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公众号的第一百篇
复习物理课：爱因斯坦的贡献
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《中微子是什么子》（公众号小吴老吴文章）
查点资料，做点笔记。
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今天宣布的诺贝尔奖与中微子
今天诺贝尔物理学奖发下来了，给了82岁的Halzen。获奖理由是他牵头建了冰立方中微子天文台，还用它抓到了来自宇宙深处的高能中微子。一个人独享物理学奖，上回是2020年，再上回是1992年，那次也是搞粒子探测器的。
这个奖的源头是1988年，Halzen提出了一个想法：在南极冰底下埋传感器，抓中微子。当时多数同行的判断是这事注定失败。但他排除争议，从设想到建成，再从建成到拿奖，整整38年。
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每一秒都有上万亿个太阳中微子穿过人的身体
准确的数字还要大，百万亿量级。穿过去之后什么事都不发生，你不会发热，不会受伤，细胞甚至不知道有东西来过。地球对中微子来说基本是透明的，从脚底穿进来的和从头顶下来的数量差不多。一光年厚的铅墙，它都有很大概率直接穿过去，谁也挡不住中微子。
之所以这样，主要是因为中微子不带电，不参与电磁相互作用，只通过弱相互作用和引力跟物质打交道。弱相互作用的力程极短、概率极低，所以它近乎不存在。也正因为近乎不存在，它就成了宇宙里最可靠的信使，成为人类研究宇宙最梦想获得的工具之一。
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中微子是不是电子，到底是什么子？
跟电子是兄弟，不是同一种。你身边的物质，原子核里是质子和中子，它们都是由夸克组成的强子，核外面绕着电子。中微子和电子同属一类叫轻子的基本粒子，算是近亲。区别就一个：电子带电，被电磁力管着，所以会绕原子核转，会导电，会发光；中微子什么都不参与，只管自己飞。
中微子还分三种，电子型、μ子型、τ子型。1930年泡利提出它，纯粹是因为β衰变的能量账算不平，他宁可假设一个看不见的粒子也要保住能量守恒。一个为算平账本而“发明”的幽灵，26年后竟然真的被实验抓到了，科学就这么神奇。
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在冰里，中微子比光还快
这不是比喻，是诺贝尔奖所奖励的在南极的冰立方这台机器的立身之本。光进入冰里会变慢，慢到真空光速的四分之三左右。不是光子偷懒，是光不断被冰分子吸收再辐射，一来一回，队伍整体的速度就降下来了。中微子不跟冰分子打交道，穿过两公里的冰如履平地，全程接近真空光速。于是冰里出现一个反常画面：幽灵般的中微子跑赢了光。这个速度差正是探测器的开关。
中微子偶尔撞到冰里的原子核，撞出一个带电粒子，这个粒子继承了中微子的速度，在冰里跑得比冰中的光还快，发出一道微弱的蓝光，课本上叫切伦科夫辐射。冰里的5160个传感器捕的就是这道光，顺着它再反推中微子的能量和来向。向科学家致敬吧！
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南极的冰在搞什么
找中微子所需的一立方公里的探测介质人造不出来，也没人造得起，Halzen的想法是在南极造出来：南极冰层两公里多深处，冰纯净透明，地质稳定，没有地震，是现成的一立方公里，被他相中了。
用热高压水枪钻孔融冰，冰下1450米到2450米，放进86条缆绳，每条挂60个光学模块，14个国家450多人参与（中国大陆没有直接参与），2011年完工。南极的施工窗口只有每年夏天几个月，一年放不下去几条缆绳，就这么一年一年干出来了。
为什么要这么大的体积？因为中微子撞上的概率太低，只能靠数量堆，监测的物质够多，总能等到撞上的一次。2017年他们把一颗中微子追到40亿光年外的一个耀变体，人类第一次知道高能中微子是从哪来的。
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中微子极大延展了人类对宇宙的触觉
人类看宇宙，主要靠光。但光会被尘埃挡住，会被途中物质吸收。银河系中心后面有什么，我们其实根本看不见。但是，中微子不受这些影响，从产生那一刻起就直线飞行，黑洞旁边的事、伽马射线暴内部的事，它原封不动能带出来。
1987年有一次很说明问题：一颗超新星爆发，地球上的探测器比可见光早几个小时收到它的中微子！中微子从星核里直接跑出来了，光还在星体内部一层层往外挤。那一次全地球只抓到二十几个中微子，就拿了2002年诺贝尔物理学奖。二十几个粒子换一个诺奖，可见它带出来的信息有多值钱。
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宇宙大爆炸与中微子
光最远只能带我们看到大爆炸之后的38万年。科学家们的传说是，那之前宇宙是一锅不透明的等离子体，光子跑不出来，光学观测到这里就是尽头了。但中微子不受这个限制。大爆炸后产生的中微子，138亿年过去了，它们还在宇宙里穿行。要是能抓到，就比光学极限往前提了38万年。
可惜这批中微子飞得太久，被宇宙膨胀不断降温，能量低到现在的技术抓不住。它们是目前宇宙中唯一慢吞吞的中微子，其他中微子都还贴着光速跑。这批最古老也最慢的信使，算是留给后人的活。
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太阳的中微子丢过三分之二
太阳核聚变产生的是电子型中微子，但探测器收到的数量只有理论预言的三分之一左右。这个亏空困扰了学界三十多年，有人怀疑太阳模型错了，有人怀疑实验错了。
后来搞明白了，中微子在飞行途中会互相转换，三种中微子会来回变，学名叫中微子振荡。失踪的那些没丢，是变成了另外两种，老探测器认不出来。这件事的物理后果很大：三种能互相变，前提是中微子有质量，而旧版标准模型里中微子质量是零。一个公式错了一点，就漏掉了一种粒子的质量。2015年的诺贝尔物理学奖给的就是这个发现。
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暗物质可不是中微子
早年真有人这么怀疑过。因为星系的旋转速度快得反常，按可见物质产生的引力，外侧的恒星早该被甩飞了，但没有，说明有大量看不见的物质在提供引力，这就是传说中的暗物质的源起。既然中微子也看不见，会不会就是它？算完发现不是。
中微子跑得太快，接近光速，如果暗物质主要是中微子，宇宙的大尺度结构会先形成超大块再碎裂，跟实际观测到的星系成团方式对不上。而且中微子的总量也不够。
算下来的结果是，宇宙的质能里普通物质占5%，暗物质27%，剩下是暗能量。暗物质比中微子还要幽灵，中微子好歹参与弱相互作用，暗物质连这个都不参与，否则我们早该看到它了。几十年，全世界最深的地下实验室，一克都没抓到。
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中微子长什么样子？
我问AI这个问题结果被嘲笑了，它说这个问题不成立。微观尺度上没有样子这回事。电子不是一颗小球，是一团概率云，位置、形状这些属性只有在被测量时才被敲定，中微子也一样。问一个粒子长什么样，跟问一段旋律是什么颜色差不多。
人的感官是为三维空间里找吃的和躲天敌设计的，不为微观世界设计。但人的聪明就在于，虽然看不见电子，但能算出它的磁矩到小数点后十二位，跟实验分毫不差。泡利当年连中微子这个粒子本身都是算出来的。
看不见，但能算出来，不局限于身体的感官去感知世界，我觉得这是人类与其他动物最大的区别。
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人大脑中的一堆神经元就会产生意识，这事和中微子有关吗？
网上有说法把意识往量子效应上引，再往各种神秘粒子上引，中微子因为神出鬼没经常被拉来客串。但从物理上看，中微子几乎不跟物质发生任何作用，连穿过大脑都不会留下痕迹，更别说参与神经活动了。
意识这事目前的理解是神经系统的产物，就像火是燃烧的产物。不过，为什么一堆神经元会产生主观体验，这个所谓困难问题至今没有任何理论能真正回答，科学目前没证明有关系，但也没证明没关系啊。
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AI能拿到诺贝尔奖吗？
我觉得不会。但这话现在说可能有点满，至少目前看是这样的。AI在已知数据里找答案的能力已经很强了，中微子实验里用机器学习压本底、捞信号，本事已经超过传统方法。但在完全没有训练集、没有先例的事件中，似乎多数人认为AI还是不行，AI善于解决已知世界的各种问题，但似乎无法解决未知世界的未知。
Halzen一直有一个信念，就是中微子天文学应该存在。颁奖那天他在意大利，说自己正在写一份项目申请书，希望这个奖能帮他通过，全场笑了。82岁，刚拿诺奖，还在写申请书要经费。在证据为零的时候下注，用一生为一个可能失败的判断负责，就这样的事情，优秀的人类可以，但优秀的AI机器好像还没有这个本事。
是为中微子学习笔记。
查点资料，做点笔记。
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今天宣布的诺贝尔奖与中微子
今天诺贝尔物理学奖发下来了，给了82岁的Halzen。获奖理由是他牵头建了冰立方中微子天文台，还用它抓到了来自宇宙深处的高能中微子。一个人独享物理学奖，上回是2020年，再上回是1992年，那次也是搞粒子探测器的。
这个奖的源头是1988年，Halzen提出了一个想法：在南极冰底下埋传感器，抓中微子。当时多数同行的判断是这事注定失败。但他排除争议，从设想到建成，再从建成到拿奖，整整38年。
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每一秒都有上万亿个太阳中微子穿过人的身体
准确的数字还要大，百万亿量级。穿过去之后什么事都不发生，你不会发热，不会受伤，细胞甚至不知道有东西来过。地球对中微子来说基本是透明的，从脚底穿进来的和从头顶下来的数量差不多。一光年厚的铅墙，它都有很大概率直接穿过去，谁也挡不住中微子。
之所以这样，主要是因为中微子不带电，不参与电磁相互作用，只通过弱相互作用和引力跟物质打交道。弱相互作用的力程极短、概率极低，所以它近乎不存在。也正因为近乎不存在，它就成了宇宙里最可靠的信使，成为人类研究宇宙最梦想获得的工具之一。
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中微子是不是电子，到底是什么子？
跟电子是兄弟，不是同一种。你身边的物质，原子核里是质子和中子，它们都是由夸克组成的强子，核外面绕着电子。中微子和电子同属一类叫轻子的基本粒子，算是近亲。区别就一个：电子带电，被电磁力管着，所以会绕原子核转，会导电，会发光；中微子什么都不参与，只管自己飞。
中微子还分三种，电子型、μ子型、τ子型。1930年泡利提出它，纯粹是因为β衰变的能量账算不平，他宁可假设一个看不见的粒子也要保住能量守恒。一个为算平账本而“发明”的幽灵，26年后竟然真的被实验抓到了，科学就这么神奇。
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在冰里，中微子比光还快
这不是比喻，是诺贝尔奖所奖励的在南极的冰立方这台机器的立身之本。光进入冰里会变慢，慢到真空光速的四分之三左右。不是光子偷懒，是光不断被冰分子吸收再辐射，一来一回，队伍整体的速度就降下来了。中微子不跟冰分子打交道，穿过两公里的冰如履平地，全程接近真空光速。于是冰里出现一个反常画面：幽灵般的中微子跑赢了光。这个速度差正是探测器的开关。
中微子偶尔撞到冰里的原子核，撞出一个带电粒子，这个粒子继承了中微子的速度，在冰里跑得比冰中的光还快，发出一道微弱的蓝光，课本上叫切伦科夫辐射。冰里的5160个传感器捕的就是这道光，顺着它再反推中微子的能量和来向。向科学家致敬吧！
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南极的冰在搞什么
找中微子所需的一立方公里的探测介质人造不出来，也没人造得起，Halzen的想法是在南极造出来：南极冰层两公里多深处，冰纯净透明，地质稳定，没有地震，是现成的一立方公里，被他相中了。
用热高压水枪钻孔融冰，冰下1450米到2450米，放进86条缆绳，每条挂60个光学模块，14个国家450多人参与（中国大陆没有直接参与），2011年完工。南极的施工窗口只有每年夏天几个月，一年放不下去几条缆绳，就这么一年一年干出来了。
为什么要这么大的体积？因为中微子撞上的概率太低，只能靠数量堆，监测的物质够多，总能等到撞上的一次。2017年他们把一颗中微子追到40亿光年外的一个耀变体，人类第一次知道高能中微子是从哪来的。
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中微子极大延展了人类对宇宙的触觉
人类看宇宙，主要靠光。但光会被尘埃挡住，会被途中物质吸收。银河系中心后面有什么，我们其实根本看不见。但是，中微子不受这些影响，从产生那一刻起就直线飞行，黑洞旁边的事、伽马射线暴内部的事，它原封不动能带出来。
1987年有一次很说明问题：一颗超新星爆发，地球上的探测器比可见光早几个小时收到它的中微子！中微子从星核里直接跑出来了，光还在星体内部一层层往外挤。那一次全地球只抓到二十几个中微子，就拿了2002年诺贝尔物理学奖。二十几个粒子换一个诺奖，可见它带出来的信息有多值钱。
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宇宙大爆炸与中微子
光最远只能带我们看到大爆炸之后的38万年。科学家们的传说是，那之前宇宙是一锅不透明的等离子体，光子跑不出来，光学观测到这里就是尽头了。但中微子不受这个限制。大爆炸后产生的中微子，138亿年过去了，它们还在宇宙里穿行。要是能抓到，就比光学极限往前提了38万年。
可惜这批中微子飞得太久，被宇宙膨胀不断降温，能量低到现在的技术抓不住。它们是目前宇宙中唯一慢吞吞的中微子，其他中微子都还贴着光速跑。这批最古老也最慢的信使，算是留给后人的活。
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太阳的中微子丢过三分之二
太阳核聚变产生的是电子型中微子，但探测器收到的数量只有理论预言的三分之一左右。这个亏空困扰了学界三十多年，有人怀疑太阳模型错了，有人怀疑实验错了。
后来搞明白了，中微子在飞行途中会互相转换，三种中微子会来回变，学名叫中微子振荡。失踪的那些没丢，是变成了另外两种，老探测器认不出来。这件事的物理后果很大：三种能互相变，前提是中微子有质量，而旧版标准模型里中微子质量是零。一个公式错了一点，就漏掉了一种粒子的质量。2015年的诺贝尔物理学奖给的就是这个发现。
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暗物质可不是中微子
早年真有人这么怀疑过。因为星系的旋转速度快得反常，按可见物质产生的引力，外侧的恒星早该被甩飞了，但没有，说明有大量看不见的物质在提供引力，这就是传说中的暗物质的源起。既然中微子也看不见，会不会就是它？算完发现不是。
中微子跑得太快，接近光速，如果暗物质主要是中微子，宇宙的大尺度结构会先形成超大块再碎裂，跟实际观测到的星系成团方式对不上。而且中微子的总量也不够。
算下来的结果是，宇宙的质能里普通物质占5%，暗物质27%，剩下是暗能量。暗物质比中微子还要幽灵，中微子好歹参与弱相互作用，暗物质连这个都不参与，否则我们早该看到它了。几十年，全世界最深的地下实验室，一克都没抓到。
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中微子长什么样子？
我问AI这个问题结果被嘲笑了，它说这个问题不成立。微观尺度上没有样子这回事。电子不是一颗小球，是一团概率云，位置、形状这些属性只有在被测量时才被敲定，中微子也一样。问一个粒子长什么样，跟问一段旋律是什么颜色差不多。
人的感官是为三维空间里找吃的和躲天敌设计的，不为微观世界设计。但人的聪明就在于，虽然看不见电子，但能算出它的磁矩到小数点后十二位，跟实验分毫不差。泡利当年连中微子这个粒子本身都是算出来的。
看不见，但能算出来，不局限于身体的感官去感知世界，我觉得这是人类与其他动物最大的区别。
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人大脑中的一堆神经元就会产生意识，这事和中微子有关吗？
网上有说法把意识往量子效应上引，再往各种神秘粒子上引，中微子因为神出鬼没经常被拉来客串。但从物理上看，中微子几乎不跟物质发生任何作用，连穿过大脑都不会留下痕迹，更别说参与神经活动了。
意识这事目前的理解是神经系统的产物，就像火是燃烧的产物。不过，为什么一堆神经元会产生主观体验，这个所谓困难问题至今没有任何理论能真正回答，科学目前没证明有关系，但也没证明没关系啊。
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AI能拿到诺贝尔奖吗？
我觉得不会。但这话现在说可能有点满，至少目前看是这样的。AI在已知数据里找答案的能力已经很强了，中微子实验里用机器学习压本底、捞信号，本事已经超过传统方法。但在完全没有训练集、没有先例的事件中，似乎多数人认为AI还是不行，AI善于解决已知世界的各种问题，但似乎无法解决未知世界的未知。
Halzen一直有一个信念，就是中微子天文学应该存在。颁奖那天他在意大利，说自己正在写一份项目申请书，希望这个奖能帮他通过，全场笑了。82岁，刚拿诺奖，还在写申请书要经费。在证据为零的时候下注，用一生为一个可能失败的判断负责，就这样的事情，优秀的人类可以，但优秀的AI机器好像还没有这个本事。
是为中微子学习笔记。
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