什么是幽灵粒子?它的作用有多大?(什么叫幽灵粒子)

什么是幽灵粒子？它的作用有多大？

随着对未知世界探测领域的拓宽和技术的不断进步，人们不但对宏观宇宙的形成和发展规律方面的认知日新月异，而且对微观层面的物质组成及相互作用的规律也日渐深入。而在微观领域中，中微子的发现可谓一波三折，因为其难以观测性以及随之引发的物理特性，使科学们差点放弃了之前所有的理论基础，这一无比神秘的微观粒子也被人们形象地称之为“幽灵粒子”。

中微子可以说无时无刻地不存在我们的周围，它是宇宙大爆炸之后释放出来的最基本的微观粒子之一，在后来的研究中，科学家们发现，无论是恒星内部核聚变、超新星爆炸、放射性元素衰变、等离子体加速器中，都有它们的身影。我们每一立方厘米的身体中，平均就有每秒上百亿个中微子穿过，而我们一点感觉都没有，它们来无影去无踪，就像幽灵一般鬼魅，给它冠以“幽灵粒子”真是名副其实。

从现代对微观粒子的研究结果来看，中微子属于轻子的一种，是宇宙中最基本的微观粒子。我们知道，原子是由中心的原子核以及核外电子构成的，而原子核包括质子和中子，这里面并没有含有中微子。实际上，只有当原子核的结构被打破，更加微观的粒子重新组合之后才会伴随着中微子的产生。

中微子和中子仅有一字之差，表明它们既有联系又有区别。其相同之处在于都不带电、具有1/2自旋特征，而且由于它们具有的强自由性，使得在一个体系的量子态上，都仅有一个这样的粒子存在，因此中子和中微子都属于费米子。而它们之间的区别在于中子属于强子，不是基本粒子成员，有相应的静止质量；而中微子属于轻子，不参与强相互作用，可能存在静止质量（目前科学界还没有定论）。

在微观物理关于基本粒子体系还没有建立起来之前，科学界并没有认识到中微子的存在。在爱因斯坦提出质量守恒定律之后，关于物质发生物理或者化学变化，性质发生改变之后，科学界认同的是在一个封闭系统中，物质变化之后的质量总和和变化之前的数值相等。后来，随着人们研究尺度的进一步深入和细化，特别是在发现具有放射性物质之后，随着核裂变的进行，组成物质的质量总量会随着反应的进行而发生亏损，同时释放相应能量，这种质量的亏损和能量的释放，就不能完全用质量守恒定律来解释了。

于是爱因斯坦据此提出质能守恒定律，将物体的质量作为能量的一种表达方式，将质量和能量进行了统一，并且提出了质量和能量的对应关系，即E＝mc^2，从而解释通了放射性物质通过核裂变，所引发的质量亏损现象是由于能量的释放所造成的，于是铸造起了物体质量和能量的统一这个物理学最基本的基石。

然而，当科学家们在随后的科研工作中，发现中子在衰变为质子和电子，即β衰变的过程中，通过精确测量反应后的能量总量，与反应前进行对比，仍然会有一定的能量亏损，在排除实验误差之后，这种现象仍然没有得到解决，似乎用之前的质能守恒定律不能完美解释这一问题，当时也无从知晓到底问题出在哪里，于是哥本哈根学派的鼻祖之一玻尔就此认为，在β衰变过程中，将不遵守能量守恒定律，被科学界奉为铁律的这一定律也面临着被推翻的危险。

随后，在上世纪30年代召开的国际核物理会议上，众多物理学界的顶尖学者就此问题展开了激烈讨论，有人与波尔的观点一致，认为质能守恒定律不正确，需要重新建立物理学界的基石。而其中也有人持不同观点，比如泡利，它认为在β衰变过程中，能量的亏损是由于中子在衰变过程中，在产生质子、电子的同时，还同时产生了一种更为微小的中性粒子，由于这种粒子的特殊性，并未被监测到，正是这种更加微小的中性粒子将其中的一小部分能量带走了，而爱因斯坦提出的能量守恒定律依然是正确的，带走的这部分能量即为通过实验计算出来的能量亏损数值。

随后，费米根据泡利的观点，应用相对论量子力学的理论，通过狄拉克辐射的产生和湮灭等方式，推导出了费米子的寿命公式及其衰变的连续能谱公式，进一步阐述清楚了β衰变的过程和规律。按照费米的这个结论，科学家们逐渐意识到产生能量亏损的这种特殊微观粒子，总是在中子发生衰变之后，产生质子的同时，与电子同时出现。后来科学家们又用实验的方法，即应用K-俘获原子的反冲测量实验，测出了原子的反冲能，然后间接地证实了中微子的存在。

中微子不同于其它构成原子的基本组成，正是因为它的诸多神秘特性，造成了它的难以观测性，以至于在科学家发现原子的基本结构之后的很长时间才得以被间接地观测到。中微子的神秘特性主要表现在：

一是它几乎不与任何物质产生反应。在宇宙中最本的四种力（引力、电磁力、强核力、弱核力）中，中微子除在β衰变过程中自然引发的弱作用力外，基本不参与其它三种力的作用过程。至于引力，由于中微子的静止质量到底是多少，科学界仍然没有统一明确的结论，所以因质量带来的引力作用也微乎其微，而电磁力和强核力中微子就根本不会参与其中，而这两种力，是我们日常生活中和微观粒子实验中最常见的力的作用，中微子不会与之产生相应反应，因此自由度非常高，而且极难被捕捉到。

二是它的强大穿透性。这种特性基于其高度自由性，不参与可以被我们应用观测的方法可以探知的电磁力作用，无论是我们用肉眼还是监测仪器进行探测，其原理都可以归结到电磁力上。同时，中微子也不参与微观粒子之间强核力作用，不受任何强核力和电磁力的干扰，从而可以很轻松地穿过由原子和亚原子构成的宏观物体和微观环境。因此，中微子穿透我们的身体、地球、甚至更大质量的恒星都不在话下。

三是质量的争议。按照物理学标准模型，一个粒子的质量可以通过希格斯机制进行推导，但是中微子只有1/2自旋，无法通过耦合的方式获取其质量，因此理论上其质量为0。但是，科学家们通过实验的方式探测到中微子会发生震荡现象，即从一个区域产生的电中微子，可以在另外一个区域转变为另外的μ中微子或τ中微子，而微观粒子的“震荡”是其具有静质量的衡量标准，至于这个质量的获得，势必应该是突破了现有微观粒子标准模型之外的其它神性机制造成的，目前科学家们对此正在进行着深入的研究和论证。

四是接近光速。中微子不但体积微小、穿透力强、基本不参与其它力的作用之外，还具有超高的速度。而通过之前的中微子震荡实验，表明了它应该具有微小的质量，因此它的运动速度不会达到光速，但非常接近光速，这给人们对它的直接监测也带来了非常大的挑战。

中微子是这个世界最难捉摸的基本粒子了，它的来去无踪、高度自由以及极强的穿透力，使科学家们对它极难加以直接观测。在被证实存在中微子震荡之后，关于其质量形成的深层次原理和机制的研究必将越来越深入，从而为将来人们更加全面地了解微观世界的运动规律，以及在此基础上掌握宏观宇宙的更多奥秘，提供更多的理论依据。

幽灵粒子其实就是中微子，至于为什么叫它幽灵粒子，完全是因为这种粒子很难被人们捕捉到，就跟幽灵一般。可以这么说，在目前已知的所有基本粒子中，中微子是最难被探测到的。当然在宇宙中，还存在着一些我们目前无法探测到的粒子，例如：比中微子速度稍微慢一点的暗物质粒子，我们也称其为冷暗物质。

暗物质粒子比中微子更加神秘。虽然我们人体对中微子和暗物质粒子无感，但是它们切切实实充斥着我们周围的空间，每秒钟就有数万亿个中微子和暗物质粒子穿透我们的身体。

首先说下，我们能发现中微子却发现不了暗物质粒子，是因为中微子不仅在宇宙的早期被大量的保存了下来，其数量仅次于光子，是宇宙中第二多的粒子，而且中微子还是核反应的副产品。但是暗物质粒子我们只知道在宇宙早期生成了这种粒子，但它们目前不参与任何形式的反应，所以我们无法去探测暗物质粒子。

现在我们回到中微子，这种粒子的发现得益于我们人类对小尺度或者是核反应的发现与研究。在此之前，我们认为宇宙中基本的守恒法则是质量守恒，因为人们发现不管是哪种化学反应，还是物理作用，也就是说你不管把一个物体让它经历怎样的化学变化，或者通过物理的方式捶打成任何的性状，反应之前的物质质量总和总是反应后生成物的质量总和是相等的。

以上的思想就是我们上中学时，写化学方程式的原则，也就是物体的质量是不会发生变化的。但是当人们的研究尺度从原子层面走向了原子核，能量形式从化学反应走向了核反应，就发现了质量守恒这个准则出现了问题。因为在自然界中有些较重的原子核，一般来说比铅重的元素都会发生衰变，衰变的方式就是通过释放α粒子（氦原子核）或者β粒子（单个电子）转变为更轻的元素。

这种神奇的反应会导致物质的质量明显的缺失，让人们不禁会想：这是不是违反了质量守恒定律。事实证明，当爱因斯坦通过狭义相对论方程推导著名的E=MC^2以后，人们才知道质量其实是能量的一种变现形式，而原子核发生核反应以后，生成物质量的缺失是因为有一部分质量通过能量的形式消散掉了。而之前的化学反应没有发现质量缺失，是因为消散的能量实在是太小了，甚至可以忽略不计。

至此，维持了几千年的质量守恒定理就被改写为能量守恒，也就是说，在一个封闭的系统中，物质不管是经历怎样的变化，能量永远是不会凭空消失的。当人们在仔细测量放射性原子的β衰变时，又发现了问题。这一次让很多的科学家很恼火，甚至是有人都想放弃能量守恒这个铁律。

因为放射性元素在发生β衰变以后，通过测量反应前后的能量总量，依然发现了有很小的一部分能量缺失，但这种缺失并不能忽略不计。而当时人们并没有发现在β衰变的过程中还生成了什么粒子。所以就连当时的科学大牛波尔都开始怀疑能量守恒可能是错的。

这种情况其实只有两种选择，要么彻底放弃坚持了几个世纪的铁一般的定律，要么就是在反应中肯定还生成了我们未知、并且目前还无法探测到的粒子，它们在生成时带走了一部分能量。物理学家泡利选择了后者。在宇宙中除了能量守恒，还有电荷守恒，在反应前后并没有发现电荷发生任何的变化，所以泡利认为这种新的粒子和中子的性质一样不带电荷是中性的，而且质量很小，因此当时称其为微中子，后来才更名为中微子。

到了1950年美国物理学家柯万（Cowan）和莱因斯（Reines）等人，通过氢原子核，也就是质子，捕捉核反应堆中生成的反中微子，发生反β衰变成功的证明了中微子的存在。并且在1995年获得诺贝尔物理学奖。虽然发现了中微子，但是它的质量一直困扰着科学家，知道现在都没有解决中微子的质量问题。

中微子难以探测主要有以下几个方面：

• 不参与电磁相互作用，
  

• 质量非常小，个头也非常小，
  
• 中微子质量之谜（中微子震荡）

首先不参与电磁相互作用是最主要的原因。在自然界中存在着四种基本力（电磁力、引力和强核力、弱核力），其中电磁相互作用力和引力是生活中最直观也是影响最远，最广泛的两种力，我们人类目前所掌握的探测手段，基本都集中在电磁力上。而中微子不带电荷，所以不发生电磁相互作用，因此中微子可以轻松的穿透任何物质原子。

再一个就是中微子质量极低，而且个头也小。中微子和电子一样属于轻子，但中微子的质量比电子要低得多，而且反应横截面很小，它和原子核或者任何粒子相撞的几率非常低，也就是中微子很少会参与弱相互作用。因此它的穿透能力极强，5光年的铅块才能勉强挡住中微子。

最后一个就是，中微子质量的问题。标准模型预测中微子没有质量，但是我们在观测太阳中微子的时候发现捕捉到的中微子是预测总量的1/3，这说明中微子有很大一部分消失了。这就是著名的太阳中微子问题，后来人类才知道，中微子并没有消失。而是中微子也存在三种味（电子中微子，μ中微子和τ中微子），这三种中微子可以通过弱相互作用互相转换。这说明中微子存在质量，这也就是我们常说的中微子震荡，指的就是中微子相互之间的转换。

以上就是中微子的一些性质，以及它为何难以被发现的原因。

幽灵粒子是自然界一种基本粒子之一，可自由穿越地球，常用符号v表示，幽灵粒也可以叫中微子，个头小，不带电，几乎不和任何物质质发生作用，号称宇宙的隐身人。

看了几个小伙伴的回答，认为灵魂粒子就是灵魂，我觉得有点太唯心论了。在这里个大家科普一下什么是灵魂粒子，不然你就说那是灵魂，岂不是让人家笑话。

所谓灵魂粒子，实际上就是中微子。那么为什么叫它“灵魂粒子”呢？原来，中微子不带电，自旋为1/2，以接近光速运动，质量非常轻，质量小于电子的百万分之一。于2011年九月作为已发现可能超光速的粒子，像幽灵一样的存在，科学家们就以“幽灵粒子”来描述它。

这种粒子个头小，不带电，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用，号称宇宙间的“隐身人”就像幽灵一样。

什么奇怪的现象让科学家们大惑不解呢？

我们知道，原子基本组成之一的中子。中子在衰变成质子和电子时，能量会出现亏损。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为，衰变过程中能量守恒定律失效。1931年春，国际核物理会议在罗马召开，当时世界最顶尖的核物理学家汇聚一堂，其中有海森堡、泡利、居里夫人等。

泡利在会上提出衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的，能量亏损的原因是因为中子作为一种大质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子，正是这种小质量粒子将能量带走了。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。

中微子已被发现，就被人类确认，“它”就是偷走能量的“小偷”，这在整个屋里界就炸开了锅，科学家们想尽一切办法来抓这个“小偷”

1931年，奥地利物理学家泡利说偷走能量的是一种尚未认识的粒子，大物理学家费米十分赞同泡利的观点，并且根据这个粒子是中性的微小粒子，给这个粒子命名为中微子。

原来，中微子是中性粒子，不带电，不参与电磁作用，它就像一个幽灵在飘荡，很难捕捉。但是科学家没有放弃，经过25年的努力，神秘的中微子终于露面了。

那还是1956年的事，美国科学家柯文和莱因斯宣布，他们捕捉到了中微子。十几年之后，科学家们捕捉到从宇宙空间射来的中微子。但是，中微子的运动速度极快，接近光速，科学家仍然没有看清它的真面目。

科学家们根据杨振宁，李政道的理论进行分析得出中微子的质量是0，因为没有质量，中微子才能以光速进行运动，甚至超过光速。

最近，一组日本和美国的物理学家，经过两年深入日本地下一个旧矿井进行研究，发现中微子有质量，能够振动。科学家说，根据物理学理论，任何会振动的东西都有质量，由此推断，中微子一定是有质量的。

其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面,加上表面建筑物、地形的遮挡,电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球,它在穿过地球时损耗很小,用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一,因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制,就可以使其包含有用信息,在地球上任意两点进行通讯联系,无需昂贵而复杂的卫星或微波站。应用之二是中微子地球断层扫描,即地层CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加,用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层,与地层物质作用可以产生局部小“地震”,类似于地震法勘探,可对深层地层也进行勘探,将地层一层一层地扫描。

中微子给人们带来了太多的猜想，一会质量为0，一会又推测有质量，这个“小偷”本领不小，弄得科学家们到目前为止也没有个定论，中微子就像“幽灵”一般，在科学家的脑海中挥之不去。

我们所生活的宇宙可谓是无奇不有，就说你正在看这篇文章的同时，有许多的太阳中微子正在穿越你的身体，当然还有远比它们运动速度慢的暗物质粒子也在穿过你的身体。但是，你根本感觉不到它们的存在。在人类探索科学的路径上，这些看不到，摸不到的物质粒子一直困扰着科学家们，对于他们的研究也大幅度提升科学的发展路径。

今天，我们就来聊一聊，科学史上几乎是最难找到的粒子：中微子。它的存在差点就倾覆了整个物理学大厦。

如今科学家主流的科学观念认为现代向科学起源于古希腊时代，如今现代科学的两大支柱一个是形式逻辑体系，一个是通过系统的实验方式寻找因果关系。前者产生于古希腊时代，蕴藏在欧几里得的著作《几何原本》当中，后者则是从文艺复兴时期逐渐建立起来的。

也就是从文艺复兴开始，在科学这门学科当中，“测量”成为科学研究的最基本要点。我们在研究任何对象时，都需要定义物理量，而这个定义就需要能够通过实验手段来进行测量。

但是这件事在当时刚提出来时，其实都还好，一切都能发展得比较顺利。不过，到了近代，就不是那么回事了。科学家开始在更大的尺度和更小的尺度上进行探索，结果他们发现小尺度上遭遇滑铁卢。

首先，他们发现一个问题，那就是微观世界好像并不遵守能量守恒定律。为什么这么说呢？

但是科学家在研究β衰变时，就发现反应前后出现了能量不守恒的情况，但电荷却是守恒的。

这个让当时的大神级物理学家波尔很恼火，波尔和爱因斯坦关于量子力学争论多次，都站了上风。却因为这个原因，波尔甚至想要放弃能量守恒定律。

后来，另外一个大神级的物理学家泡利，这人可是牛起来能把爱因斯坦批评得下不来台的人，他就坚持认为，能量守恒定律是正确，β衰变过程中，肯定还存在一种小质量的中性粒子将亏损的能量带走。

一直到1950年代，科学家终于间接地证明了这个粒子的存在。这个粒子如今被我们称为中微子。但我们要知道的是，1950年代也只是初步确定了中微子可能存在。

在接下来50年的时间里，科学家又与中微子缠斗了许久，还曾多次被这个粒子耍得团团转转，最终才在2000年左右，把中微子的大致情况确定了下来。即便是到了现在，中微子的质量对我们而言都还是迷一样的存在。因此，它真的是不折不扣的幽灵粒子。那你可能要问了，为什么中微子如此鬼魅？

其实中微子鬼魅的原因一共有三个，分别是不参与电磁相互作用，质量极其小，中微子振荡。我们来一项一项地聊一聊。

• 不参与电磁相互作用

在我们的宇宙中，存在着四种作用，分别是：强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用、引力相互作用。其中强相互作用和弱相互作用是在原子的层面上进行的。因此，在我们日常生活当中主要接触到的是引力相互作用和电磁相互作用。

我们都很熟悉引力相互作用，这个作用是指两个物体之间的吸引力。而在生活中，除了引力之外，剩余的就都是电磁相互作用了。我们能看到东西，摸到东西，本质上都是电磁相互作用导致。比如，你能看到一本书，实际上是光线照到了书，书反射光到你的眼睛当中，和眼睛的细胞发生相互作用，最终通过神经系统将图象传递到大脑当中。这个整个过程都是依靠电磁相互作用力来完成的。

而中微子是不参与到电磁相互作用的，只有极小的概率发生弱相互作用。因此，在它传播过程当中，只有极其低的概率与路径上的物质发生作用。据科学家推算，中微子在宇宙中传播1光年的距离，只有50%的概率和这个路径上的物质发生弱相互作用。也正是因为中微子的这个属性，使得它的穿透性极其强，就如同上文中提到的，太阳中微子一直在穿越我们的身体，据统计，仅仅我们的手指，每秒钟就是上亿个中微子穿过。

• 质量小

除了穿透力强，中微子还超级轻。我们知道，电子已经几乎是我们能看到的质量最小的粒子了，但中微子要远比电子要小得多的多，以至于如今我们根本还没有办法确定它的质量到底有多小。

• 中微子振荡

中微子鬼魅的地方还不仅如此，它还非常善于掩饰自己。科学家在研究它的过程中，就发现观测到的中微子数量总是理论值的1/3，后来，科学家又花了10多年的时间，才搞清楚，原来中微子是会变身的。在世界上一共存在着三种中微子。

而这三种中微子在传播过程中会相互转化，因此，我们观测到的总是只有理论值1/3的中微子。

基于这三个特点，使得我们捕捉中微子变得十分困难。