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」宇宙幽靈「中微子到底有沒有質量,總量為什麼是其他粒子10億倍


2018年4月13日10時 今日科學 獨品一鳴
獨品一鳴

宇宙加速膨脹的一種可能:中微子交叉輻射

在自然界中,中微子共有三種形態:電子中微子、繆子中微子、陶子中微子。它們雖然同屬構成物質世界的基本粒子,但因其極難探測,成為物理學界的「宇宙幽靈」。中微子的質量極其微小,幾乎小於電子的百萬分之一。但其總量又異常巨大,據說甚至比全部顯物質量的總和還要大。

自中微子問世的半個多世紀以來,中微子到底有沒有質量一直是物理學界的一樁懸案。標準模型認為,中微子的質量應該嚴格等於零,但某些實驗證據表明中微子的質量很可能又不是零。20世紀90年代,小柴昌俊小組終於給出了中微子有靜止質量和振蕩的確鑿證據。這一成果在當時的國際物理界引起了很大轟動。

中微子的質量找到了,現在我們就可以展開對宇宙膨脹機制的研討工作。前面說過,中微子的質量非常微小,小到只及電子的百萬分之一。但其總量又異常巨大,據說甚至要比全部顯物質量的總和還要大。與其他粒子相比,中微子的數量比它們要多出數十億倍。這是因為宇宙能產生中微子的地方極多,比如超新星爆發、x射線雙星、高速質子流、塞弗特星系和類星體等特殊天體,都是產生中微子的超級大本營。

除此之外,像遍布宇宙的太陽之類的普通恆星,也同樣是中微子的發源地。雖然普通恆星的產量遠不及特殊天體大,但由於此類恆星在宇宙中無可匹敵的數量優勢,就必然要成為脫穎而出的一群「黑馬」。

現在就從太陽開始:當太陽內部的核聚變不停地向外輻射光和熱時,它的2個氫核碰撞會釋放出1個電子和1個中微子,4個質子聚變為1個氦核時,會釋放出2個中微子。在整個太陽內部的聚變過程中,每秒所產生的中微子的數量竟然高達2×10

中微子不帶電,其靜止質量幾近於零,但核聚變所賦予它的勢能又非常之強大,以上三大特徵使中微子具有其他所有粒子都不具備的極強的穿透力。更令人驚奇的是,它具有長期保持其強度的特殊能力:據說中微子不管跨越多大的歷史時空,其超強勢頭一直不減,這當然是既難得又極其罕見的特點。但也並不一定如某些物理學家所預言和讚美的那樣,說中微子甚至能一口氣連續穿越8千億個地球而毫髮無損,這種說法肯定是錯誤的。而且正是由於這類錯誤的濫觴,阻礙了此後許多重大事件的發現。

中微子的長處亦源於它極微小的尺度和極怪僻的個性:若論其小,任何原子對它來說都無疑於一座空曠的山谷;若談其怪,它除了對引力能產生微不足道的一點兒反應之外,和其他任何粒子都老死不相往來。所以多年來儘管人們對它青眼有加,但若認真想與其對話卻是難上加難。不過世上畢竟沒有絕對的事,中微子儘管桀驁不馴,卻終不免有失手露怯之處。專家測算,平均每100萬個中微子穿越地球之時,仍然有1個會與地球大氣產生反應。如果這一推論正確,那麼這百萬分之一的中微子,就有可能是我們打開宇宙之門的一把特殊的鑰匙。

不過這「唯一」的一把鑰匙也只能給人一點兒啟示而無任何實際用途。因為經過計算,科學家發現利用大氣原子來阻擋中微子的衝擊根本行不通:對於中微子那極微小的尺度,即便鎢和鉛那樣緻密的金屬都形同無物,空氣中疏鬆的分子、原子、質子、中子和電子如何能擋得住中微子的腳步?可是,中微子就真的能夠在龐大的宇宙中橫行無忌嗎?

時至今日,現代天文物理學確實是這麼認為的。他們當然不無道理,因為無論其尺度和勢能,中微子的確具有橫行宇宙獨步天下的能力。

但是他們忘記了其中最重要的一點:即「不管中微子有多麼微小,它畢竟不為零,只要其質量不為零,就不可能逃脫物理法則即引力對它的約束」。換句話說,憑藉其極其細微的尺度,哪怕它能夠輕易穿越恆星內部最緻密的空間,甚至有本事穿越連原子甚至質子都能被壓碎的白矮星和中子星,也絕不可能無視大質量恆星的引力中心。

與大質量恆星的引力中心那勢力超凡的引力場相比,中微子再強的勢能也顯得微不足道。所以儘管現在尚未曾做過任何一項哪怕最基本的物理實驗,我仍然有絕對的把握斷言:一切恆星中心的引力場,都是中微子所無法逾越的天然障礙。因此在引力尚占主導地位的星球星系,一束中微子不遠萬里地從宇宙深處飛來,突然在大質量恆星中心的引力場中碰壁,從而在該恆星與其出發點之間產生了一個力矩。於是,宇宙的膨脹之門便從這裡開啟。

物理學家計算,星際空間平均每立方厘米每秒通過330個中微子,其密度僅次於光子,但其單位勢能卻是光子的千百倍。所以當每秒千百萬億的中微子與恆星的質量中心不斷產生斥力矩,其排斥力即推力之大是可想而知的。

那麼導致宇宙膨脹的中微子量又該如何統計和計算呢?這裡有一個簡單的方法,不妨仍以太陽為例,設:

太陽每秒約產生2×10

中微子的總量得到了,下面再來看看中微子究竟是如何導致宇宙的加速膨脹的:在三維立體四維時空的宏觀宇宙中,在300億光年那碩大無比的空間之內,到處都分布著星雲星系,到處都充斥著勢力超群的中微子源。現在我們不妨設想一下:如果銀河系以其2000億顆恆星共同組成一個統一的斥力維,宇宙其他方位的500億座龐大的星系形成另外500億個斥力維,當這些斥力維在宇宙的各方位、各角度同時在其核反應的過程中向外噴射超強勢的中微子流時,這500億條每條都寬達數萬甚至數十萬光年的中微子長河,就會在整個宇宙空間中交織出一張碩大無比的密密麻麻的「天網」。在這座「天網」中,眾星系都利用自己「手」中的中微子「大炮」不停地向外轟擊:它們互相進攻,互相衝鋒,互相推搡,互相排斥,它們你推我、我推你,大家合力往外推,於是星系開始分離,宇宙開始膨脹。

那麼宇宙究竟是何時開始加速膨脹的呢?其實在星系剛剛分離的那一刻就已經開始了,不過初始加速的幾率相對較低而已。其具體機制是:由於中微子的斥力線極長,而星系的引力線相對較短。因此隨著星系距離的逐步加大,星系間的引力線衰減較快,中微子的斥力線則衰減較慢,所以所謂的宇宙加速膨脹,不過是引力與斥力二者間比例失衡的結果——引力逐漸勢微,斥力仍然強勁,星系的移動速度自然呈遞增態勢。於是宇宙加速膨脹的效應逐漸開始顯現。可是星系問的斥力能夠導致宇宙膨脹,恆星之間的斥力為什麼就不能讓星系膨脹,最後分崩離析呢?這的確是個問題,不過此問題倒不難解答:第一,星系間的空間大,相互間的引力弱,而中微子的斥力又較少受距離的影響,因此星系之間就比較容易分離;第二,星系內的空間小,恆星間的引力大,而中微子的斥力又不足以抗衡星系質量中心的強大引力,所以星系才得以維持原狀,不至於被斥力所拆散。

當然正是由於中微子的作用,星系才沒有被引力所塌陷,人類才得以存在。所以我覺得人們若思感恩,最應感謝的就是微不足道的中微子:沒有中微子,咱們人類至今沒準還窩在量子世界裡打轉轉,一切都談不上了。

話到此處,我覺得不說也會明白,其實所謂的中微子,就是人們到處尋找卻一直找尋不到的暗能量。

因為在現今世界上,似乎也只有中微子這種極特殊、極乖戾的粒子,才具有暗能量所需要的全部特徵:極大的總量;極小的單位;極高的速度;極強的勢能;極長的壽命;極孤僻的個性。

通過上面的論述可以看出,我們現在所討論的乃是理論上的純粹的暗能。除此之外,還有一種實際存在也正在起作用的廣義的暗能量:這個暗能量的概念就是除中微子外,整個大宇宙從伽馬射線到射電波的全波段的電磁輻射。因為所有這些發射性粒子都帶有天然的斥力矩,所以它們甚至包括無所不在的明亮的光子在內,都應該收在我們的暗能量之列。

最後根據上述事例,我覺得似應設立一個屬於我們自己的宇宙學常數。這個數據不一定準確,卻能夠比較準確地體現我們對質能世界的總體認識。不致過於偏頗:顯物質為20%,暗物質為30%,暗能量為50%。

上述比例表明:顯物質與暗物質相加,恰好等於暗能量的總量;反過來暗能量與暗物質相加,則等於顯物質的4倍。四乃方位之數,無論上下左右還是東西南北,四維時空再加上空間中的物質就等於宏觀的宇宙。我相信在緩慢膨脹的無限空間中,相對平衡的質能關係也許會更適合於宇宙存在的真諦。


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