书城科普读物百科知识-科普新课堂:妙趣射线
45099400000041

第41章 进军宇宙

小小的中微子在宇宙中扮演着非常重要的角色。

大家知道,太阳每时每刻在向周围空间释放着巨大的能量。这些能量来源于太阳内部剧烈的核聚变。在太阳内部高温、高压的条件下,每4个氢原子核(即质子),经过一系列的热核聚变反应后,生成1个氦原子核,同时放出2个正电子和2个中微子。在这个过程中,氢原子核的质量有671%转变为能量释放出来。地球是距太阳比较近的一颗行星,从太阳那里可以获得大量的能量。根据科学家们的计算知道,与太阳光垂直的地球表面,每秒钟每平方厘米可以吸收的太阳能量达712焦。依此可以推知,太阳每秒钟辐射出的能量达378×1026焦,这其中有36×1038个氢原子核被消耗了。在氢原子核发生聚变时,每秒钟产生的中微子数达到18×1038个。地球与太阳之间的距离约为14亿千米,不难算出,地球表面每秒钟每平方厘米可以接收到来自太阳的中微子数是66×1010个。浩瀚的太空,像太阳这样的恒星不计其数,每颗恒星都是一个庞大的中微子源。可见宇宙间充满着大量的中微子。

科学家们通过几十年对中微子的研究,找到了一条探索宇宙、认识天体的重要途径。众所周知,太阳和人类之间有着密切的关系,她给人类带来了温暖和光明,为人类提供了取之不尽、用之不竭的能源。没有太阳也就没有人类,因此,认识和掌握太阳的运动规律,对于人类的生存与发展至关重要。

然而,太阳距离地球那么遥远,太阳表面的温度又高达6000多摄氏度,任何探测装置都无法接近它。这样,人们只能通过观测太阳发射出的各种不同能量的光子和中微子,来认识与了解太阳运动的情况。

光子具有很强的穿透能力,因此很容易穿过星际空间,飞向四面八方。但是,在太阳的内部,情况就不同了。那些高温、高压、高质量的物质阻碍着光子,它的运动真是举步维艰。

由于光子在前进中不断与粒子碰撞,运动方向不断改变,光子从太阳的中心部分跑到太阳的表面,大约需要经历1000万年的时间。因此,通过光子人们只能认识太阳表面的情况,对于太阳内部,人们还无法了解到。

然而,中微子的存在正好为我们提供了一种认识太阳的工具。太阳内部核反应中产生的大量中微子,具有极强的穿透本领。它从地球一侧进入,从另一侧穿出可以说不费吹灰之力。中微子从太阳中心部分到达太阳的表面也不过几秒钟,人们借助中微子可以了解太阳内部许多重要信息。

另外,就人类目前所能观测到的范围内,像银河系这样的星系已多达10亿个。这些星系的存在有一个共同的特征,也就是它们往往聚结成团,像人们已经认识的双星系、多重星系、星系团等。组成这些星系团的每个星系,它们都以各自不同的速度朝着不同的方向运动。如果它们之间不存在着强大的吸引力,久而久之必然会离散开。可时至今日它们并没有分散开,依旧相依共存。科学家们通过计算发现,将组成星系团的各个星系的质量加在一起,不足以产生这样巨大的吸引力。那么缺少的那部分质量来自什么地方呢?为此科学家们指出,只要中微子的质量不为零,哪怕只有相当于几个电子的质量,由于中微子数量非常可观,它们的质量之和还是非常巨大的。如果加上这些质量,这个难题便很容易得到解决了。

长期以来,人们观测到的宇宙在不断地向外膨胀着。离地球最遥远的星系或者一些星体,它们以惊人的速度远离我们而去,其离去的速度高达每秒27万千米,相当于光速的90%。整个宇宙能够这样无休止地膨胀下去吗?这是科学家们一直在思考的问题。

对此的回答,始终存在着两种截然不同的看法。一些人认为,宇宙是“开放式”的,它将无限制地膨胀下去,宇宙是无边际的。也有人则认为宇宙是“封闭式”的,宇宙经历着膨胀→收缩→再膨胀→再收缩……这样反复交替地变化过程,也就是说,宇宙所经历的是一种振荡着的过程。

怎样检验这两种看法哪一种更符合实际呢?如果宇宙是开放的,由于宇宙空间不断扩大,那么宇宙间物质的平均密度就会变小;反过来,由于宇宙空间不断缩小,物质的平均密度就会变大。

可见,宇宙存在的形式,与宇宙中物质的平均密度有着重要的关系。经过长期的研究,科学家们大致得到宇宙物质平均密度为10-29克/厘米3。若以此为标准,当宇宙中物质的平均密度大于这个数值,宇宙一定是封闭式的;否则,便是开放式的。

目前,科学家们推算出的宇宙中物质密度的平均值为10-31~10-32克/厘米3,这相当于标准值的1/10到1/100。这里没有考虑中微子的贡献。如果中微子的质量不等于零,将充满宇宙间的中微子的质量加进去,那么计算出的密度平均值要比10-31~10-32克/厘米3大得多。在这种情况下,宇宙的变化将是一种振荡式的。

凡此种种,均表明中微子的大量存在,说明中微子在宇宙中扮演着重要的角色。因此,许多国家建立了重点实验室和先进的探测装置开展这一领域的研究工作。特别是对中微子质量的测定,是当今粒子物理学一个重要的前沿课题,也是世界各国著名实验室和专家们研究的热点。

如今,许多测量的结果迹象显示,中微子的质量极小,但不为零。若果真如此,许多学科将面临着新的挑战,人们正密切注视着这一问题研究的进展情况。

由于中微子质量极小,近乎为零,它与物质的相互作用甚微,因此穿行于物质中如入无人之境。在一般物质中,中微子与粒子连续碰撞两次,中间平均通过的路程可达1018千米,相当于1000亿个地球的距离。可见中微子的穿透本领远远胜过X射线和μγ射线。

中微子在宇宙中,真是个子虽小却神通广大的“不倦行者”。不仅如此,在许多技术领域它也身手不凡。中微子通信作为一种崭新的现代通信技术,已步入了社会的舞台,引起了人们极大的兴趣。

中微子以接近光速运动,一般不反射、不折射、也不散射,而是直线前进;出没于宇宙荒原之中。这样,人们可以利用中微子在地球两端建立直接的信号联系,实行全球范围内的通信联络。

利用中微子通信,远远优于无线电微波通信和卫星通信。

它有良好的抗干扰性能,并有极好的保密性能,因此在军事领域受到了特别的青睐。它可以广泛应用于航天通信、地下通信、水下通信和全球通信等。在未来的人类通信史册中,中微子将作为一颗璀璨的明星,在通信领域放出耀眼的光芒。

宇宙中的射线来自各种情况下的核反应和核变化过程。

人们对宇宙射线的探测与研究,是人类了解宇宙、认识星空、探索它们的起源和演化的重要途径。自宇宙射线发现以来,至今已整整一个世纪了。在这百年间,人类对宇宙射线的研究不断深入、不断发展,取得了累累硕果,它使人类对宇宙的过去、现在和未来有了比较清晰的认识。

多少年来,人类进入太空、登上月球仅仅是一种美好的梦想,而如今却变成了现实。由于探测技术不断的改进和完善,先进的探测装置相继问世,人类将不断地揭示宇宙之谜,神秘的宇宙必将进一步呈现在人们的面前。

天然放射性是19世纪末物理学领域的重大发现之一,它不仅标志着人类认识物质世界达到了一个新的阶段,而且放射性的研究对其他一些领域也产生了深远的影响。X射线、放射性和电子的发现,为现代物理学的建立与发展奠定了重要的实验基础。