中微子能否穿过直径一公里的中子星?

中微子能否穿过直径一公里的中子星?
2020年07月10日 17:21 号外小嫣

中微子是随着人类对微观世界探索的日益深入,不断总结、寻求突破和自我否定过程中最终发现和印证的一类物质。大家或许对中微子了解地都不太深入,不过对于它的其中一个特征-极强的穿透力应该早有耳闻,我们的身体每时每刻都有无数中微子穿过,而我们对此一点感觉都没有,甚至整个地球也阻挡不住中微子的穿过,由于它的极难观测性,科学界形象地称之为“幽灵粒子”。那么,假如我们用物质密度极大的中子态物质,比如直径一公里的中子星,能否阻挡住中子星的穿透呢?

中微子的发现可谓一波三折,曾经一度使得科学界对之前建立起来的基础物理科学体系“遥遥欲坠”。它的发现,可以追溯到19世纪末、20世纪初,那个时期对于核物理特别是微观粒子的研究刚刚兴起,但是对于微观粒子体系中还一直没有发现中微子的存在。随后,爱因斯坦提出了质量守恒定律,用以阐释在一个封闭系统中,无论发生何种的物理或者化学变化,系统内组成物质的所有质量总和保持不变。此后,科学家发现,当在进行核裂变反应时,质量总会发生一定程度的亏损,这种现象爱因斯坦通过深入研究,将质量和能量进行了统一,又提出了质能守恒定律,从而将质量与能量都看作是物质存在的基本属性,二者呈现明确的对应关系,这一定律从更高的高度深入阐释了物质的统一性,成为推动科学理论研究和发展的基础之一。

然而,当科学家们在进行中子衰变相关研究时,却发现中子通过β衰变为质子和电子的过程中,反应后系统的总质能与反应前存在一定的亏损,在排除所有实验误差之后这种亏损依然存在,这就使得一部分科学家比如玻尔,提出了在β衰变过程中不遵守质能守恒定律,这个物理基石面临被推翻的危险。当然,也有一部分科学家比如泡利,则认为质能守恒定律不可能错误,只不过在β衰变过程中了,除了已知的质子和电子微观粒子以外,依然存在着另外一种之前从来没有被发现、很难被监测到的特殊粒子,正是它带走了一部分的能量。随后,费米根据泡利等科学家的观点,通过量子力学理论,推导出了费米子衰变的连续能谱公式,从理论上解释了β衰变过程中会有一种特殊的粒子,与产生的电子同时出现。此后,又有科学家通过K-俘获原子的反冲试验,间接证实了中微子的存在。

在此之后,科学家们围绕中微子的探测和特性展开了一系列研究,结果发现,无论是在恒星内部的核聚变、超新星爆发以及放射性元素的衰变等过程中,都会释放出中微子。从中微子的性质来看,它本质上属于轻子,也就是说在正常的原子结构中,是不包含中微子的,只有当由质子、中子组成的原子核结构被打破,然后这些微观的粒子重新组合形成新的原子核时,中微子才会被释放出来。

中微子曾一度被认为是自由态的中子,不过随着中子的发现和命名,才得以改名为中微子。中微子与中子同样具有1/2自旋、自由性很强、不带任何电荷等性质,而且遵循泡利不相容原理,所以它俩都属于费米子。不过,二者也具有明显的差别,中子属于强子,不在基本粒子范畴,有明确的质量;而中微子属于轻子,不参与强相互作用和电磁作用,仅受到弱相互作用和引力的影响,同时有无静止质量科学界现在还没有统一的结论。

正因为中微子具有上述特性,特别是它的高度自由性,以及不带电荷、没有磁矩,几乎不参与和其它物质的作用,再加上运动速度非常快,仅比光速慢一丁点,所以极难被观测到,穿透能力也超强,据推测,中微子从地球的一端穿透到另一端,仅需0.02秒。2017年,科学家通过位于南极洲的“冰立方”,探测到了来自40亿光年外一个椭圆星系发出的中微子,这是迄今为止捕捉到的距离地球最远的中微子。

根据科学家们的判断,由于中微子几乎不会与任何物质发生作用,理论上100亿个中微子才可能只有1个出现例外,所以阻挡物的厚度多少,对阻挡中微子的效率起不到什么作用。原子内部的强核力以及电荷转移带来的电磁作用,在中微子身上毫无效果,而弱核力也只有在发生β衰变的瞬间对中微子产生一些影响,所以无论是人的身体,还是地球,抑或5公里的钢板,对中微子来说,在根本上都看不眼。

即使是处于中子简并态的中子星,由于中子与中子之间还没有达到能够进一步结合的地步,所以中子星最基本的物质组成-中子之间也会存在巨大的排斥力,这也就造成了中子互相之间会有一定的空间间隔,而且中子本身也并非完全致密的存在,其中还会有更微小的粒子存在,也存在一定的“空隙”。再加上中子星表面的逃逸速度只有光速的一半,以中微子的高度自由性和近光速运行的特征,穿透中子星也不在话下。

那么,唯一能够阻挡住中微子,或者说中微子的最终归宿,则只能是宇宙的终极武器-黑洞了,在其事件视界以内,连光线都无法逃逸,那么速度稍慢一些的中微子一旦进入黑洞的视界以内,则会被强大的引力束缚住,再也逃脱不出来,最终则会坠向黑洞的奇点,在那里将变为更加微小的亚粒子或者其它未知的形态,结束其无比神秘的一生。

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