梶田隆章與阿瑟·麥克唐納在1998年和2001年分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀測到中微子振蕩現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了長期以來科學(xué)界對于我們所生活的星系的母星——唯一的恒星太陽——所建立的物理模型。然而，通過標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計(jì)算得到的應(yīng)抵達(dá)地球的中微子數(shù)量與實(shí)際觀測不符，這就是歷史上的“太陽中微子問題（solar neutrino problem）”。這個問題從60年代一直困擾科學(xué)界至2002年，最終被阿瑟·麥克唐納的斯諾（SNOW）實(shí)驗(yàn)終結(jié)。

2015年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院將該年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給梶田隆章（Takaaki Kajita）與阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald），以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，從而證明了中微子具有質(zhì)量的研究作出的貢獻(xiàn)（“for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass”）。其中，梶田隆章與另一名日本物理學(xué)家戶塚洋二（Totsuka Yōji）在1998年通過超級神岡探測器（Super-KamiokaNDE）觀測到了中微子振蕩。

米歇爾·戈南（Michel Gonin）博士

一個月后的11月26日，上海交大巴黎高科評論在巴黎綜合理工學(xué)院（Ecole Polytechnique）采訪了該校物理系教授、法國國家科學(xué)研究中心研究主管米歇爾·戈南（Michel Gonin）博士。

米歇爾·戈南先生在斯特拉斯堡大學(xué)（University of Strasbourg）取得了他的核物理博士學(xué)位，2004年開始在巴黎綜合理工學(xué)院任教，從2005年起開始進(jìn)行中微子研究。戈南博士與他所在的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)親身參與到超級神岡中微子探測器的一系列具體實(shí)驗(yàn)中：他們的團(tuán)隊(duì)在距離神岡探測器300公里以外的東京北部使用粒子加速器產(chǎn)生出中微子束，控制中微子束的方向、形狀、強(qiáng)度等，使其穿過地層抵達(dá)神岡探測器，并由另外一個團(tuán)隊(duì)對粒子束進(jìn)行進(jìn)一步研究。

“驗(yàn)證太陽模型的唯一方法就是檢測中微子?！?/p>

中微子（neutrino）這種粒子對大眾而言或許有些陌生。記憶力好的讀者大概還能記得幾年前的末日電影《2012》中，讓地球?yàn)?zāi)難頻發(fā)、人類幾乎滅亡的世界末日的源頭，是九星連珠與一系列超強(qiáng)的太陽爆發(fā)。電影中描述到，超強(qiáng)的太陽活動釋放出的中微子數(shù)量達(dá)到了無法測量的程度，以致于太陽中微子開始與地核發(fā)生物理反應(yīng)，加熱地核，并在幾年后引發(fā)了地球板塊的崩潰。

正是這一牽動整部電影脈絡(luò)的情節(jié)在2011年遭到了NASA的批評，也使得《2012》被評為最不科學(xué)的科幻電影之一——中微子是一種電中性的輕子，只參與弱相互作用以及引力相互作用。由于弱相互作用作用距離非常短，而引力相互作用在亞原子尺度下又是十分微弱的，因而中微子在穿過一般物質(zhì)時不會受到太多阻礙，且難以檢測。

然而，梶田隆章與阿瑟·麥克唐納在1998年和2001年分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀測到中微子振蕩現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了長期以來科學(xué)界對于我們所生活的星系的母星——唯一的恒星太陽——所建立的物理模型?！疤柲軄碜杂谔杻?nèi)部的核聚變，它是一個生產(chǎn)氦的工廠。在20世紀(jì)60年代初，科學(xué)家們想要檢測標(biāo)準(zhǔn)太陽模型（Standard Solar Model，SSM），也就是驗(yàn)證太陽是否真的是一個聚變反應(yīng)器，而驗(yàn)證太陽模型的唯一方法就是檢測中微子?！?/p>

然而，通過標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計(jì)算得到的應(yīng)抵達(dá)地球的中微子數(shù)量與實(shí)際觀測不符，這就是歷史上的“太陽中微子問題（solar neutrino problem）”。這個問題從60年代一直困擾科學(xué)界至2002年，最終被阿瑟·麥克唐納的斯諾（SNOW）實(shí)驗(yàn)終結(jié)。

“為了得諾貝爾獎，我們需要耐心等待?！?/p>

2001年的斯諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，并證明了太陽模型是正確的。隨后物理界進(jìn)行了中微子的量子振蕩實(shí)驗(yàn)，并第一次觀測到中微子的消失現(xiàn)象。

我們注意到了一個時間上的問題：瑞典皇家科學(xué)院在距離1998年的梶田-戶塚實(shí)驗(yàn)17年、距離2001年的阿瑟·麥克唐納實(shí)驗(yàn)14年后才頒發(fā)了該諾貝爾物理學(xué)獎。“我覺得，”戈南博士這樣評論到，“是因?yàn)檫@個發(fā)現(xiàn)需要其他實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。所謂中微子的量子振蕩，指的是中微子從電子中微子開始振蕩，也就是消失，但是會以另外一種形式出現(xiàn)，就像天平的兩端?！?1998年的超級神岡探測器和2001年的斯諾實(shí)驗(yàn)只觀測到了中微子的消失過程，但并沒有看到中微子以另一種形式出現(xiàn)。

中微子振蕩需要另外的實(shí)驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證，2011年米歇爾?戈南博士參與的T2K（Tokai to Kamioka）實(shí)驗(yàn)做到了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)借助超級神岡探測器對人工中微子進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，“該項(xiàng)目在2011年觀測到了中微子以渺子的形式出現(xiàn)。這個發(fā)現(xiàn)真正驗(yàn)證了中微子振蕩現(xiàn)象，因?yàn)樗^測到了振蕩后μ中微子的出現(xiàn)?！?/p>

實(shí)驗(yàn)成功后時隔多年才獲得諾貝爾獎的事跡非常常見。2014年物理學(xué)獎得主之一赤崎勇憑1989年發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管獲獎，2008年的醫(yī)學(xué)獎得主之一弗朗索瓦絲·巴爾-西諾西（Fran?oise Barré-Sinoussi）憑1983年發(fā)現(xiàn)HIV病毒而獲獎。根據(jù)2014年《自然》雜志刊登的一篇研究文章，等待獲得諾貝爾獎的時間越來越長了：在1940年以前，只有11%的諾貝爾物理學(xué)獎、15%的諾貝爾化學(xué)獎、24%的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎的研究發(fā)現(xiàn)需要等上超過20年才頒發(fā)給發(fā)現(xiàn)者。但到了1985年，以上三個數(shù)字分別變成60%、52%和45%。

“諾貝爾獎評選委員會非常的謹(jǐn)慎，他們不希望獲得諾貝爾獎的發(fā)現(xiàn)在幾年后就被證偽，因此獲諾貝爾獎常常需要很多時間，有時候要三十年，甚至四十年。有時不幸的是，某個發(fā)現(xiàn)的主要參與人員過世了，他也就無法獲得諾貝爾獎了，因?yàn)橹Z貝爾獎只頒給在世的科學(xué)家?！备昴舷壬@樣解釋到。

“為了得諾貝爾獎，我們需要耐心等待。”

“很多發(fā)現(xiàn)要在40年后才在日常生活中能有廣泛的應(yīng)用。”

除了實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要長期的后續(xù)研究才能得到驗(yàn)證之外，如此龐大的實(shí)驗(yàn)在整個過程中如何克服可能遇到的種種困難，也是一項(xiàng)考驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)的任務(wù)。

“以我們觀測μ中微子出現(xiàn)的T2K項(xiàng)目為例，在我們剛開始項(xiàng)目的時候，第一個困難就是資金問題?！敝形⒆友芯孔鳛楝F(xiàn)代物理學(xué)的尖端科研題目需要大量的資金投入，戈南博士所在的團(tuán)隊(duì)需要說服各國相關(guān)領(lǐng)域科研負(fù)責(zé)人為項(xiàng)目的開展注入資金。參與T2K項(xiàng)目的國家一共有二十多個，項(xiàng)目組中有日本、歐洲、美國、南美、加拿大等等的團(tuán)隊(duì)。而項(xiàng)目組的解決方法是向法國或是其他參與研究的國家申請資金，“我們需要首先讓其他科學(xué)家信服，然后讓科研負(fù)責(zé)人相信這是一門有趣的物理科研項(xiàng)目，讓他們愿意為之投資?！?/p>

尖端物理科研絕對是一項(xiàng)投資。米歇爾·戈南博士同時參與了一項(xiàng)位于中國的中微子研究項(xiàng)目，名為JUNO。JUNO的全稱是江門中微子實(shí)驗(yàn)站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory），在一年前啟動。根據(jù)JUNO官方網(wǎng)站公布的信息，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組將設(shè)計(jì)、研制并運(yùn)行一個國際領(lǐng)先的中微子實(shí)驗(yàn)站，以測定中微子質(zhì)量順序、精確測量中微子混合參數(shù)，并進(jìn)行其它多項(xiàng)科學(xué)前沿研究。

“在日本（超級神岡探測器實(shí)驗(yàn)）我們用加速器產(chǎn)生中微子，在中國，我們則用核反應(yīng)堆來生成中微子?！盝UNO計(jì)劃通過探測來自陽江核電站與臺山核電站反應(yīng)堆的中微子能譜，精確測量反應(yīng)堆中微子的振蕩信號，以確定中微子質(zhì)量順序。JUNO的第一次試驗(yàn)預(yù)計(jì)將在2019年開始。

中國科學(xué)院在JUNO項(xiàng)目中出資不菲，整個項(xiàng)目大概耗資3.5億美元。“日本的下一個項(xiàng)目將使用究級神岡探測器，而美國的中微子研究項(xiàng)目叫做DUNE（Deep Underground Neutrino Experiment），將花費(fèi)10億美元。”戈南博士向我們介紹道。

籌措資金的難度不僅僅在于數(shù)目的巨大，更在于中微子研究（以及其他理論物理研究）本身的特點(diǎn)?！熬湍壳岸?，這項(xiàng)理論物理發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用前景還難以預(yù)言?！奔幢闶窃谑澜缫涣鞯母叩冉逃龑W(xué)府中，中微子也不是一項(xiàng)誰都可以涉足的研究課題：它既有幫助粒子科學(xué)家探尋物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一面，也有幫助天體物理學(xué)家了解星體與宇宙演變的一面——這始終沒有走出理論研究的領(lǐng)域。“目前這項(xiàng)發(fā)明還沒有到應(yīng)用物理的領(lǐng)域。”戈南博士很確定地說，“很多發(fā)現(xiàn)要在40年后才能在日常生活中有廣泛的應(yīng)用?！?/p>

當(dāng)然這不代表中微子研究注定停留在草稿紙、黑板與數(shù)學(xué)演算上，實(shí)際生活中也可以有中微子的一片用武之地?！氨热缤ㄟ^中微子我們可以實(shí)現(xiàn)快速通訊，因?yàn)橹形⒆訋缀醪缓臀镔|(zhì)發(fā)生作用，所以在通訊領(lǐng)域我們可以使用中微子。我們還可以使用中微子來驗(yàn)證一個國家是否擁有原子彈?！敝劣诿裼弥形⒆蛹夹g(shù)何時能得到發(fā)展，依舊難以預(yù)料。

“我們在日本遇到的另一個問題是2011年的地震?！?011年3月11日日本仙臺以東太平海域發(fā)生9.0級地震，引發(fā)海嘯與福島核泄漏事故，這也使得T2K的研究項(xiàng)目耽擱了一年的時間，給實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)搜集數(shù)據(jù)等工作造成了很大的麻煩。此外，團(tuán)隊(duì)還面臨著加速器方面的技術(shù)難題、各國科研團(tuán)隊(duì)之間的交流與合作等問題。所幸的是，這些困難在實(shí)驗(yàn)過程中逐漸得到化解，T2K項(xiàng)目最終也取得了階段性的成果。

“中微子質(zhì)量的來源依然是個迷。”

有關(guān)中微子的發(fā)現(xiàn)與研究歷史上已經(jīng)多次贏得諾貝爾物理獎：1956年，美國科學(xué)家克萊德·科溫（Clyde Cowan Jr）和弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）觀測到了中微子誘發(fā)反應(yīng)，第一次從實(shí)驗(yàn)中得到中微子存在的證據(jù)，近四十年后榮獲1995年的諾貝爾物理學(xué)獎；1962年，美國物理學(xué)家利昂·萊德曼（Leon Lederman）等人發(fā)現(xiàn)不同的中微子，獲得1988年的物理學(xué)獎；2002年，美國科學(xué)家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr）和日本科學(xué)家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）因在中微子天文學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲獎。而使今年兩位得主獲獎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)——中微子量子振蕩現(xiàn)象說明中微子質(zhì)量不為零，然而中微子質(zhì)量的來源依然是個迷。這也是為什么中微子乃至整個基本粒子領(lǐng)域的研究依舊是全球科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)之一。

提到現(xiàn)代物理在基本粒子上的研究，有一項(xiàng)科研項(xiàng)目不可不提：在阿爾卑斯山脈的深處，瑞士日內(nèi)瓦近郊的山中深藏著歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。這個巨大的周長27公里的圓環(huán)對撞型粒子加速器總計(jì)耗費(fèi)八十億美元，從2008年開啟以來已經(jīng)進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)。在丹·布朗（Dan Brown）2000年的虛構(gòu)小說《天使與魔鬼》中，就是這里制造出了差點(diǎn)毀掉整個梵蒂岡城的反物質(zhì)。

小說之外的現(xiàn)實(shí)中，LHC對撞機(jī)確實(shí)有過一些不得了的發(fā)現(xiàn)：2013年3月，歐洲核子研究中心宣布他們在2012年7月探測到的新粒子是希格斯玻色子（Higgs boson），常被媒體稱作“上帝粒子”，因?yàn)檫@粒子在當(dāng)今物理學(xué)中處于極為中心的位置，對我們理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵、也極為難以捉摸。“希格斯玻色子解釋了為什么有些粒子具有質(zhì)量，但是無法解釋中微子具有質(zhì)量的現(xiàn)象，所以我們需要找到中微子具有質(zhì)量的其他解釋。”

對于中微子質(zhì)量來源的猜想有很多，其中一個與熱愛科幻電影的人們常常提起的一個詞有關(guān)：“高維空間”。 “有的理論告訴我們，我們生存的空間可能是八維的、甚至十一維的，這些高維空間造成了中微子的質(zhì)量。” 克里斯托弗·諾蘭2014年執(zhí)導(dǎo)的《星際穿越》讓“五維空間”這樣的詞語成為了許多理科男生在電影后與女伴的談資。高維空間是物理研究中時空觀的重要元素，目前仍舊處于我們的想象當(dāng)中，正如馬修·麥康納所飾宇航員所進(jìn)入的那個五維空間也只存在與電影中，但是中微子的質(zhì)量問題“可能證明了我們生存的世界存在超過四維的維度”，戈南博士這樣解釋道。

除此之外，物理學(xué)家們認(rèn)為中微子與萬有理論（Theory of Everything）有著關(guān)聯(lián)。長久以來物理學(xué)家們一直希望能夠?qū)⑺姆N力——即四種基本相互作用（引力相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用）統(tǒng)一在同一理論體系下。從愛因斯坦開始，尋求力的統(tǒng)一模型一直是現(xiàn)代物理學(xué)的終極靶標(biāo)。“我們認(rèn)為，在宇宙之初僅有一種力，即'原力’（La Force），正如《星球大戰(zhàn)》中說的一樣。”戈南博士開玩笑似地說到。至今為止，尋求萬有理論尚未成功，萬有引力尚未與其他作用力統(tǒng)合。因此，粒子物理學(xué)者期望正在進(jìn)行的探索新粒子的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪o萬有理論的研究提供新的思路。

新的思路意味著更進(jìn)一步的探索。諾貝爾獎給中微子研究帶來的關(guān)注熱度注定會慢慢消退，但物理學(xué)界對于這一理論前沿難題的研究則不會衰減。盡管中微子研究的應(yīng)用前景并不明朗，依舊存在許多理論問題有待解釋，但正如戈南博士所說，“這個發(fā)現(xiàn)改變了很多?！比绻胬碚娴目梢员蝗祟愃街?，那么我們一定離它又更近了一步。(采訪：蔣相和、翁昊森，文：翁昊森)