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掘底拓微——谁是宇宙间最小的精灵?

已有 1396 次阅读 2021-11-26 18:03 |个人分类:可拓学|系统分类:科研笔记

神奇的可拓学习之旅系列

掘底拓微

-谁是宇宙间最小的精灵



   2019年底,第一次在青创见到沈昌生爷爷,他严谨又不失风趣的教学风格,以及展示的那一大摞专利证书,让我和孩子记忆深刻。不仅如此,他还额外赠送给小创客及家长们了一些他的小发明和科普书。在儿子的书柜里,现在有两套沈爷爷赠送的科普书,一套来自青创,另一套来自去请教沈爷爷问题时,他看我很热心科普,所以又额外赠送了我一套,之后这两套书就一直放置在儿子的书柜。

   昨日,看到深圳发明会老师在“可拓学研究与应用推广”微信群中提问“如何用可拓创新方法卖书?”并推荐了一本深圳发明会巫岸卫、李密科、庄建琛主编的《发明很简单》,点开这本书的简介,突然激活了沈爷爷赠送给孩子的那套科普书的记忆,所以立马条件反射的从儿子的书柜里找到,书名叫《带你去创新》,翻开看到了一段中微子的简介:中微子是谁?请原谅我的孤陋寡闻,之前虽然对物理感兴趣也查阅过一些物理历史和名人故事,还收藏过一些相关图书,但对“中微子”着实很陌生。以下便是沈爷爷《带你去创新》2010年版对中微子的简介:

   我是谁?

   我叫中微子——是宇宙间最小的精灵,身体比电子大哥还小了百万倍,行走速度却接近光速。在众多的兄弟姐妹(基本粒子)中,就数我最顽皮。因为我不带电,速度快,可以随意穿越地球,来无影、去无踪,号称宇宙间的“隐身人”。我的英文名字叫neutrino(简称neno).

   我最爱到处游玩,四处寻访。以前,我曾和墨子讨论小孔成像,和阿基米德议论如何撬动地球,后来又和爱迪生一起发明留声机、电影机,还和爱因斯坦争论光线到底会不会弯曲......

   想找我吗?太难了——为此,美国修建了“萨德伯里中微子天文台”,日本建造了“超级深港探测器”,欧盟正在地中海打造“KM3中微子天文望远镜”,多国联手共建“南极冰立方”。

   可是,我却愿意和热爱科技的青少年交朋友,你们就叫我“小微”吧!有事找我帮,没事找我聊,我们一起玩,一起做,一起携手搞发明!我是你们的知心伙伴——小微!

   在课文里,处处都有我的身影,让我带你去创新吧!

   我要带你一起学习,一起异想天开,一起发明和创造,为你种下一个“少年之梦”,再帮助你去实现自己的梦想。

   朋友们,让我们牵手吧,我的故事就要开始了!我先带你们看看人家的梦是怎么“炼成”的,再让你们“设计”自己的梦,然后每个人都去体验一下“发明的乐趣”,绽放“创新”的智慧光芒。

   你只要在我的启迪下做出一件创新的作品,你就称得上是一名“小发明家”了。如果你的创新作品能荣获省级奖项的话,就有可能被评为“少年科学院”小院士或小博士。如果你努力终身的话,就有可能成为“大发明家”哦!

   看完中微子的简介,你内心的小孩激动了吗?看完之后,我内心的小孩可是激动万分。特别是简介里提到的“来无影、去无踪,号称宇宙间的‘隐身人’”。“最爱到处游玩,四处寻访...和墨子讨论小孔成像,和阿基米德议论如何撬动地球...和爱迪生一起发明过留声机、电影机,还和爱因斯坦争论国光线到底会不会弯曲...”这不就是每天我和内心小孩一直在构建的“爱希丽时光隧道”吗?真是太惊喜了。

   带着好奇,内心小孩拉着小拓快速搜寻了关于中微子的一些信息,发现了中微子诞生的故事:


未卜先知、由潜入显——中微子诞生记


    1930年,沃尔夫冈.泡利考虑了β衰变中能量不守恒的问题。12月4日,在一封给莉泽.迈特纳的信中,泡利向迈特纳等人提出了一个当时尚未观测到过的、电中性的、质量不大于质子质量1%的假象粒子来解释β衰变的连续光谱。1934年,恩利克.费米将这个粒子加入他的衰变理论并称之为中微子。首次证实中微子存在性的是1956年弗莱德里克.莱茵斯和克莱德考恩的实验,在接到消息后,泡利回了一封电报“感谢您的消息,对于懂得等待的人,一切终将了然。泡利”,两年半之后泡利去世。

    为什么泡利会未卜先知呢?蔡文先生在《创意的革命》里揭示——创意很多时候来自物的共轭性——即物的虚实、软硬、正负和潜显。从物的共轭角度来看,上述中微子诞生过程就是一个典型的由潜入显的科学发现过程。正如意大利理论物理学家卡洛.罗韦利在《时间的秩序》里所提及的“先于观察就理解某种事物的能力,是科学思想的核心”,就像哥白尼先于观察就理解了地球在转动,远早于宇航员从月球上观察到这一事实。泡利在1930年12月4日就预见到微中子的存在,远早于1956年弗莱德里克.莱茵斯和克莱德考恩的实验观察。

   读到这里,你是否也会对沃尔夫冈.泡利很好奇,为何他能够未卜先知中微子的存在呢?内心小孩和小拓再次跟着小微进入爱希丽时光隧道,搜寻有关泡利的踪迹。


   确有实力,方可用虚——泡利成长记

   

   沃尔夫冈.泡利(Wolfgang E.Pauli,1900-1958)是美籍奥地利科学家,他的父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利的物理学家兼哲学家。

   1900年4月25日,泡利出生于奥地利维也纳,从童年时代就受到家庭浓郁的科学熏陶,在中学时就自修物理学,开始对当时鲜为人知的爱因斯坦的广义相对论产生了浓厚的兴趣,经常埋首研读。

   1918年,中学毕业后,泡利就带着父亲的介绍信,到慕尼黑大学访问著名物理学家索末菲(A.Sommerfeld)要求不上大学而直接做索末菲的研究生,虽然不放心,但索末菲没有拒绝,因为泡利的父亲是有实力的,有了父亲的推荐信,虽然索末菲暂时不知道泡利实力如何。

    不久之后,18岁的泡利初露锋芒,发表了第一篇论文。是关于引力场中能量分量的问题。1919年,泡利在两篇论文中指出韦耳(H.Wegl)引力理论的一个错误,批判地评论了韦耳地理论。1921年,泡利以一篇氢分子模型的论文获得博士学位。同年,他还为德国的《数学科学百科全书》写了一篇长达237页的关于狭义和广义相对论的词条,得到过爱因斯坦的好评,就这样,泡利成为慕尼黑大学最年轻的研究生。

   1922年,泡利在格丁根大学任玻恩(MaxBorn)的助教,和玻恩就天体摄动理论在原子物理中的运用联名发表论文。玻恩邀请丹麦著名物理学家尼尔斯.玻尔到格丁根讲学,在讨论中,玻尔了解到泡利的才华,和他广泛交谈,从此开始了他们之间的长期合作。当年秋,泡利就到了哥本哈根大学理论物理研究所从事研究工作。先是与克拉默斯(H.A.Kramers)共同研究了谱带理论,然后专注于反常的塞恩效应,泡利根据朗德(Lande)的研究成果,提出了朗德因子。

    1923年,泡利在汉堡大学担任讲师,1925年1月,泡利提出了他一生中发现的最重要的原理——泡利不相容原理(Pauli's sexclusion principle):在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。比如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。这一原理为原子物理的发展奠定了重要基础。1927年,泡利引入2*2泡利矩阵作为自旋操作符号的基础,由此解决了非相对论自旋的理论。后来,保罗.狄拉克在结合狭义相对论与量子力学的过程中,发明了类似的4*4旋转矩阵,用以解释费米子的自旋。

   1928年,泡利到瑞士苏黎世联邦工业大学担任理论物理学教授。也正是在这个期间,即1930年,在考虑β衰变中能量不守恒问题中,预见到中微子的存在。

     再后来为躲避法西斯,1935年泡利移居美国。1940年,受聘为普林斯顿高级研究所理论物理学访问教授。1945年,瑞典皇家科学院授予泡利诺贝尔物理学奖,以表彰他之前发现的不相容原理。1946年,泡利返回苏黎世联邦工业大学,1958年12月15日,泡利在苏黎世逝世,享年58岁。


跨越时空 负负得正——从错误和失败中学习


   作为一个工作超过20年的老教师,很容易养成“好为人师”的坏习惯,当意识到“好为人师”不仅不太“礼貌”,还容易“误导别人”时,我会尽量提醒自己,要谦虚一点!你不知道的还很多!要真诚、谦虚与人交流!不要总觉得自己是对的,自以为是。但当了解到中微子及其诞生故事后,我又忍不住的给刚放学回家的儿子分享起来——你知道谁是宇宙间谁最小的精灵?

    儿子不假思索的回答“夸克!”,当听到“夸克”而非“中微子”时,我内心小孩一下子愣住了。是呀,好像的确有一个叫夸克的小精灵,咋就搞忘了呢?那夸克和中微子谁更小呢?上小学六年级的儿子毫不犹豫地回答“夸克!夸克又分上夸克,下夸克”。内心小孩惊呆了,难道书上写错了吗?作者可是中学的物理老师,还是拥有上百项国家专利发明家,他写的科普书怎么会出现如此失误呢?我继续追问“你知道中微子吗?中微子和夸克谁更小?”儿子停顿了一下说,听说过中微子,但应该是夸克更小。看着我这个当大学老师的妈妈如此认真的追问,儿子不得再次不上网去求证,然后发给我一张图,告诉我,的确夸克更小,不过,还有一个玻色子...”后面的我已经听不进去了,我开始怀疑自己,难道是我的记忆和判断能力开始衰减和丧失了吗?

   有点郁闷,继续对中微子进行深度网络搜寻,发现中科院高能物理研究所的微信公众号有一篇“中微子60年”,还发现了很多专门研究中微子的中国人身影,比如李政道、王贻芳等。但看完中微子研究的历史简介之后,依然没有办法甄别并准确判断,该怎么办?打算先睡一觉,想着可能自己太累了,在路过沙发的书架时,突然想起自己曾经搜寻并收藏过很多物理学历史和名人传记,于是继续搜寻图书,终于找了一本更通俗易懂、有理有据的相关图书——叶梅著的《粲然》2020版,功夫不负有心人,在1.3节寻找希格斯粒子中,终于发现一段相关记录:

    粒子物理学从诞生到今天,经历了60多年的时光,取得了巨大的进步,目前已经形成了一套比较完整的理论——标准模型理论。这套理论能帮助人们系统地认识基本粒子大家族,了解物质深层次的结构。在标准模型理论的描述里,微观世界由四种力和三类粒子家族构成。并引用中科院院士加速器物理学家方守贤的著作《神通广大的射线装置》,提到了“四种基本力为引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。世间万物的千变万化都是通过四种基本力起作用。万有引力是宏观世界中物质间的相互作用力,而其他三种力均在微观世界的基本粒子间发挥作用。电磁力在人们日常的生产、生活中天天遇到,起作用范围可以延伸到很远,教作长程力。把质子和中子紧紧地聚集在一起形成原子核,靠的是它们之间地强相互作用力,也叫核力。核力是短程力,作用范围在10-13厘米尺度之内”。

     其余三类基本粒子家族则是轻子、夸克和传递子......目前已经知道,有六种夸克参与了强相互作用。然而,粒子物理的标准理论模型并非完美,对一些问题无法给出满意的解释。科学家在观察这些基本粒子的时候,有一个奇怪的现象,即夸克总是被“囚禁”在强子中,实验上至今无法把它从强子中释放出来,变成自由的夸克。这增加了研究夸克的难度,人们对夸克的认识只能通过研究强子的结构来间接了解。那么,夸克和轻子是否具有更深层次的结构?它们存在质量差别的原因是什么?粒子的质量是从哪里来的?

   1964年,比利时物理学家弗朗索瓦.恩格勒特和英过物理学家彼得.希格斯几乎同时各自发表了一篇学术理论文章,提出一种粒子场的存在,预言一种能吸引其他粒子而产生质量的玻色子的存在。他们认为,这种玻色子是物质的质量之源,是电子、夸克等形成质量的基础。于是,全世界的物理学家开始着力寻找这种玻色子——希格斯粒子。

   2012年7月4日,酷似希格斯玻色子的新粒子在日内瓦的欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research,CERN)被发现。这个粒子正是恩格勒特和希格斯1964年假设或“发明”出来的,最终由数十亿美元造价的世界上最大的加速器及探测器。

   看到这里,内心小孩一下子释然了,原来玻色子是2012年发现的,那本科普书是2010年出版的,所以在出版时,玻色子还没有被发现。但是夸克呢?夸克和中微子之间到底是什么关系?默默给中国科学院高能物理所公众号留了言,期待能回复~


物穷其理,还需软硬结合——保持意诚心正


   小时候经常听长辈念叨“修身齐家治国平台下”,但如何修身?作为学生时的理解是,在学校好好学习,在家乖乖听话就是修身的重要途径。但工作之后,特别是2002年开始研究信息甄别理论之后,对信息的甄别过程有了好奇,理论联系实践对“修身齐家治国平台下”这句耳熟能详的话进行了甄别之后发现,原来在《礼记.大学》里已经明确交代了修身的途径:“欲修其身者,先正其心,欲正其心者,先诚其意,欲诚其意者,先致其知;致知在格物。”

   如何格物?在叶梅著的《粲然》一书中也探讨过这一问题,书中记录了——“格物致知”一词在《礼记.大学》里是作为儒家的一个重要的哲学概念。格,至也。物,犹事也。致,推及也。知,犹识也。并引用了

朱熹的理解——致知在格物者,言欲致吾之知,在即物而穷其理也。”即凡事都要弄个明白,探个究竟。

   比如,如果想要知道世界究竟是由什么组成的?它们之间是如何作用的?需要有探索精神,敢于倔底拓微。但同时要知道物穷其理不能一蹴而就,要像中国科学院高能物理所物理学家王贻芳在“探索无界 揭开中微子之谜”中所说,应BRICK BY BRICK——先搞清楚原子是怎么一回事,然后弄懂原子核,再努力研究基本粒子——Step by Step。先从物理的角度了解基本粒子,知道整个物质世界实际由12种粒子组成(费米子),然后去分析中微子和这12种粒子的关系,进一步明确这12种粒子中有3种中微子。再试着去理解这些中微子。比如中微子是质量最轻的基本粒子,有着举足轻重的作用,所有质量相对更重的粒子最后都可能会衰变为更轻的中微子。那最后,最轻是不是最小呢?

    另外,来无影去无踪,随意穿越地球是怎么实现的呢?一圈探索下来,才知道中微子无处不在,太阳就是一个中微子源,地球也是一个中微子源,甚至连人类都是中微子源。它们无处不在,充满宇宙(每立方厘米就有300个中微子?),数量庞大,质量极小,可以不留痕迹地轻易穿越地球,正因为如此,中微子才很难探测到的”。所以,想要更深入了解中微子需要硬件建设,做探测器——比如,王贻芳研究中微子的第一个探测器建在中国的大亚湾。利用这个设备,他测量了来自附近一座核电站的中微子的重要性质,使中国再世界高能物理舞台上暂露头角。现在王贻芳正在华南地区的地下深处修建新的探测器,专门用来测量中微子之间极其微小的质量差别——江门中微子实验观测站(JUNO),建成后将称为有史以来规模最大、探测精度最高的中微子探测装置。

   读到这里,内心小孩释然了,因为无知,所以好奇,因为好奇,所以难免无畏,无知无畏可能会犯错误,也可能会有更多新的发现。所以,不要只站在某个特定时间点判断对错。想要物穷其理,必须要坦然面对自己的无知和失败,保持真诚和美好,勇敢跨越时空,倔底拓微。


来自更多青创小伙伴的声音

金阳阳(小学六年级):有一列特别长的中微子火车,假设长30亿千米,速度接近光速,上面坐了一个中微子,它在上面顺着火车行进的方向以中微子的正常速度移动……按照行船原理,速度叠加后,那这个中微子是不是超光速?

金阳妈妈:那个中微子不是坐在那列中微子火车上吗,那列火车速度接近光速,中微子的速度也接近光速,就算两者叠加应该依然是接近光速吧?

51(青创教师):关于大小的问题目前有另一种观点:“由于存在波粒二象性和不确定性,亚原子粒子是不能比较大和小的。所以,微观世界之中,不存在最小的物质微粒。”

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 【拓展阅读】      

1.蔡文 著《创意的革命——今年你可拓了吗》科学出版社 2010.5

2.沈昌生 李德彬 主编《带你去创新》(上)四川出版集团 2010.9

3.沃尔夫冈.泡利https://mp.weixin.qq.com/s/z7aSeMgE-fxU0Zc6Gg1HMQ

4.中微子60年https://mp.weixin.qq.com/s/04cqoh__Ex8EBrImH6WzqA

5.李政道先生和现代中微子物理https://mp.weixin.qq.com/s/kvq2d_aJ091MD6dE0HNi0A

6.卡洛.罗韦利 著 杨光 译《时间的秩序》2019年6月

7.叶梅《粲然》浙江教育出版社 2020年6月






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