日本存儲那么多純凈水做什么？

日本作為一個島國，自然資源并不豐富，經(jīng)常要向別國進口石油、煤炭，但凡事都有利有弊，日本雖然極度缺乏工業(yè)原料，但卻是個水資源大國。

Tips：東京塔是位于日本東京芝公園的電波塔，是東京的地標(biāo)性建筑與觀光景點。其以法國巴黎的埃菲爾鐵塔為范本而建造，正式名稱為日本電波塔。是第二高的結(jié)構(gòu)物，僅次於東京晴空塔。

在世界水資源匱乏的現(xiàn)在，水資源已經(jīng)成為世界性的問題。但日本作為一個水資源大國，卻在一個偏遠城市的地下藏起了5萬噸超純水，這是怎么回事？難道說又是日本的陰謀嗎？

日本為什么要儲存這么多超純水？

超純水，顧名思義就是超級純凈的水，電阻率達到18 MΩ*cm（25℃）的水就稱之為超純水。超純水并不常見，一般只有在實驗室才會用到。

因為這種水，除了水分子外，幾乎沒有什么雜質(zhì)，不僅沒有細菌，也沒有人體所需的礦物質(zhì)微量元素。如果意外喝下去，還會引起細滲透壓變化，導(dǎo)致細胞膨脹甚至破裂，對人體造成損傷。

那日本儲存這么多的超純水來做什么？這些水又不能喝。答案是，為了探測中微子。

Tips：中微子，又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號希臘字母v表示。

在上個世紀(jì)80年代，日本為了探測質(zhì)子衰變，在岐阜縣的一個廢棄礦山的礦井中，修建了一個名叫“神岡核子衰變實驗”的神秘建筑，完工后整個建筑呈圓柱形，高16米，直徑15.6米，裝有3000噸水和大約1000只光電倍增管。

起初因為靈敏度不夠，沒有達到探測目的，就在1985年開始擴建，這極大地提高了探測器的靈敏度。于是在87年2月，神岡探測器與美國的探測器共同發(fā)現(xiàn)了大麥哲倫星云中超新星1987A爆炸時產(chǎn)生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的天體產(chǎn)生的中微子。

Tips：大麥哲倫星系，是本星系群中著名的河外星系之一，屬矮星系。它是銀河系眾多衛(wèi)星星系中質(zhì)量最大的一個，距離約160,000光年。

這次探測給了日本研究人員極大地鼓舞，又對實驗室進行了擴建，耗資1億美元建造了更大的探測器，也就是今天的“超級神岡探測器”。其中的探測物質(zhì)從3000噸超純水，增加到50000噸超純水，各方面全面升級，可謂是鳥槍換炮。

1996年，“超級神岡探測器”正式被投入使用，探測范圍從原來的探測質(zhì)子的衰變，擴展到尋找太陽、地球大氣的中微子，并觀測銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)。

Tips：超級神岡探測器位于飛驒市神岡町的茂住礦山1,000米的地下。之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號。

自1998年，超級神岡探測器開始發(fā)布中微子探測結(jié)果起，就給日本科學(xué)界帶來了多個諾貝爾物理學(xué)獎桂冠，例如小柴昌俊（2002年）以及梶田隆章（2015年）。

什么是中微子？

現(xiàn)代科學(xué)證實，人類所在的物質(zhì)世界，是由各種基本粒子構(gòu)成的，中微子也是組成自然界的基本粒子之一，是輕子的一種。

不過中微子卻有著非常奇特的性質(zhì)，雖然它的數(shù)量之多，在宇宙中無處不在，但卻基本不與其他物質(zhì)進行相互作用，是個中性物質(zhì)，因此就算每秒鐘通過我們眼睛的中微子數(shù)十億計，我們也渾然不覺，被稱為宇宙“隱身人”。

Tips：隱形飛機是通過機身涂上一層高效吸收電波的物質(zhì)，造成雷達無法追蹤的效果，但是只靠涂吸收電波的物質(zhì)也是達不到很好的效果的，還要在飛機的氣動布局上做一定的修改。

最初提出中微子設(shè)想的是匈牙利物理學(xué)家泡利，當(dāng)時的科學(xué)家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉(zhuǎn)變成另一種核）時，發(fā)現(xiàn)在這個過程中有一部分能量不知去向。于是開始開始質(zhì)疑能量守恒定律，但年僅30歲的泡利堅信能量守恒定律，于是提出非凡的猜想：在此過程中，必定還有一種不帶電的、質(zhì)量極小的與物質(zhì)相互作用極弱，以至于無法探測到的新粒子放出來，是它帶走了那一部分能量。他把這種未知的粒子叫做“小中子”，就是現(xiàn)在說的“中微子”。

Tips：能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。

1942年，美國物理學(xué)家艾倫按照我國物理學(xué)家王淦昌提出的方法，首次通過實驗間接證實了中微子的存在。

在泡利提出“中微子假說”后的26年后，也就是1956年美國加利福尼亞大學(xué)萊因斯教授帶領(lǐng)的團隊，通過把400升醋酸鎘水溶液作為靶液，放入新投入使用的核反應(yīng)堆中（作中微子源），每小時測得2.8個中微子，這個結(jié)果與泡利的理論預(yù)測完全一致。因為在實驗中直接觀測到了中微子，萊因斯于1995年獲得諾貝爾獎。

Tips：諾貝爾獎，是指根據(jù)諾貝爾1895年的遺囑而設(shè)立的五個獎項，包括：物理學(xué)獎、化學(xué)獎、和平獎、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎和文學(xué)獎。

中微子，作為宇宙中的基本粒子之一，它們的速度非常接近光速，而且個頭小、不帶電，只參與非常微弱的弱相互作用和引力相互作用。而且這種力的作用距離極短（小于10^-17米），這個范圍其實就是原子核內(nèi)的夸克層面。

因為中微子，不與其他物質(zhì)反應(yīng)的性質(zhì)，導(dǎo)致科學(xué)界花費了接近30年才直接觀測到中微子。直到后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中微子在水中穿行時，又極小的概率與水中的氫原子與氧原子發(fā)生反應(yīng)。由于光在水中的速度只有真空中的75%，而接近光速的中微子，在水中的速度比光還快，中微子在水中的“超光速”會發(fā)出一種獨特的輻射光，切倫科夫輻射光。

Tips：媒質(zhì)中的光速比真空中的光速小，粒子在媒質(zhì)中的傳播速度可能超過媒質(zhì)中的光速，在這種情況下會發(fā)生切倫科夫輻射，被稱為切侖科夫效應(yīng)Cherenkov effect。

而日本之所以會在地深處1000米的地方裝上5萬噸超純水，一個是為了更好地與中微子反應(yīng)，另一個就是為了避免接收到出中微子外其他的宇宙射線，保證中微子發(fā)出的切倫科夫輻射光能被準(zhǔn)確的記錄下來。

為了記錄這些輻射光，科學(xué)家在超級神岡探測器的內(nèi)壁上設(shè)置了1.12萬個光電倍增管，其功能是將輻射光信號盡可能地放大（可以高達1億倍）。工作時，這一萬多個光電倍增管就是一萬多只眼睛，它們在黑暗中忠實的記錄著中微子在超純水中反應(yīng)發(fā)出的切倫科夫輻射光信號。

事實證明這個裝置十分有效，不僅首次觀測到超新星爆發(fā)時散射的中微子，還觀測到來自太陽系的中微子。

Tips：超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸過程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，并可持續(xù)幾周至幾個月才會逐漸衰減變?yōu)椴豢梢姟?/p>

是的，這些會“隱身”的中微子就是來自于太陽。太陽這個巨大的恒星，相當(dāng)于一個大型的熱核反應(yīng)堆，無時不刻進行著聚變反應(yīng)，向宇宙散發(fā)出無數(shù)的中微子，因為地球沒有完全接受到來自太陽的中微子，所以無法估計中微子的數(shù)量有多大。

根據(jù)物理學(xué)家的研究表明，太陽每產(chǎn)生3個光子就會伴隨產(chǎn)生兩個中微子，但在相當(dāng)長的時間里，地球上觀測到的中微子數(shù)量只有理論的三分之一，這就是美國科學(xué)家戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤之謎，他也因此獲得了2002年的諾獎。

Tips：原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應(yīng)形式。

我們不禁會想這剩下的三分之二的中微子跑到哪里去了，憑空消失了嗎？直到1987年觀測到的一場超新星爆炸，那些產(chǎn)生的中微子并沒有像太陽中微子一樣消失了三分之二，于是科學(xué)界猜想，中微子可能不止一種，而是有三種，并且相互之間還可以互相轉(zhuǎn)化，這就是日本東京大學(xué)教授小柴昌俊提出的“中微子震蕩”假設(shè)。在2001年加拿大SNO實驗也證實了失蹤的太陽中微子轉(zhuǎn)換成了其它中微子。證實了中微子之間可以互相轉(zhuǎn)化，并且中微子的數(shù)量不止一種。

Tips：中微子振蕩Neutrino oscillation，是一個量子力學(xué)現(xiàn)象，是指中微子在生成時所伴隨的輕子（包括電子、渺子、τ子）味可在之后轉(zhuǎn)化成不同的味，而被測量出改變。

現(xiàn)代科學(xué)研究告訴我們，中微子的種類上限為3，即有3種中微子。除了上述發(fā)現(xiàn)的電子型中微子之外，還有μ型中微子（1962年發(fā)現(xiàn)）和τ型中微子（1975年發(fā)現(xiàn)），每一種中微子都有相同的反中微子。

中微子的作用

一、獲得恒星內(nèi)部的消息

因為中微子是質(zhì)量極小的不帶電的基本粒子。它廣泛存在于宇宙的每一個角落，平均每立方厘米就有300個左右，比其他所有的粒子多出數(shù)十億倍，對整個宇宙有著舉足輕重的地位。

而且因為它幾乎不與一般的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，在恒星內(nèi)部的中微子可以不受拘束地跑出恒星表面，因此只要探測到這些來自于恒星內(nèi)部的中微子可以獲得有關(guān)其內(nèi)部的信息。得到太陽、超新星乃至整個宇宙內(nèi)部的演化過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

Tips：“大爆炸宇宙論”The Big Bang Theory，是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說。它的主要觀點是認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。

二、地質(zhì)學(xué)

此外，由于中微子與物質(zhì)相互作用的截面會隨著中微子能量的提升能增大，利用高能加速器對中微子進行加速，產(chǎn)生的定向照射地層，與地層物質(zhì)性互作用相互作用會產(chǎn)生內(nèi)局部震動，能夠?qū)崿F(xiàn)對深層地質(zhì)的掃描和勘探。

而且地球內(nèi)部的放射性元素衰變也會產(chǎn)生中微子，捕捉這些中微子就可以得到地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確數(shù)據(jù)和演進規(guī)律，讓埋在地球深處的奧秘一覽無遺。

Tips：地質(zhì)學(xué)geology，是研究地球的物質(zhì)組成、內(nèi)部構(gòu)造、外部特征、各層圈之間的相互作用和演變歷史的知識體系，主要研究對象為地球的固體硬殼---地殼或巖石圈。

三、核反應(yīng)過程的診斷

也許中微子最明顯的應(yīng)用就是在核反應(yīng)堆中。這一領(lǐng)域正在積極發(fā)展，并基于這些粒子正在創(chuàng)建各種傳感器，從而能夠?qū)崟r監(jiān)測核電站反應(yīng)堆的功率，并了解其燃料的復(fù)合成分。

四、軍事領(lǐng)域

1、 中微子雷達

因為核反應(yīng)會產(chǎn)生大量的中微子，中微子可以輕易地穿透各種障礙物。所以通過中微子信號的探測可以發(fā)展出中微子雷達，實現(xiàn)對深海核潛艇和地下核設(shè)施的精準(zhǔn)定位。

Tips：雷達Radar，源于radio detection and ranging的縮寫，意思為"無線電探測和測距"，即用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們的空間位置。

2、中微子武器

主要用于銷毀敵人的核武器庫。利用加速產(chǎn)生的中微子束定向照射核材料，可以將核材料點燃和銷毀。

3、中微子天文學(xué)

通過中微子可以任意穿行恒星內(nèi)外之間，通過研究這些中微子，可以發(fā)現(xiàn)甚至非常遙遠天體的屬性。因為任何恒星，其本質(zhì)上都有一個熱核反應(yīng)堆，它們都會發(fā)射出大量的中微子。在研究過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著恒星年齡的增長，它形成的粒子的數(shù)量在逐漸減少。在“臨終時刻”，恒星會失去高達90%的中微子，這就是為什么中微子開始冷卻的原因。

Tips：天文學(xué)Astronomy，是研究宇宙空間天體、宇宙的結(jié)構(gòu)和發(fā)展的學(xué)科。內(nèi)容包括天體的構(gòu)造、性質(zhì)和運行規(guī)律等。

4、通訊方式

在這一領(lǐng)域，中微子還沒有被真正使用，因為這些技術(shù)只停留在理論上。從1970年起美國就有科學(xué)家開始研究以中微子為載體的通信技術(shù)，因為中微子可以無障礙地任意穿行在事物內(nèi)部，所以這就極大地促進數(shù)據(jù)在任何地方的傳輸，到地球的任何地方，甚至到達地表深處，認(rèn)為中微子可以勝任全球點對點無線直連以及地面和深海之間電磁波難以完成的通信任務(wù)。而且這種通信技術(shù)還不會對人體造成輻射傷害，可以說是一種清潔、高效的電子通信方式。

結(jié)語

人類的科技在不斷的進步，從預(yù)言中微子到發(fā)現(xiàn)，最終證實中微子的存在，科學(xué)界花了一個世紀(jì)的時間，但目前我們對于中微子還知之甚少。

Tips：江門中微子實驗是利用反應(yīng)堆中微子振蕩確定中微子質(zhì)量順序，它對人類了解物質(zhì)微觀的基本結(jié)構(gòu)和宏觀宇宙的起源與演化具有重要意義。

日本在2019年發(fā)布將升級超級神岡探測器，為儲水26億噸的頂級神岡探測器，將擁有數(shù)倍超級神岡探測器的實力，我國的江門中微子實驗，將最早于2022年開始收集數(shù)據(jù)，這個位于地下700多米深的中微子探測設(shè)施將進一步揭開中微子的神秘面紗。