科技觀察：解讀2002年諾貝爾物理學獎成果

央視國際 (2002年10月08日 21:57)

　　新華網北京10月8日電：探索宇宙的奧秘，預測宇宙的未來，這是人類千百年來的夢想。2002年諾貝爾物理學獎表彰的就是這一領域的兩項重大成果。瑞典皇家科學院8日將2002年諾貝爾物理學獎授予美國科學家雷蒙德戴維斯、日本科學家小柴昌俊和美國科學家裏卡爾多賈科尼，稱他們“在天體物理學領域做出的先驅性貢獻”，打開了人類觀測宇宙的兩個新“窗口”。

　　這兩項成果一項是戴維斯和小柴昌俊在“探測宇宙中微子”方面取得的成就，這一成就導致了中微子天文學的誕生；另一項是賈科尼在“發現宇宙X射線源”方面取得的成就，這一成就導致了X射線天文學的誕生。

　　中微子是宇宙間的“隱身人”，是一種非常小的基本粒子，幾乎不與任何物質發生作用，因此儘管每秒有上萬億個中微子穿過我們的身體，但我們很難發現它的蹤影。早在1930年著名物理學家泡利（1945年諾貝爾物理學獎獲得者）就預言了這種神秘粒子的存在，但科學家用了25年的時間才證實了這一預言。證實這一預言的是美國科學家弗雷德里克萊因斯，他在20世紀50年代利用一個核反應堆製造出大量中微子。他因此獲得1995年諾貝爾物理學獎。

　　中微子還和太陽有著密切聯絡。太陽到底靠什麼發光？19世紀，科學家認為它靠的是太陽內物質相互吸引而形成的能量，但科學家計算發現，這種能量只能供太陽燃料200萬年，這顯然與實際情況不相符，因為太陽的實際年齡已經有50億年了。1920年，科學家發現，由2個質子和2個中子及4個電子組成的氦原子質量要略小于4個由1個質子和1個電子組成的氫原子的質量。英國科學家愛丁頓根據愛因斯坦的質能互換公式推測，缺少的質量轉變成能量釋放出來，這就是核聚變，太陽發光靠的就是核聚變。後來科學家預言，在太陽內每聚變形成一個氦原子就會釋放出2個中微子。

　　不過當時科學家認為，探測太陽中微子幾乎是不可能的。諾貝爾獎委員會稱戴維斯是20世紀50年代唯一一位敢於探測太陽中微子的科學家。後來科學家發現，中微子可能與氯原子核發生反應生成一個氬原子核和一個電子，探測是否生成氬原子核就可證實中微子的存在。但這種可能性非常小，諾貝爾獎委員會稱這“相當於在整個撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。為了捕獲中微子，戴維斯領導研製了一個新型探測器，它的主體是一個注滿615噸四氯乙烯液體的巨桶，埋藏在美國的一個礦井中。在30年的探測中，他共發現了來自太陽的約2000個中微子，並證實了太陽是靠核聚變提供燃料的。

　　中微子有可能與水中的氫和氧原子核發生反應，産生一個電子，這個電子可引起微弱的閃光，探測這種微弱的閃光就可證實中微子的存在。小柴昌俊在日本領導研製的另一個中微子探測器利用的就是這一原理。他除了證實太陽中微子的存在外，還在1987年2月23日發現了一處遙遠的超新星爆發過程中釋放出的中微子。在那次爆發過程中，估計有1億億個中微子穿過了探測器，科學家捕獲了其中的12個。

　　2002年諾貝爾物理學獎表彰的另一項成果與X射線有關。包括太陽在內的所有恒星都發射電磁波，其中包括可見光和我們看不見的其他電磁波，比如X射線。其實，每時每刻都會有大量的宇宙射線到達地球，但包括X射線在內的多數宇宙射線都被大氣層吸收了，因而在地面上很難發現它們的蹤影。為了揭開宇宙X射線之謎，必須向太空發射探測器。賈科尼領導研製了世界第一個宇宙X射線探測器——愛因斯坦X射線天文望遠鏡。這一探測器于1978年進入太空，它首次提供了精確的宇宙X射線圖像，在此基礎上科學家獲得了大量新發現。此外，賈科尼在世界上第一次發現了太陽系外的X射線源，第一次證實宇宙存在著X射線背景輻射，他還探測到了可能來自黑洞的X射線。1976年，賈科尼倡議研製更為強大的錢德拉X射線望遠鏡。這一探測器直到1999年才進入地球軌道。耗資15億美元的錢德拉X射線望遠鏡計劃在太空至少運行5年，對星系、類星體和恒星進行探測，尋找黑洞和黑暗物質的蹤跡。天文學家希望借助錢德拉X射線望遠鏡，能夠加深對暗物質和黑洞的認識。

　　獲獎的兩項成果均涉及對宇宙未來的研究。中微子有沒有質量，暗物質到底有多少，這關係到宇宙總質量的大小。科學家認為，如果宇宙總質量大於某個數值，宇宙將在自身引力作用下停止膨脹，並開始“大坍塌”；如果小于或等於某個數值，則宇宙將一直膨脹下去。由這兩項成果開拓的科研新領域必將揭示更多的宇宙奧秘，這些新答案將直接補充甚至改寫現有的基本理論。

責編：李莽