2015 年诺贝尔物理学奖为什么授予「中微子振荡」?该发现对物理学界和普通人有什么影响?

标签: 诺贝尔 物理学 中微子 | 发表时间:2015-10-07 02:00 | 作者:傅渥成
出处:http://www.zhihu.com
谢邀,我不是这方面的专家,以前量子力学的习题里有以中微子振荡作为背景的计算题。这里的回答们都已经非常好了,我只能再稍稍补充些更简单、更基础的背景,然后提供些材料大家看看。

中微子其实大家也不陌生,之前的大「乌龙」,即「超光速」,说的就是中微子(这一事件的背景参见: 科学网—南方周末:中微子超光速乌龙记 )。从这个乌龙的事情大家很容易就能明白,中微子的速度的确与光速是接近的。(说到跟光速接近的粒子,大家可以直观地联想一下没有静止质量的光子,这个联想可以让我们从感觉上理解为什么大家曾经认为中微子是没有质量的。)

前面的联想只是某种「感觉」,我们接下来用一个简单的例子来说明为什么标准模型需要无质量的中微子。说到标准模型大家还会有些陌生,不过杨振宁、李政道他们获得诺贝尔奖的工作(宇称不守恒)大家可能会熟悉一些,这一工作也是标准模型的基础之一。中微子在「弱相互作用中宇称不守恒」中有着重要的作用。简单地说,「宇称不守恒」意味着左右是不等价的,换句话说,存在着绝对的左和右,我们总能分辨出什么是真实世界、什么是镜像世界。对中微子而言,真实世界里的中微子,其自旋总是与运动方向相反的。可如果中微子有质量,那么其速度总小于光速,因此我们总可以选择一个(大于中微子速度)更接近光速的参考系,这时看起来,中微子的自旋就可以与运动方向相同了——这样就有问题了,因此中微子如果有质量,就意味着此前的标准模型是不完善的。

而中微子振荡说明了中微子是有质量的(振荡的幅度用中微子混合角描述,而振荡的频率则由两种中微子之间的质量平方差决定)。这种混合直观地理解如下图所示(来源于下面的参考页面 [1])。这种混合是真正意义上的量子力学的态的混合(联想薛定谔的猫的「生」和「死」态的混合),产生时的弱作用本征态不是质量本征态,而是三种质量本征态的叠加,然而测量(联想薛定谔的猫的打开盒子),就会看到不同的中微子(猫只可能是「死」或者「活」)。从中微子振荡的角度很容易可以理解太阳中微子等问题(太阳中微子流量与理论计算相比出现缺失)。



关于中微子静止质量的意义,很重要的一点是:中微子与光没有相互作用,而它又有静止质量的话,它很可能就是「暗物质」的一种可能的候选。关于这方面的意义,9月份的时候,我还看到 PRL 上发表大亚湾测量的中微子振荡的有关结果,参见: 大亚湾发表迄今最精确的反应堆中微子振荡测量结果 。当时也看到一些新闻稿提到中微子研究(尤其是当下的中微子物理研究)的意义:

中微子研究已进入精确测量时代。提高中微子振荡参数的测量精度对于理解物质与反物质间的不对称性至关重要,这种不对称性很可能解释了宇宙初期,当绝大部分的物质与反物质湮灭之后,剩余的物质构成了我们今天所看到的宇宙。大亚湾的新结果为未来的中微子研究铺平了道路,而大亚湾的前景更加值得期待。

中微子物理研究的意义是全方位的。举个例子(也是吐个槽),跟生物类的杂志比起来,PRL 的影响因子一直并不高,然而大亚湾中微子实验( \theta_{13})的文章,一举拉升了 PRL 的影响因子,至少这说明中微子物理的研究是非常重要的基础性工作。


说来说去似乎没有提到「对普通人的影响」,事实上,各种探测器的建设、各种基础元器件的引进和技术进步对我们的生活也可能有很重要的意义,当然,也会拉动经济和某些行业的发展。中国正在成为中微子物理方面的中心,这些研究中心的建设也会在未来留下某些「种子」。在我看来,国际合作和人才培养可能会是其中最重要的「种子」。

此外,对这个问题有兴趣的朋友还请参考:

[1] 大亚湾反应堆中微子实验简介----大亚湾反应堆中微子实验工程
[2] 曹俊《中微子——通往新物理之门》
http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/kpyd/201503/P020150302604342579550.pdf
[3] 科学网—破解太阳中微子失踪之谜
[4] 曹俊 《大亚湾与江门中微子实验》 http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/kpyd/201503/U020150302603241564711.pdf

来源:知乎 www.zhihu.com
作者: 傅渥成

【知乎日报】千万用户的选择,做朋友圈里的新鲜事分享大牛。 点击下载

此问题还有 11 个回答,查看全部。
延伸阅读:
欧洲研究人员发现难以解释的超光速现象,这个消息可靠吗?如果属实,对物理理论可能会产生哪些影响?
量子物理和相对论对现代生活的影响有哪些?

相关 [诺贝尔 物理学 中微子] 推荐:

2015 年诺贝尔物理学奖为什么授予「中微子振荡」?该发现对物理学界和普通人有什么影响?

- - 知乎每日精选
谢邀,我不是这方面的专家,以前量子力学的习题里有以中微子振荡作为背景的计算题. 这里的回答们都已经非常好了,我只能再稍稍补充些更简单、更基础的背景,然后提供些材料大家看看. 中微子其实大家也不陌生,之前的大「乌龙」,即「超光速」,说的就是中微子(这一事件的背景参见: 科学网—南方周末:中微子超光速乌龙记 ).

【发现者】解读2011年诺贝尔物理学奖

- Shphi - 网易新闻·有态度专栏
导读:1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论,此后这一直是我们理解宇宙的基础. 按照广义相对论,宇宙只能收缩或者膨胀,不可能稳定不变. 观测到的宇宙膨胀,在理论计算中其实已经被人提出过了. 宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸,但在最初几十亿年里,宇宙膨胀的速度是越来越慢的. 这种加速被认为是由暗能量驱动的,这种暗能量起初只占宇宙的一小部分.

快讯:诺贝尔物理学奖揭晓 三位科学家获奖

- 洞箫 - cnBeta.COM
据国外媒体报道,北京时间10月4日17点45分(斯德哥尔摩时间10月4日11点45分),诺贝尔物理学奖获奖名单揭晓,一半奖项授予美国加州大学伯克 利分校物理学系教授索尔-普密特;另一半奖项授予澳大利亚国立大学天文学与天文物理学研究学院澳大利亚研究理事会教授布莱恩-施密特和美国约翰-霍普金斯 大学物理学与天文学系教授亚当-黎斯.

2014诺贝尔物理学奖揭晓:蓝光LED照亮世界

- - 博客园_新闻
2014 年诺贝尔物理学奖得主的贡献是发明了一种高效而环保的光源——蓝色发光二极管(LED). 继承阿尔弗雷德·诺贝尔的精神,本次奖项奖励的是一项对全人类带来巨大益处的发明;蓝光 LED 的出现使得我们可以用全新的方式创造白光. 随着 LED 灯的诞生,我们有了更加持久、更加高效的新技术来替代古老的光源.

三位天文学家因发现宇宙暴涨分享2011年诺贝尔物理学奖

- 微笑!?~ - Solidot
美国加州伯克利大学的天体物理学家Saul Perlmutter,澳大利亚国立大学Brian P.Schmidt和美国约翰霍普金斯大学Adam G.Riess因通过超新星研究发现宇宙加速膨胀而分享2011年诺贝尔物理学奖. 三位天体物理学家研究Ia型超新星,此类超新星是一颗致密的恒星爆炸产生的,它重量堪比太阳,但体积只有地球大小,它的爆炸所喷射出的辐射与整个银河相当.

伯克利诺贝尔物理学奖得主:不升职不加薪 车位作奖励

- 冷眼萨特 - cnBeta.COM
美国加州大学伯克利分校教授索尔・佩尔马特,刚刚和另两位科学家一起获得了2011年度的诺贝尔物理奖. 这位天体物理学家得到消息时正在监考,据学生们在校内论坛上说,教授淡定地告诉大家:“我终于也有自己的停车位了.

三名科学家因发明蓝色LED赢得2014年诺贝尔物理学奖

- - Solidot
瑞典皇家科学院宣布,2014年诺贝尔物理学奖得主是开发蓝色发光二极管(LED)的日本名城大学终身教授赤崎勇(85岁)、美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二(60岁)及名古屋大学教授天野浩(54岁). 蓝色LED应用于节能且寿命长的照明器材. 这是继2012年京都大学教授山中伸弥获得诺贝尔医学生理学奖之后再次有日本学者荣获诺奖.

CERN物理学家声称中微子速度超越光速

- 远 - Solidot
+Dante Jiang 写道 "爱因斯坦 1905 年提出的狭义相对论指出,宇宙中任何东西都不可能超越真空中的光速. 但是 CERN(欧洲核子研究中心)日内瓦实验室的研究者宣称他们记录下了中微子突破了299792千米/秒 的界限. " 实验原理很简单:位于意大利的粒子探测器Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus(OPERA)记录瑞士日内瓦CERN发射出的中微子.

英物理学家冷嘲中微子超光速 打赌吃内裤

- 洞箫 - cnBeta.COM
感谢我不说你就不知道我是谁的投递. 对于中微子移动速度超过光速的这一惊人发现,一些科学家持怀疑态度. 这一发现由欧洲核子研究组织(CERN)的物理学家得出,如果计算结果是正确的,爱因斯坦的相对论必将遭到挑战,这项理论早已成为物理学的基石.

医学诺贝尔之路(1907):未被遗忘的拓荒者

- yu - 科学松鼠会
1902年,罗纳德•罗斯(Ronald Ross)凭借对疟疾传播机理的发现摘走了第二届诺贝尔医学和生理学奖,这无疑是对罗斯本人忘我工作和辛勤付出的最好嘉奖. 不过,平心而论,罗斯能够取得如此成就,显然是“站在了巨人的肩上”,而且他脚下的巨人还不止一位. 除了前面曾经提到过的“热带医学之父” 帕特里克•曼森(Patrick Manson)教授之外,法国人拉弗兰也功不可没.