構，現在常用的手段是挖一個很深的井，去裡面取岩石樣品。

但是我們現在挖的井，最深也就一萬多米，對於地球幾千千米的半徑來說就是九牛一毛，因此對地球內部沒有直接的探測手段。

用中微子就可以掃描地球內部的結構，類似於給人體做CT掃描。人體CT掃描採用X射線，但是X射線也只能穿過人體那麼厚的東西；中微子能穿過整個地球。

另外地球本身會產生中微子，地球內部發射的中微子就攜帶了物質組成的一些資訊，它可以直接穿過地球，傳到地表，被探測器探測到，這時候我們就能夠了解地球內部的成分。

總結一下，科學家發現核衰變似乎能量不守恆，最後提出並證實了中微子的存在。科學家又發現太陽中微子消失了，隨後發現中微子振盪現象。

所以，科學家發現一些很難理解的問題，通常是科學知識的突破口，幫助人們尋找、發現新的科學知識。

中微子現在還有一些未知之謎，科學家們研究它又會有什麼新的科學發現呢？