未來技術(shù)能否讓我們更深入地“窺探”宇宙的第一秒？

　　大爆炸發(fā)生后的瞬間，大量粒子被釋放到新生的宇宙中。從那時(shí)起，它們就一直在太空中涌動(dòng)，帶著來自創(chuàng)世之初的秘密。我們多么希望能捕捉到它們，哪怕是一個(gè)，但是它們極其孤僻，很少與物質(zhì)發(fā)生作用。譬如，每秒有100萬億個(gè)這種粒子流經(jīng)你的身體，而你卻從未感覺到。

　　這些幽靈般的粒子就是中微子。這是我們知道其存在，但極難探測的一種基本粒子。一些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)捕捉到了從太陽中釋放出來的中微子。然而，大爆炸之后不久釋放的中微子，因其能量要小得多，到目前為止還無法探測。

　　宇宙的光子和中微子背景

　　現(xiàn)今宇宙中的一切，都曾擠在一個(gè)小得多的空間。當(dāng)宇宙還很年輕的時(shí)候，它是由溫度極高、密度極大的等離子體組成的。那時(shí)，粒子的能量是那么高，碰撞又是那么頻繁，以至于原子都無法形成。光子不是被吸收，就是被散射，根本無法走遠(yuǎn)。所以，這個(gè)原始的等離子體是完全不透明的。

　　隨著宇宙的不斷膨脹，等離子體開始冷卻，密度也變小，因此光子被散射或吸收的可能性不斷下降。這種情況一直持續(xù)到大爆炸后38萬年，這時(shí)光子終于可以不受阻礙地在整個(gè)宇宙中穿行。我們今天仍然可以看到那一瞬間釋放的光子：它們構(gòu)成了宇宙中最古老的光——宇宙微波背景(CMB)。

　　自1964年CMB被發(fā)現(xiàn)以來，我們已經(jīng)高度精確地測量了這些組成宇宙背景的光子。它們給我們描繪了宇宙在大爆炸后38萬年時(shí)的景象。我們從中可以看到，后來發(fā)展成星系的物質(zhì)“斑塊”，以及早期宇宙中輻射、普通物質(zhì)和暗物質(zhì)各自所占的比例。

　　CMB是我們所看到的最古老的光。但是，還有一個(gè)關(guān)于早期宇宙的尚未研究的信息，可以幫助我們追溯到更遠(yuǎn)的年代，這就是宇宙在誕生之初釋放的中微子——宇宙中微子，它們也構(gòu)成了宇宙的一個(gè)背景。

　　中微子在1930年被首次提出，并于1956年被探測到。幾乎所有放射性元素都能自發(fā)地放出中微子，比如一根普通香蕉(富含鉀)，其內(nèi)部的放射性鉀原子在衰變時(shí)會(huì)源源不斷地產(chǎn)生中微子流。然而，中微子是非常輕的，而且?guī)缀醪慌c其他東西發(fā)生作用。

　　由于中微子異常孤僻，與光子相比，在早期宇宙中，當(dāng)光子不斷地被其他粒子吸收或散射時(shí)，中微子卻可以自由地穿行在那個(gè)高溫、高密度的等離子體中。這些古老的中微子今天仍然在宇宙中四處游蕩，構(gòu)成了宇宙的另一個(gè)背景，即宇宙中微子背景(CNB)。

　　演示宇宙演化的3D電影

　　如果發(fā)現(xiàn)CNB，意義將是巨大的。毫不夸張地說，它將提供一種全新的方式來觀察宇宙的演化。為什么這么說呢?這需要我們了解中微子以及它們?nèi)绾蝹鞑ァ?/p>

　　光子和中微子的關(guān)鍵區(qū)別在于，前者是無質(zhì)量的，后者是有質(zhì)量的，盡管質(zhì)量非常微小。事實(shí)上，中微子有三種不同的類型，每種類型的質(zhì)量都略有不同。光子無質(zhì)量，所以不同波長的光都以同樣的速度傳播;而中微子有質(zhì)量，這導(dǎo)致它們的運(yùn)動(dòng)速度低于光速，并且可以有不同的速度。據(jù)大爆炸模型計(jì)算，宇宙中微子的速度不超過光速的1/1000，而且可能快慢參差不齊。

　　當(dāng)光子在宇宙中飛馳時(shí)，它們的路徑會(huì)被經(jīng)過的巨大天體(如星系)的引力所彎曲，這種效應(yīng)被稱為引力透鏡。由于所有光子都以相同的速度傳播，其路徑彎曲的方式只取決于某個(gè)時(shí)間點(diǎn)該天體的質(zhì)量。舉個(gè)例子，天體A距離我們10億光年，所以我們現(xiàn)在接收到的來自它的光(可以是它自己發(fā)出的，也可以是被它的引力扭曲的過路的光)，都是它在10億年前發(fā)出的，這些光反映的是它10億年前的樣貌。至于10億年后的今天它是什么樣子，我們無從知道。

　　引力透鏡效應(yīng)也發(fā)生在中微子身上。與光子不同的是，宇宙中微子以不同的速度在空間旅行，因此它們?cè)诓煌臅r(shí)間經(jīng)過那些巨大的天體，而這些天體自身也在隨時(shí)間不斷演化著。因此，經(jīng)過它的不同速度的宇宙中微子，可以反映它在不同時(shí)間點(diǎn)的樣貌。還是以上述的天體A為例。如果我們現(xiàn)在接收到一群速度為光速二分之一的中微子和一群速度為光速四分之一的中微子。前者反映的是天體A在20億年前的樣貌，后者反映的是天體A在40億年前的樣貌。這意味著，如果我們能夠掃描天空中的宇宙中微子，可以利用它們來窺視宇宙在不同時(shí)間的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。可以這樣說：如果CMB向我們展示了早期宇宙的黑白照片，那么宇宙中微子將產(chǎn)生一部全彩的3D電影。

　　現(xiàn)在的問題是如何去探測宇宙中微子。盡管我們已經(jīng)探測到某些類型的高能中微子，比如太陽中微子，但宇宙中微子的能量可能是迄今探測到的最低能量中微子的十億分之一，這使得它們極難探測。

　　探測方法一：借鑒探測太陽中微子

　　尋找宇宙中微子的最早想法是由已故美國物理學(xué)家史蒂芬·溫伯格在1962年提出的。他受到一項(xiàng)技術(shù)的啟發(fā)，該技術(shù)被用來探測太陽中微子。

　　事實(shí)證明，如果一個(gè)中微子擊中一個(gè)原子，它可以被原子俘獲。如果它的能量足夠高，可以將原子核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，產(chǎn)生一種不同的元素——這是可以檢測到的，是中微子參與作用的一個(gè)確鑿標(biāo)志。

　　1970年，兩位美國物理學(xué)家在一個(gè)罐子里裝了38萬升富含氯的液體。如果一個(gè)中微子擊中其中一個(gè)氯原子，氯原子將變成一個(gè)氬原子。唯一的麻煩是，宇宙射線(來自太空的高能粒子)也能做同樣的事情。因此，他們將罐子埋在一個(gè)1500米深的廢棄礦井里。在宇宙射線被屏蔽的同時(shí)，中微子穿過地面，將一些埋在地下的氯變成了氬。他們以此捕獲了太陽中微子。

　　溫伯格建議，也以類似的策略去發(fā)現(xiàn)宇宙中微子。但是，由于它們的能量是如此之低，根本不足以在任何一種穩(wěn)定的原子核中將質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，因此，溫伯格轉(zhuǎn)向了氚，一種具有2個(gè)中子和1個(gè)質(zhì)子的放射性氫元素。氚是不穩(wěn)定的，它通過將其中一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子而自然衰變，同時(shí)放出一個(gè)電子。如果一個(gè)氚核在衰變前吸收了宇宙中微子，它放出的電子能量就會(huì)超過預(yù)期，因?yàn)橹形⒆訒?huì)帶來一些額外的能量。溫伯格推斷，如果我們能夠極其精確地測量電子能量，并且檢測到氚衰變產(chǎn)生的異常高能的電子，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙中微子。

　　探測方法二：加速大量的離子

　　其他物理學(xué)家也提出了探測宇宙中微子的不同方法。譬如最近，美國物理學(xué)家馬丁·鮑爾提出另一個(gè)設(shè)想，其想法的基礎(chǔ)是克服“宇宙中微子攜帶的能量少得可憐”這一主要障礙。

　　在普通的中微子探測器中，一大桶的原子靜靜地坐著，等待快速運(yùn)動(dòng)的太陽中微子來轟擊。當(dāng)涉及到宇宙中微子時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)速度要慢得多，能量也更小，所以碰撞更難檢測。我們對(duì)于中微子當(dāng)然無能為力，但是目標(biāo)原子呢?我們能不能以某種方式加速它們，以便當(dāng)它們與宇宙中微子碰撞時(shí)，碰撞強(qiáng)度大一點(diǎn)?

　　加速原子是困難的，因?yàn)樗鼈兪请娭行缘模瑹o法被加速器加速。然而，如果我們剝?nèi)ヒ粋€(gè)原子的一些外層電子，這將產(chǎn)生離子;離子是可以用加速器加速的，而且剝?nèi)ヒ粋€(gè)電子對(duì)原子核與中微子的相互作用沒有任何影響。

　　鮑爾的想法是：使用加速器來加速大量的離子。大量的宇宙中微子將直接涌入加速器中，就像它們穿過你的身體一樣，然后它們中的某些將與高能量的離子碰撞，將后者變成另一種元素。不過，這將需要一個(gè)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量高大約100倍的加速器，這并不是一蹴而就的事。

　　物理學(xué)中一些重大的發(fā)現(xiàn)，從希格斯玻色子到引力波，無不經(jīng)過幾十年的醞釀。同樣地，找到第一個(gè)宇宙中微子也需要漫長的時(shí)間。所幸的是，我們已經(jīng)起步。