神秘中微子，宇宙原本產生兩個世界，為什麼只剩正物質世界？ l Mysterious neutrino

歡迎收看老明的頻道 有這樣一種理論 說在大爆炸之初 在真空的障落之中 形成了正反兩種粒子對 隨着宇宙不斷的膨脹 就應該產生兩個世界 一個是正物質的世界 另一個是反物質的世界 但是無論科學家怎麼觀察 在這個宇宙中都找不到反物質世界 這說明在創世之初 有一個非常微小的變化 是正粒子在數量上超過了反粒子 在相互湮滅之後 那麼這個微小的變化是什麼呢 有的科學家認爲 可能與一種微小的粒子有關係 那就是中微子 這大概是人類距今爲止發現的 最神祕的粒子 人類發現中微子 完全是一個偶然的事件 時間要回到1930年的12月4日 年僅30歲的著名量子物理學家 泡利給女科學家 麗澤·麥特納寫了一封信 在信裏 他預言存在着一種電中性的 從沒有被觀測到的小質量粒子 但是信發出去之後 泡利就後悔了 因爲這個預言沒有什麼太大的依據 只是因爲其他的物理學家 在研究β衰變問題的時候 發現能量不守恆了 舉個例子 現代考古學家都使用碳14定年法 用這種方法可以比較準確的 確定古墓和文物的年代 碳14原子會轉變爲氮14原子 和一個電子 但是這個時候出問題了 β衰變之後 質量不守恆了 缺了那麼一點點 所以泡利就預言 缺失的部分是一種神祕的粒子 大家經常說科學方法是什麼呢 首先就是要大膽的假設 先去天馬行空的想 然後再小心的去求證 最後得到一個放之四海而截準的實驗結果 這是一套完整的步驟 時間在到1956年的6月14日 有兩位美國的科學家 雷恩斯和考恩給泡利發了一封電報 這封電報是向泡利報喜 說他們終於發現了泡利預言的神祕粒子 也就是中微子 要說到這個發現 那可真是費了勁了 他們是在一個叫漢福德的核電廠的 核反應堆附近探測到中微子 爲了驗證結果 他們還關閉了核反應堆 用來檢測發生率存在的差異 那可是核反應堆 那可不是開電視那麼簡單 所以說他們爲了科學研究 也真是拼了 但是黃天不負有心人 這個發現也爲他們贏得了諾貝爾物理學獎 中微子從預言到發現 用了整整26年的時間 可見中微子的發現是非常困難的 也難怪泡利自己都覺得是天方夜譚 所以說科學研究的第一步 就是需要科學家敢於去開腦洞 比如說現在一說到弦理論 就有人很不屑 說從來沒有觀察到多維宇宙 但是弦理論在數學上 能夠很好的統一四種作用力 你不能說沒有發現多維宇宙 就去否定了弦理論 再比如說引力 有的理論物理學家提出 引力可以穿越各個平行宇宙 這是他們根據相對論找到的一種數學解 也不能說因爲沒有發現平行宇宙 就否定了這種可能性 可以說未經證實 但不能說平行宇宙一定不存在 再說回到中微子 爲什麼現在中微子 一下子就成爲物理研究中的顯學了呢 因爲中微子非常的神祕 我認爲現階段圍繞着中微子 主要有三大謎團 咱們先說第一個 叫做超光速之謎 時間在回溯到16萬8千年前 生活在東非大裂谷東部的智人 正在嫺熟的使用自制的木頭武器去狩獵 他們不知道日月星辰到底是什麼 對世界的認知也非常的有限 就在這個時候 在銀河系的邊上 有一個大麥哲倫星系 其中有一顆超新星爆發了 大量的中微子向周圍擴散 經過了16萬8千年的長途旅行 又一批中微子飛到了地球 時間再到1987年2月23日 在日本岐阜縣神崗礦山地下 1000米的深處 有一個神崗核子衰變探測器 這個大型的實驗室 剛剛改造完成沒有幾個月 突然間就接收到了11箇中微子 這個實驗的負責人 物理學家小柴昌俊一下子就火了 因爲這是人類第一次接收到 來自太陽系外的中微子 小柴昌俊也因爲這個發現 而獲得了諾貝爾物理學獎 在捕獲到中微子之後 日本的物理學家就認爲出大事了 當然出大事這種話只能在實驗室裏說 對外科學家是非常嚴謹的 在報告中 他們就假裝輕描淡寫的強調了一件事 說這批中微子比光子早了三個小時到達地球 這是什麼意思呢 這似乎是在暗示 中微子比光子的速度要快 但凡人們一聽到超光速的科學實驗 那無不是激動的熱血沸騰 根據愛因斯坦相對論的說法 光速是一切速度的上限 難道說愛因斯坦的相對論要被打破了嗎 這不還真是出大事了嗎 咱們就得好好解釋一下這個事 在節目一開始就介紹過 泡利早就預言 中微子是電中性的 質量極小的粒子 因爲中微子有質量 它的運動就不應該超過光速 光速爲什麼能夠成爲宇宙中運動速度的上限呢 就因爲光子沒有質量 所以才能跑得那麼快 因爲動能和速度的平方成正比 中微子雖然質量非常小 但是它有質量 如果想要達到光速 那能量就會變得無窮的大 所以理論上 中微子不會超過光速 那麼爲什麼超新星爆發了之後 地球上先接受到了中微子呢 有的科學家認爲 恰恰是因爲中微子是電中性的 不與任何物質發生反應 所以超新星在爆發的時候 中微子是最先飛出來的 並不是說它的飛行速度比光子快 而是中微子先出發了 這樣就解釋了中微子超光速問題 說來說去 主流學界認爲 中微子不能超光速 但是還有一個更神奇 更開腦洞的說法 時間來到了2015年的6月 天體粒子物理學雜誌 刊登了物理學家羅伯特·艾利西的論文 他認爲中微子能夠超光速 而且和相對論並不矛盾 他是怎麼解釋的呢 他說在某種參照系中 能量可能是負的 在表面上就是中微子的速度超過了光子 但實質是什麼呢 是這些中微子是逆時間而行的 它不是在向未來飛 它是向過去飛 我們觀察者就誤以爲它是超光速的 怎麼樣 這樣的解釋是不是很有想象力呢 到目前爲止 還沒有已知的觀察證據 與艾利西的結果相矛盾 因此它的假設不能被證明 你不能說它是錯的 當然你也不能說它是對的 你只能豎起大拇指說一句 有想法 艾利西提出時光倒流的例子 這是一個非常有挑戰性的想法 有不少科學家已經順着逆時間這種思路開始研究了 如果大家感興趣 可以收看我前面的節目 在南極上空發現了中微子 有時間倒流的跡象 在這裏我們就不再多說了 咱們還是做個小調查 認爲時間倒流有可能存在的朋友們 請在留言或彈幕上打上111 認爲時間是一條單行線 只能向一個方向前進的朋友 請打上000 有關中微子的第一個謎團 超光速之謎就介紹到這裏 下面咱們再來聊一聊第二個謎團 熱暗物質之謎 時間來到2006年 哈勃太空望遠鏡拍攝了一張著名的照片 子彈星團 照片中的藍色區域 擁有兩大星系團中大部分的質量 但是我們卻不知道這些黑暗中的質量是由什麼組成的 科學家就稱之爲暗物質區域 這也是人類第一次觀測到宇宙中的暗物質 科學家計算暗物質佔宇宙質量的26.8% 暗物質爲什麼看不見呢 會不會是因爲暗物質不與電磁輻射發生作用呢 這不恰恰就是中微子的特徵嗎 於是有的科學家就想到暗物質會不會就是中微子呢 但是中微子不能解釋所有的暗物質現象 科學家認爲中微子只是暗物質中的一種 稱爲熱暗物質 還有溫暗物質和冷暗物質 這些就更不知道是什麼組成的了 所以別看人類已經取得了很多物理和天文學的成就 但是我們對宇宙的認識還停留在非常初級的階段 下面再來介紹中微子的第三大謎團 反物質消失之謎 時間來到了1998年 還是在日本的神崗山下 這個時候小柴昌俊已經退休了 他的學生偉田龍章成爲實驗的主要負責人 他們將原來的探測器升級了 起名爲超級神崗探測器 這個探測器的又立下了大功 發現了中微子振盪現象 所謂中微子振盪就是指中微子會在飛行的過程中 自發的變成其他種類的中微子 中微子有三種味道 稱爲電中微子 秒中微子和滔中微子 這三種中微子又有相對應的反中微子 所以中微子一共有六種形態 偉田龍章的這個發現 也使他獲得了2015年的諾貝爾物理學獎 通過中微子振盪現象 科學家們就開始聯想 會不會其他的粒子在某種特定的情況下 也能產生振盪呢 或者說其他的粒子 當然最主要的就是電子了 能否與振盪中的中微子發生某種反應 被中微子帶走呢 比如說在宇宙大爆炸的第一秒之後 科學家就認爲這個時候就產生中微子了 因爲粒子在振盪的過程中改變了味道 於是在某一時刻 正粒子突然比反粒子多了 正反粒子在相遇的時候會發生湮滅 所以宇宙中就只剩下了正粒子和少量的反粒子 就形成了一個我們今天看到的正物質的世界 這是一個有關宇宙起源的非常重大的課題 核心就是研究中微子振盪 現在最重要的目標就是要給中微子三種味道的重量排序 這個方面最有可能出成果的 是德國的Katerin實驗 時間來到2006年的10月 德國人天生就不怕下死功夫 所以他們經常會做出一些了不起的科研成果 他們造了一個個頭巨大 重達200多噸的光譜儀 從地圖上看 製造工廠和實驗室的距離只有350公里 但是因爲個子太大了 陸路運輸根本不可能 所以只能繞了一個大圈子 從海上運輸 走了8600多公里才走到 在2019年的時候 Katerin給出了第一批研究成果 將電子中微子質量的上限設定爲1.1個電子伏特 這個質量有多小呢 不到電子質量的百萬分之一 所以說中微子的飛行速度能夠接近光速 也是這個道理 就是因爲它的質量太小了 通過測量中微子的質量 可以用間接的方法去印證宇宙大爆炸的模型 假如天文學家們根據測量宇宙的密度 推斷出中微子的質量 與在實驗中直接測量中微子的質量不一致 那會產生一個什麼樣的結果呢 那就是一個翻天覆地的可怕結果 那很可能意味着宇宙大爆炸的理論是錯的 講了這麼多 大家可能就能理解 可以說中微子是解開宇宙之謎的一把鑰匙 日本的超巨型神鋼探測器 德國的CATERY 中國的江門中微子實驗室 美國的冰立方天靈臺 都是最有潛力取得重大發現的實驗室 而且它們的側重點都不太一樣 可以相互的印證 爭取早日解開中微子之謎 如果有一天科學家們突然宣佈 說宇宙大爆炸了不對 那麼最有可能挑戰這個理論的 目前來看就是中微子的研究 最後咱們再說一句題外的話 對宇宙大爆炸理論進行挑戰 還有一位美國的女科學家 叫勞拉霍頓 她通過數學計算 黑洞根本就不存在 這個理論現在也受到了很多人的關注 非常的有意思 感興趣的朋友也可以去上網找找看 好了 今天的內容就分享到這裏 別忘了關注老明的頻道 我們下期節目再聊