3.中微子的“味道”

每一秒钟，一种看不见的粒子——中微子都会穿过169号公路上的车辆，奔向明尼苏达州东北部距加拿大边境一步之遥的麦金利公园。从芝加哥郊外巨大的费米物理实验室开始它们的旅程后，高速的中微子在明尼苏达州苏丹（Soudan）镇的一个地下矿井中撞上5吨重的钢板，激发出的带电粒子被敏感的探测器捕获。中微子在不到千分之三秒的时间内便完成了这一旅程，穿越了美国中西部450英里的距离。

中微子是自然界中的基本粒子。它们非常丰富，与宇宙中的原子之比大约是十亿比一。它们被认为是导致大质量恒星超新星爆炸的主要原因。中微子的物理特性为粒子物理学的构建提供了依据。然而，中微子是最神秘的粒子之一，这主要因为它们具有沉默的本性：它们不带电荷，几乎没有质量，所以它们与普通物质的相互作用极其微弱。每秒钟，你的身体每平方厘米有大约650亿个中微子穿过，但你从未感知它们的存在。

经过详尽的研究，物理学家已经确定了三种不同类型的中微子，它们与其他粒子的相互作用有微妙的不同。更奇怪的是，中微子可以在不同类型之间“振荡”，在空间中穿越时，经常从一种类型转换成另一种类型。这一发现导致粒子的标准模型被大大扩展。最近，我和我的同事研究了中微子的微妙振荡，以探寻其中深层次的物质奥秘。

我们利用苏丹矿中中微子的探测数据，完成了量子力学有史以来最长距离的测试之一。特别是我们证明中微子在整个旅程一直处于一种“叠加”状态——这是“薛定谔的猫”的一个微缩版本。在整个旅程中，中微子并没有确定的状态，而是处在物理学家已知的三种中微子类型的叠加态，这完全符合经典量子力学。只有当中微子在苏丹地下被测量时，它们才会突然进入一种或另一种状态，就像薛定谔的猫一样，一旦观察者打开盒子看，死了还是活着，一定是其一。

因此，在几乎半个多世纪的岁月里，中微子已经从几乎探测不到的微小的奇异粒子，成为最基本的物理调查工具，从物理学家朝思暮想而得不到的猎物变成了物理学家的工具包。追溯这一转变时，我们看到了一个更大的故事：当物理学家正在探索奇异诱人的自然奥秘时，核时代的突然降临戏剧性地改变了故事的章节。

: : :

中微子的发现可以追溯到20世纪30年代，当时意大利物理学家恩利克·费米（Enrico Fermi）提出了第一个核现象理论：放射性衰变。为了使他理论中的计算达到平衡，以确保核反应之前的能量与反应后的能量一致——费米的同事沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出了一种假设：存在一种新的、未被发现的粒子，它带走了一些能量。费米更充分地发展了这个想法，并称这个神秘粒子为中微子，或称“小中性粒子”，因为从理论上看它不带电荷。

当时，费米和其他人都没有想到，如此微小的物质能够直接探测到。不久之后，法西斯主义在欧洲的蔓延使人们忽略了这些问题。当各国参战后，冲突各方的物理学家都被卷入了各自的绝密项目。与此同时，当意大利也开始引入纳粹的种族法之后，费米的家庭陷入危险之中（费米的妻子劳拉是犹太人）。1938年年末，他进行了一场类似《音乐之声》的逃跑计划，利用去斯德哥尔摩接受诺贝尔奖之际，离开欧洲，前往美国，在那里他成了“曼哈顿计划”的早期科学领袖之一。1942年12月，费米在芝加哥的团队第一次试验了临界核反应状态下的受控核裂变。他们的反应堆设计在战争期间被迅速扩大，用以生产原子弹所需的钚。

战争末期，物理学发生了巨大的变化。历史上最血腥的大战以广岛和长崎上空爆炸的核弹而告终。在整个战争期间，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯仓促建造的实验室一直是“曼哈顿计划”的主要实施地点。 战后，该实验室继续致力于改进和扩大美国的核武库，成为物理学家们大展拳脚的场所。在这个新的环境中，第一次真正的中微子检测工作于20世纪50年代初在洛斯阿拉莫斯展开。

弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）是洛斯阿拉莫斯实验室的年轻物理学家，是太平洋中部埃尼威托克环礁测试新武器小组成员。1951年春末，他完成一系列核弹试验回来后，与当时正在实验室访问的费米讨论了中微子问题。莱因斯意识到，他和他的团队在埃尼威托克等地研究的地上核爆应该会产生巨大的中微子流，这么大的量应该会有少部分可以探测得到。

莱因斯和另一位洛斯阿拉莫斯的同事克莱德·柯文（Clyde Cowan）说服实验室主任让他们在下次的核弹试验中进行检测。他们先在炸弹引爆地点附近挖一个又窄又深的洞。在里面，他们将放置一个1吨的探测器，仪器个头很大，他们给它起了个绰号为“埃尔蒙斯特罗”（El Monstro）。当核弹爆炸时，精密时序控制的电子装置会释放探测器，让它做自由落体运动，核弹发出的巨大冲击波这时会穿过地面。（如果他们把探测器固定在离爆炸太近的地方，冲击波会把它撕碎。）之后，冲击波过去后，探测器将降落在一堆羽毛和泡沫橡胶上。

在竖井的底部的探测器，会被核爆中释放出的中微子击中。探测器上装有敏感电子装置——一个装满甲苯溶液的大桶，甲苯是一种在油漆稀释剂中常见的有机化合物，它能够检测闪光。闪光表明，数千万亿个中微子中，有一个击中液体中的物质，并释放了一个正电子，即电子的反物质，正电子与电子湮灭又会发出能量，从而被检测到。物理学家们不得不为此等待好几天，直到表面危险的放射性完全消退，他们才能挖开150英尺的井，把探测器拉回地面，取出他们的仪器。

在准备进行利用核弹的试验时，莱因斯和柯文意识到他们也可以用不那么麻烦的方式寻找中微子。通过对科学试验计划的调整，更好地排除假数据，他们就可以在核反应堆旁边安装装有液体的探测器，而不再依靠核爆了。两位研究人员在华盛顿汉福德，比费米的原始反应堆大得多的一座反应堆附近进行了一次初步试验，实验结果令人满意。之后的1955年秋天，他们在南卡罗来纳州萨凡纳河（Savannah River）的更新、更强大的反应堆安装了一个升级的装置。（萨凡纳河工厂是为了生产制造氢弹的原材料氚而建造的，氢弹的破坏力是原子弹的数千倍。）几个月后，莱因斯和柯文看到了微小的闪光，这次实验被物理学界认可——当然还有诺贝尔奖委员会——从此人们终于可以看到难以捉摸的中微子了。

: : :

费米的前助手布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）饶有兴趣地关注着这一事态的发展。20世纪30年代，庞蒂科夫以费米罗马团队最年轻成员的身份开始了他的职业生涯。（比他大的同事亲切地称他为“小狗”。）他沉浸在核物理学的奥秘中，包括费米关于放射性的新理论，以及关于中微子仍然若隐若现的理论。庞蒂科夫来自一个犹太大家族，他发现他很难在意大利立足。他逃离法西斯主义的过程比费米更富戏剧化，如果说费米的逃离过程像是《音乐之声》的情节，那么庞蒂科夫则是上演了一部《卡萨布兰卡》。他先是在巴黎获得奖学金，之后，在1940年6月一个恐怖的夜晚，当纳粹坦克开进城市的时候，他从郊外向南逃走。再往后，他从法国南部登上了开往马德里的火车，又转乘去里斯本的火车，最后乘轮船前往纽约市。

到达北美后，庞蒂科夫很快便参与到“曼哈顿计划”中。他被分配到一支在蒙特利尔工作的英国特遣队，任务是建造一个与芝加哥的费米反应堆不同类型的核反应堆。战后，他来到牛津附近哈威尔（Harwell）的英国新核能研究院任职，继续他的反应堆研究。大约在那个时候，他提出了一个计划，试图检测从核反应堆中释放出的中微子流，他的这一设想比莱因斯和柯文早了几年。

两本引人入胜的书——西蒙妮·图尔切蒂（Simone Turchetti）的《庞蒂科夫事件》（ Pontecorvo Affair ）（2012）和弗兰克·克洛斯（Frank Close）的《半生》（ Half-Life ）（2015）——记录了庞蒂科夫接下来的人生故事中的神奇曲折。他与费米和罗马团队的其他成员一起被提名为一项重要发明的发明者之一，这项专利技术可以通过减缓某些核粒子提高特定核反应的速度。事实证明，这项技术对核裂变的战时研究至关重要，无论是反应堆还是核弹。1935年和1940年，该项专利分别在意大利和美国获得授权，却引起了不同的反响。

1949年，罗马团队的其他成员提起了要求进行专利技术赔偿的诉讼，诉讼的技术后来直接被广泛地用于庞大的美国核设施基础建设中。这项专利纷争引发了美国FBI的调查，调查员从庞蒂科夫的亲戚那里找到了大量的材料，而这个亲戚在意大利是公开的意大利共产党党员。几周后，庞蒂科夫在哈威尔的一位同事克劳斯·福克斯（Klaus Fuchs）承认，在战争期间曾向苏联传递了秘密。和庞蒂科夫一样，福克斯也是来自欧洲大陆的移民，曾作为英国代表团成员参加过“曼哈顿计划”，就这样，这一团队突然成为被调查对象。

接下来的情节就像约翰·勒卡雷（Le Carré）的小说。1950年9月初在意大利度假时，庞蒂科夫携带家人突然从罗马辗转慕尼黑到斯德哥尔摩，然后前往赫尔辛基，在那里他们会见了苏联特工。庞蒂科夫的妻子和年幼的孩子上了一辆车，庞蒂科夫爬进了另一辆车的后备厢，他们秘密穿过森林进入苏联领土。几个小时后，他们抵达列宁格勒；又在几天之内，被送到莫斯科。几个星期后，英国和美国当局才得知此事。最后，美国国会原子能联合委员会发表了一份厚厚的报告《苏联的原子间谍活动》，报告中认为庞蒂科夫的叛逃情节虽不及福克斯的叛变行为，但比后来被处决的埃塞尔（Ethel）和朱利叶斯·罗森博格（Julius Rosenberg）间谍活动要严重。

当英国和美国关于此事的新闻闹得满城风雨的时候，庞蒂科夫早已在莫斯科郊外的杜布纳联合核子研究所站稳了脚跟。正如秘密档案揭示的，根据当时对庞蒂科夫笔记本的审查，他至少在一段时间内一直与苏联秘密地就核武器项目进行信息往来。庞蒂科夫在苏联很快便开展起了基础研究，在得知莱因斯和柯文的发现后，他的思想又回到他长久以来的最爱——中微子——上来了。

1957年，庞蒂科夫在苏联的核心物理杂志上发表了一篇文章，指出中微子可以在不同的类型或“味道”之间振荡。（该杂志最近开始翻译成英文，部分由中央情报局秘密负责。） 他在之后的一系列论文中细化了这一观点，根据量子理论可以推论：中微子应该处在叠加态中，不是处在任何一种确定的“味道”中，而是同时处于至少“味道”的叠加态（他当时只考虑了两种中微子）。当物理学家进行测量时，只能得到一种“味道”状态下的中微子。但在不观察的时候，中微子不会有固定的状态，它们处在一种不确定的统计状态中，是一种“混合口味”。

量子世界与人类世界有着鲜明的区别。当麦卡锡时代的调查人员询问“你现在和过去的身份”时，你很难回答一个模棱两可的答案。 而庞蒂科夫的传奇性在于，他可以迅速在不同的身份之间切换，从费米罗马团队的年轻“小狗”，一眨眼变成克格勃的“布鲁诺·马克西姆·维切·庞蒂科夫院士”。

最早从庞蒂科夫的理论中获益的是物理学家对太阳的理解。太阳的核心是一个巨大的核反应堆，物理学家可以通过核物理理论来精确地预测地球上能探测到的来自太阳的中微子数量。然而，通过莱因斯和柯文的测试方法进行实验后发现，其实验结果中来自太阳的中微子数量仅为预期数量的1/3左右。在20世纪60年代末，美国和苏联之间关系缓和时期，庞蒂科夫能够直接与西方同事分享他的最新想法。他现在计算出中微子应该在三种不同的“味道”之间振荡。如果是这样，那么实验者一直以来用太阳中微子探测器记录到的中微子数量只是一种中微子的“味道”，之后多年更多的数据证实了这种猜想，并最终说服了怀疑论者。

太阳中微子读数只提供了中微子振荡的间接证据。下一个挑战是试图抓住直接的证据。世界各地的研究团队建造了越来越大、深埋于地下的探测器，比莱因斯和柯文的最早设计大上千倍。在20世纪90年代末到21世纪初，日本超级神冈（Super Kamiokande）探测器和加拿大安大略省萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory，SNO）的团队分别收集到了中微子振荡的令人信服的证据。振荡的存在表明，中微子不可能是无质量粒子，正如量子理论曾经预测的那样。但中微子质量的来源和性质仍然是物理学中一个重要的、持续的、尚待探索的领域。物理学家还在探索自然界中是否就只有三种“味道”的中微子。如果能够找到三个“味道”之外的中微子，那将证明目前的粒子物理学标准模型是不完整的，而标准模型40年来已经成功地预测了每一次基本粒子的实验。

2015年10月，SNO和日本超级神冈探测器两个研究团队的领导者亚瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）和梶田隆章（Takaaki Kajita）获得了诺贝尔物理学奖。3周后，一年一度的基础物理学突破奖授予了两个团队近1400名物理学家，他们分享了300万美元的奖金。 我在麻省理工学院的朋友和同事——约瑟夫·福尔马乔（Joseph Formaggio），也是一名SNO的成员，他用分得的奖金买了一瓶平时舍不得买的好酒。

今天，对中微子的研究似乎比以往任何时候都更令人欢欣鼓舞，因为它给物理学家提供了一条可能超越标准模型的路径。就这样，当约瑟夫建议我们在中微子领域另辟蹊径，寻找突破时，我根据自己的兴趣找到了另一个方向：检验量子理论的核心原则。

早在20世纪50年代，庞蒂科夫就提出，中微子“味道”切换的方式与薛定谔半死半活的猫非常相似。如果是这样，那么中微子振荡便可以提供一个强有力的方法来探索量子叠加的正确性。约瑟夫意识到，我们可以分析中微子“味道”的混合是如何随着粒子的行进而变化的，并研究最终在测量时，是如何变成一种味道的。约瑟夫和我，加上两位了不起的学生——本科生泰利雅·维斯（Talia Weiss）和研究生梅科拉·穆斯基（Mykola Murskyj），我们开始行动了。

庞蒂科夫的中微子振荡理论完全基于量子叠加的概念，与最新的实验数据非常匹配。但我们想知道：同样的数据能与另一种理论兼容吗？也许，一种更像是爱因斯坦和薛定谔所秉持的理论——这种理论中，没有叠加态，粒子在每时每刻都拥有明确的特性——也可以同样好地解释数据。约瑟夫的重要见解是，如果中微子真的受到量子叠加的支配，如果中微子在空间传播中是“既此亦彼”而不是“非此即彼”的状态，那么如果有两组中微子，一组已经明确知道了是某种“味道”的中微子，另一组是在多种“味道”中振荡的中微子，那么在发射量相同的情况下，探测两组某种“味道”的中微子的数量应该不一样。

虽然我们的分析变得有点儿巴洛克风格，但从本质上讲，它只需要一个简单的观察。根据量子力学，探测到特定味道的中微子的概率呈波动样分布。一种中微子“味道”的波与另一种“味道”的波略有频率上的不同。对于处于叠加状态的中微子，这些不同的波可以相互干扰。在中微子行进的某个时间点，各个概率波的波峰相等，而在另一些时间点，某种“味道”的波谷可能会抵消另一种“味道”的波峰。

所有这些都是可测量的。当波峰相遇时，可检测到特定“味道”的概率上升：当低谷抵消波峰时，这种概率就会下降。此外，干扰模式——那些波峰与波峰叠加的最高点——是否会随着中微子的能量而变化？如果按照不存在叠加态的理论，也就是爱因斯坦和薛定谔所坚持的理论，则不应出现这种干扰模式。我们计算了预测的中微子数量的不同模式，当中微子在能量变化时，应该以给定的味道来检测中微子的数量，这取决于中微子是否以叠加状态旅行。然后，我们将这些计算结果与MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）的数据进行了比较，本实验自2005年开始以来，中微子束持续从费米实验室发射向明尼苏达州的苏丹矿。

根据量子力学计算的结果与MINOS得到的数据完美匹配，同时，与爱因斯坦的理论版本并不相符。即使考虑到实验过程中统计误差可能影响到实验结果，我们发现，中微子行为符合爱因斯坦理论的概率也小于十亿分之一。

量子叠加效应通常只表现在几十到几百纳米的极短距离上，但我们的实验在450英里的距离上证明了这一无误的量子特性。这也许仅仅是一个开始。对于检测来自太阳的中微子，我们现在拥有了顶尖的实验站，如南极的冰立方中微子观测站，现在可以探测到自大爆炸以来已经在宇宙中旅行了几十亿年的原始中微子。也许像这样的中微子，已经穿越了整个宇宙，正等待着揭开其神秘的量子叠加面纱。这样，我们就可以在广阔的宇宙空间范围内测试量子理论的这一中心法则了。

同时，通过探索中微子振荡的奇特性质，我和我的同事发现，虽然量子理论看上去是一个奇异的世界，但它是可以预测常规世界的。有意思的是，中微子从费米实验室到苏丹矿的旅程与庞蒂科夫传奇旅行的距离大致相同，从罗马到巴黎，或者从赫尔辛基到莫斯科。所以，在这样的距离上，我们可以自信地说，世界真的是被量子叠加所支配的。 FVn9WRHAbp6wI3JzDybYq5om4laxl3DqmllJtGJdQUWxugdtRcrzlwPo4qxn3kF+