中微子穿透力極強,1光年厚的鉛板都不一定擋得住,為什麼?

爱是微笑 2021/09/27 檢舉 我要評論

我們知道,能量守恆定律是物理學中最基本的定律之一,然而在上個世紀20年代,該定律卻面臨過一次危機,因為那時的人們在實驗中發現,當放射性元素發生了β衰變之後,有一部分能量似乎「憑空消失」了。

在這種情況下,人們就產生了兩種截然不同的觀點,第一種觀點認為能量守恆定律可能是不正確的,第二種觀點則認為,這應該是某種無法探測到的未知粒子帶走了β衰變過程中的一部分能量,而這種假想中的粒子,後來就被命名為中微子。

事實證明,第二種觀點是正確的,在1956年的時候,物理學家柯萬(C.Cowan)和萊因斯(F.Reines)通過實驗首次證實了中微子的存在,能量守恆定律也因此而安然度過了這次危機。

隨著時間的流逝,中微子的神秘面紗也正在逐步被掀開,科學家告訴我們,中微子是宇宙中的基本粒子之一,不帶電,質量和體積也極小,其運動速度通常都會接近光速,並且穿透力極強。

根據科學家的估算,中微子在水中的平均自由程約為18光年(1.7 x 10^17米),即使是在鉛這種常被人們用來阻擋輻射的物質中,中微子的平均自由程也會超過1光年,換句話來講就是,1光年厚的鉛板都不一定擋得住中微子。這是為什麼呢?我們接著看。

為何中微子穿透力這麼強?

在我們的宇宙中存在著四種基本力,分別為引力、電磁力、強相互作用力以及弱相互作用力,然而對于中微子來講,電磁力和強相互作用力都是「無效」的。

儘管中微子會受到引力的作用,但是由于中微子的質量極小(可以低至電子質量的百萬分之一以下),並且速度極快(通常都會接近光速),因此引力對中微子的影響可以說是基本上等于零。

實際上,只有弱相互作用力才會真正地影響到中微子,然而弱相互作用力作用距離極短,並且只存在于原子核內的誇克層面,這就意味著,只有中微子一頭撞在了原子核內的誇克上,才有可能被擋住。

一般認為,中微子直徑的數量級不會超過10^(-20)米,而原子和誇克直徑的數量級分別為10^ (-10)米和10^(-18)米,簡單換算一下就可以得出,假如我們將中微子的直徑放大成1毫米,那麼按照同比例放大後的原子直徑就將會是1萬公里,而誇克的直徑則只有10公分。

也就是說,一個中微子撞上原子核內的誇克的機率,大概就相當于一個直徑1毫米的小球,在一個直徑高達1萬公里的球體空間中沿著一條隨機的路線筆直地飛行,然後準確地撞上位于該于體空間中心的另一個直徑只有10公分小球的機率。

由此可見,中微子撞上原子核內誇克的機率有多低,而這就是中微子擁有極強穿透力的原因。

至此我們就可以簡單總結一下了,從微觀的層面來看,鉛板是由大量的鉛原子構成,而一個中微子在鉛板之中穿行的時候,其實就是一個接一個地穿過鉛原子,在這個過程中,只要它沒有撞上鉛原子核內的誇克,就可以一直穿行下去,而由于這個機率非常非常低,因此即使是1光年厚的鉛板都不一定擋得住中微子。

值得一提的是,宇宙中的中微子數量非常龐大,比如說太陽內部的核聚變反應,平均每一秒就會產生大約10^38個中微子(1後面跟上38個零),這些中微子如此之多,以至于在地球上的我們每時每刻都會被大量來自太陽的中微子穿過(數量級大約為10萬億個/秒)。

由于中微子可以輕易地穿過地球,因此就算是我們位于地球的背陽面,也同樣無法躲過,當然了,這些中微子並不會對我們造成傷害,我們也對此一無所知。




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