本来这次的诺贝尔奖我不想写科普了，但还是被左文文博士拉下了水，写了一个问答。原文分成两部分发在赛先生上，这里合在一起发。

Z=左文文

C=陈学雷

Z：中微子是什么?

C：中微子是一种不带电、只参与弱相互作用的粒子。人类已知的相互作用有四种，就是万有引力、电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用。其中，后两种是在核反应中发现的，根据反应的强弱命名的。

19世纪末，人们发现了放射性：原子核会发生衰变。这其中有一种衰变，叫beta衰变，会发射出beta射线，也就是电子。但是，人们经过仔细测量后发现一个奇怪的现象，就是同一种核产生的beta衰变电子能量不是一个固定值。问题就在这里：beta衰变后的原子核几乎是固定不动的，它的能量可以用质能公式E=mc2算出来，如果电子能量是可变的，那么衰变后的总能量就不守恒了。

为了解释这一现象，当时有两种猜想：玻尔猜想也许在beta衰变中能量不守恒，泡利则猜想也许在beta衰变中除了电子外还产生了另一种没有被观测到的粒子。为什么它没有被观测到呢?如果这种粒子不带电，质量又很小，就可以不被观测到。泡利把这种粒子称为“中子”(neutron)，也就是中性(不带电荷)粒子的意思。不过因为这个名字与我们熟知的中子相冲突，所以后来费米把它改名为中微子(neutrino)。

由于中微子不参与强相互作用和电磁相互作用，因此它很难探测。1942年，我国著名科学家王淦昌先生提出了用beta俘获探测中微子，但直到1956年，ClydeL. Cowan 和 Frederick Reines 才用核反应堆作为中微子源探测到了中微子, 他们因这一工作于1995年获得了诺贝尔奖。1962年，LeonM. Lederman, Melvin Schwartz 和 Jack Steinberger用实验证明存在不同“味道”的中微子，也就是每一种带电的轻子有一种与之对应的中微子，与电子对应的叫电子中微子，与mu子对应的叫mu子中微子，还有后来发现的tau子应该也有对应tau子中微子。他们三人于1988年获得了诺贝尔奖。

Z：中微子振荡是什么?是理论上先提出来的吗?

C：中微子振荡是中微子由一种“味道”变成另一种“味道”，比如由电子中微子变成mu子中微子，但这种变化不是永久的，过一段时间后又变回来，好像钟摆会摆来摆去一样，所以叫振荡。中微子振荡是意大利物理学家BrunoPontecorvo(1913-1993)于1957年提出的。Pontecorvo曾经是费米的助手，法西斯上台后去了北美，后来参与了英国的原子弹计划。Pontecorvo是位共产党员，也有传言说是苏联间谍。1950年他举家逃到了苏联。之后一直在苏联做研究,中微子振荡就是他从理论上提出的。

Z：诺奖的认可也说明了中微子研究领域的重要性，中微子研究为什么如此重要呢?

答：中微子研究体现了人类探索大自然奥秘的卓越成就。通过理论分析，泡利、Pontecorvo等人提出了中微子和中微子振荡的概念，Bahcall等人给出了定量化的理论预言，而这样一种飘渺难寻的粒子，经过几十年不懈的努力，人们不仅测到了它，而且最终弄清了它的性质，这是非常了不起的成就。中微子是一种只参与弱相互作用的粒子，对它的研究，也可以为我们研究大统一理论、质量的起源、对称破缺、超新星、暗物质等提供很多线索。因此，今后这仍将是一个非常重要的研究领域。

C：该领域的研究成果对于探索暗物质有什么样的启示?

答：一般所说的中微子是指我们上面所提到的标准模型中微子，这种中微子本身就曾经是暗物质的候选者，不过它们的质量比较小，属于所谓“热暗物质”。上世纪80年代，随着天文观测的进步，人们发现热暗物质模型预言的星系形成过程与观测不符合，而“冷暗物质”模型符合得较好，因此现在人们认为标准模型中微子并非暗物质主要成分。

不过，在现在的暗物质理论中，有一种猜测是除了标准模型中微子外，还存在所谓“惰性中微子”，也就是连弱相互作用也不参与但是可以与标准模型中微子相互振荡转化的中微子，它可以作为暗物质。标准中微子的研究，也可以帮助我们进一步研究和限制这种暗物质模型。

另外，有的暗物质模型中，比如超对称暗物质模型中，太阳和地球中心都会沉积暗物质粒子，这些粒子相互湮灭可以产生一些能量较高的中微子，穿出太阳和地球而被探测到，因此这也是一种暗物质间接探测的手段。南极的冰立方探测器就在进行这种探测，不过还没有发现这样的中微子。

另外，我觉得中微子研究的历程也给我们一种启示和信心。暗物质还没有被探测到，但是，假设暗物质存在和推测暗物质性质的理论研究方法、甚至探测暗物质的一些实验手段，都和中微子研究非常相似。因此，要对科学有信心，只要坚持下去，不断探索，暗物质的研究也一定会取得成功。

Z：中微子宇宙学还有什么样的挑战?宇宙学对中微子的限制有哪些呢?

C：中微子和宇宙学有比较密切的联系。比如，前面我们提到中微子有三种味，每种味道的中微子在宇宙早期的高温中都会产生。如果中微子有不止三种味，那么在宇宙大爆炸的核合成时期，就会有更多相对论性粒子，那么它就会影响核合成持续的时间，而这又会影响合成的氦核的数量。因此，根据宇宙中氦元素的丰度，人们很早就推测轻中微子只有三种味。另外，中微子的味也影响宇宙微波背景辐射各向异性，也可以用这种观测进行限制。

目前人们对中微子宇宙学的最大兴趣是测量中微子的质量。粒子物理实验虽然可以探测到比较高能量的中微子，但这些中微子的能量比它们的静止质量大很多，因此无法精确测量中微子质量;低能量的中微子则很难测量--当然现在也有人在尝试。宇宙学观测数据提供了测量中微子质量的方法：在宇宙早期中微子可以很快扩散，从而在小尺度上抹平原初的密度不均匀性，但不影响大尺度。因此，通过大规模的星系巡天，精密测量宇宙不同尺度上密度涨落的幅度大小(这叫做密度功率谱)，可以定出中微子的质量。目前综合星系巡天和宇宙微波背景辐射数据给出的结果是，三种中微子质量的和为0.3eV左右。

不过，这种测量的方法也有一定的局限性：因为我们并没有办法直接测到宇宙中物质的密度，而只能用星系数密度代替，并假定星系数密度正比于物质密度。如果这种正比关系不是严格成立，而是在不同尺度上比例系数有变化，那么我们的测量结果就会产生系统误差，而从这种测量本身是没有办法发现这种系统误差的。所以，中微子的质量到底是多少，现在还没有明确的答案。去年，我们小组和加拿大多伦多大学的彭威礼教授小组合作，提出了另一种用星系巡天方法测量中微子质量的办法，通过测量不同类型星系的互相关功率谱偶极矩，可以避免这个系统误差。今年我们又继续提出了另一种用弱引力透镜进行中微子质量测量的方法。北京师范大学张同杰教授的研究小组则用天河二号超级计算机进行了一次3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，这是现在世界上含粒子数最多的宇宙学数值模拟。通过分析、研究这一模拟的数据，可以给出用我们的方法实际进行中微子质量测量的方案。总之，我认为中微子宇宙学仍有许多重要的课题有待研究。

Z：此次获奖的两位科学家领导的团组都成功利用实验，证实了中微子振荡的存在。关注点却不同，您能详细分析下吗?

C：太阳内核反应产生的主要是电子中微子，Homestake等实验也只能探测电子中微子，所以如果太阳里核反应中产生的中微子在传播过程中发生了振荡，有一部分变成mu子中微子或者tau子中微子，那这部分中微子Homestake实验就探测不到了，就会出现流量少于理论值的现象。

这次获奖的麦克唐纳领导的萨德伯里中微子观测站(SNO)也是观测太阳中微子的，但是它有不同的反应探测方式，既有只对电子中微子敏感的探测方式，也有对三种味道都敏感的探测方式。它探测到的太阳电子中微子流量与Homestake等以前的实验结果是一致的，这就证明了以前的实验结果是正确的，而它的中性流反应(也就是对三种味道都敏感的反应)探测到的中微子数量却和太阳标准模型一致，这就证明确实发生了中微子振荡。

超级神冈实验则给出了中微子振荡的另一个证据。太空中有一些高能粒子，称为宇宙线粒子，它们打到地球大气层上层时会发生反应，产生中微子，这些“大气中微子”中既有电子中微子也有mu子中微子，二者有固定的比例。但是中微子可以穿过地球，超级神冈实验可以同时观测从他们探测器上空向下射的中微子和那些穿过地球从他们探测器地下向上射的中微子。他们发现，在这两种情况下电子中微子和mu子中微子的比例有所不同，从地下出射的mu子中微子比例比较小，其解释是：在传播过程中发生了中微子振荡。本来，电子中微子和mu子中微子相互转化还不会改变这个比例，因为转化是相互的，但是还有一些mu子中微子转化为tau子中微子，而电子中微子虽然也会有一部分转化为tau子中微子，但相对而言转化的数量比较少，最后的结果就是mu子中微子数量比例减少。

所以，这次的诺贝尔奖是奖励中微子振荡的实验证实。

Z：2002年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼，以表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献。戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”领域做出了先驱性贡献，各自获得了1/4的奖金。而2015年，两位物理学家同样因为在中微子领域的贡献，获得诺贝尔奖。

可以看出，2002年和2015年表彰的成果都是在中微子领域，关注点有什么不同吗?

C：实际上，中微子领域共获过4次诺贝尔物理学奖，除了你问题中提到的2002年和2015年的诺贝尔物理学奖，还有1995年和1988年的诺贝尔物理学奖，前者以表彰获奖者于1956年利用核反应堆实验首次探测到中微子，后者以表彰获奖者于1962年利用质子加速器发现了第二种中微子——mu子中微子。

对于2002年和2015年获奖，我的理解是，2002年表彰的成果是奖励他们首先探测到了天文源中微子，包括太阳中微子(戴维斯)和超新星爆炸中产生的中微子(小柴昌俊)，而2015年表彰的则是证实了中微子振荡。

Z：物理是以实验为基础的自然科学。2002年和2015年的诺贝尔物理学奖让日本的超级神冈探测器[注1]和加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站【注2】着实火了一把。相对于这两个观测站，中方主导的大亚湾中微子实验起步阶段更晚，成立于2006年。在前辈们的丰功伟绩面前，它面临了巨大的挑战，当然也包括机遇。它的优势在哪?它又面临了哪些挑战?在中微子领域，它可能带来的创新方向在哪?

C：大亚湾实验主要是利用大亚湾核电站作为中微子源，精确测量中微子的1-3混合角theta13，这些混合角决定了中微子的振荡模式，比如前面说过，超级神冈实验发现，大气中微子穿越地球时较多mu子中微子转化为tau子中微子，而较少电子中微子转化为tau子中微子，这就是因为2-3混合角比较大，而1-3混合角比较小。目前，我们并不清楚到底是什么决定了中微子的质量和混合角，比如中微子为什么有这么小而又不为零的质量?很多物理学家提出了种种猜想，试图解释中微子获得质量和发生混合的机制，那么精确地测量1-3混合角以及一些其它参数，就可以检验这些理论，精确的测量值也会启发物理学家提出一些新机制。

Z：在此之前，多名科学家预计，今年的诺贝尔物理学奖将颁给天文学领域的成就，其中系外行星的发现获奖的呼声最高。现在看来，预测部分是正确的。虽然今年系外行星的发现今年未获奖，但它的研究意义毋庸置疑。在您的心目中，还有哪些天体物理领域的研究已经到了诺贝尔奖级别，但尚未获奖?

C：我认为在过去几十年里，宇宙学和黑洞与致密天体方面有许多重要工作是诺贝尔奖级的，应该获奖。当然，近年来的系外行星探测也有一些成就。

Z：刚才您也提到，做好科研急躁不了。5日诺贝尔医学奖花落中国科学家屠呦呦，是件大喜事。这也不禁让大家开始畅想，诺贝尔物理学奖什么时候才能被中国物理学家摘取。不知道您怎么看?是不是大众追问“诺贝尔奖离我们有多远”本身也反映了我们急躁的心理?科学家又该如何对待?

C：我觉得，追问“何时获奖”有两种情况，一种是早已做出了够格的工作，但迟迟没有获奖，另一种是还根本没有做出够格的工作，现在大众包括我们科技界自己追问的是后一种。这不能说是急躁或者功利心理，而是一种质疑和反思：我们的科研体制、教育体制究竟有什么问题，为什么我们产生不了一流的工作?要知道，今天我们的科技投入已相当不少;就算在过去，虽然人平均量不多，但中国是个大国，整体的投资量、研究队伍数量都是非常庞大的，却没有做出几样一流的科学发现。西方发达国家和日本不用说了，就是印度、巴基斯坦、南非、阿根廷、土耳其、埃及、墨西哥等发展中国家也都有诺贝尔科学奖获得者。就我们自己而言，王淦昌先生在抗日战争中的西南联大那样艰苦的条件下尚且做出了首次提出探测中微子实验方法这样一流的研究工作，而后来我国却几乎没有这样的工作了!当然，今年屠呦呦先生获奖，开创了在中国大陆工作的科学家获诺贝尔奖的第一，但仍不能不说，我们中国科学家能拿得出手的工作太少了。而且，更具讽刺意味的是，屠呦呦先生本人之前在国内并没有获得多少荣誉，连院士都不是，甚至博导也是直到2001年才当上的。也许有人会说，这是因为青蒿素这项工作有许多人参与，可能以前是一种集体工作而没有给予个人太多奖励。但是，其实这项工作的集体也只是得了国家发明二等奖。这到底是什么原因?值得反思!

再说到中微子。当年小柴昌俊先生曾经与中国一些物理学家讨论过合作在中国进行中微子实验，但却因种种原因，最后没有实现，而在日本神冈进行了实验，现在已出了两个诺贝尔奖，这对中国科学家来说，不能不说是很遗憾的事。种种原因，归根结底，是在我们国家，纯基础性的、没有直接应用的研究很难得到支持，那些探索性的、风险大而没有把握一定出成果的实验尤其得不到支持。今天我们在国内做暗物质、暗能量实验研究的人，虽然条件有所改善，但也仍然面临着这样的问题。反之，大量资源被投入并没有多少科学价值却可以在纸面上“产出成果”、特别是那些由“有关系”的人牵头的项目中。即使得到支持，科学家也要把大量时间精力花在公关、申请项目、平衡预算、应付检查和验收等等上，真正潜心研究、按照科学规律开展研究非常难。那些一心做科研而不愿拉关系的人，在职称、待遇、资金支持、荣誉等方面都要吃亏。因此，科技界的领导者和管理部门，有必要对现在体制的弊病加以反思和改进。

当然，也不应把现在的科研都贬得一钱不值。屠呦呦先生获奖后，有人说现在的科研还比不上文革时代，我个人认为这也是不正确的。在我所了解的领域里，现在科研的整体水平较之文革时代有极大的提高。优秀的工作需要时间才能辨认，我相信今后会有更多的中国科学家获得诺贝尔奖。

注1：神冈探测器位于日本岐阜县神冈町的一个深达1000米的废弃砷矿中，于1982年开始建造。1998年，神冈探测器的测量结果，给出了中微子振荡的首个确切证据;2002年，神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。因为这个探测结果，超级神冈探测器的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理学奖。2015年，梶田隆章也获得诺贝尔物理学奖。

注2：萨德伯里中微子探测站位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中，于1999年5月正式启用，2006年11月28日关闭。2001年8月，根据加拿大安大略省的萨德伯里中微子探测站的测量结果，麦克唐纳等人推论出了来自太阳的电中子振荡成为介子和中微子。2015年，麦克唐纳与梶田隆章同获诺贝尔物理学奖。

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