日期:2022/09/18 IAE
太陽是怎樣發光的How the sun shines
by John N. Bahcall*
是什麼讓太陽發光? 太陽如何產生維持地球生命所需的大量能量? 從十九世紀中葉開始,這些問題一直困擾著科學家們一百五十年。 理論物理學家與地質學家和進化生物學家就誰給出了正確答案展開了激烈的爭論。
為什麼這個科學謎題會引起這麼大的轟動? 19 世紀的天文學家約翰·赫歇爾在他 1833 年的《天文學論文》中雄辯地描述了陽光在人類生活中的基本作用:
太陽光線是地球表面幾乎所有運動的最終來源。 通過它的熱量產生所有的風……通過它們的活力,蔬菜從無機物質中加工出來,反過來成為動物和人類的支持,以及為人類儲存的巨大動力效率的來源 在我們的煤層中使用。
陽光讓地球上的生命成為可能。
在本文中,我們將從歷史的角度回顧我們對太陽(最近的恆星)如何發光的理解的發展,從下一節開始,從 19 世紀關於太陽年齡的爭論開始。在後面的章節中,我們將看到基礎物理學中看似無關的發現如何導致恆星產生核能的理論,從而解決了關於太陽年齡的爭論並解釋了太陽輻射的起源。在總結之前的部分,我們將討論旨在測試恆星核能產生理論的實驗如何揭示一個新的謎團,即失踪中微子之謎。
太陽的年齡
太陽幾歲了?太陽是怎樣發光的?正如我們將看到的,這些問題是同一枚硬幣的兩個方面。
通過使用測量的能量到達地球表面的速率以及地球與太陽之間的距離,可以很容易地計算出太陽輻射能量的速率。太陽在其生命週期內輻射出去的總能量大約是當前能量發射速率(稱為太陽光度)乘以太陽年齡的乘積。
太陽年齡越大,輻射的太陽能總量就越大。輻射能量越大,或者太陽的年齡越大,就越難找到太陽能來源的解釋。
為了更好地理解找到解釋是多麼困難,讓我們考慮一下太陽輻射能量的巨大速率的具體說明。假設我們在夏日將一立方厘米的冰放在室外,這樣所有的陽光都被冰吸收了。即使在地球和太陽之間很遠的地方,陽光也會在大約40分鐘內融化冰塊。由於這將發生在地球與太陽距離的太空中的任何地方,以太陽為中心、直徑為 3 億公里(2 億英里)的巨大球形冰殼將同時融化。或者,將等量的冰縮小到太陽表面,我們可以計算出,地球表面面積的一萬倍、大約半公里(0.3 英里)厚的區域也會在 40 分鐘內融化。能量從太陽中傾瀉而出。
在本節中,我們將討論 19 世紀的科學家如何以太陽時代為線索來確定太陽能的來源。
對太陽年齡的估計相互矛盾
19 世紀的物理學家認為太陽輻射的能源是萬有引力。在 1854 年的一次有影響力的演講中,後來成為傑出研究員和物理學教授的德國生理學教授赫爾曼·馮·亥姆霍茲提出,太陽巨大輻射能量的起源是大質量的引力收縮。稍早一些,在 1840 年代,J.R. Mayer(另一位德國醫生)和 J.J.沃特森還提出,太陽輻射的起源是引力能轉化為熱能。 1
生物學家和地質學家考慮了太陽輻射的影響,而物理學家則專注於輻射能量的來源。 1859 年,查爾斯·達爾文(Charles Darwin)在《自然選擇的物種起源》第一版中,粗略地計算了地球的年齡,估算了以目前觀察到的速度發生侵蝕需要多長時間才能沖走 Weald ,一個橫跨英格蘭南部的北部和南部丘陵之間的大山谷。他在 3 億年的範圍內獲得了“荒野剝蝕”的數字,這顯然足以讓自然選擇產生地球上存在的令人震驚的物種範圍。
正如赫歇爾所強調的那樣,太陽的熱量是地球上生命和大部分地質演化的原因。因此,達爾文對地球上地質活動最小年齡的估計意味著對太陽輻射能量的最小估計。
威廉·湯普森(後來的開爾文勳爵)堅決反對達爾文的自然選擇,他是格拉斯哥大學的教授,也是 19 世紀最偉大的物理學家之一。除了他對應用科學和工程學的許多貢獻外,湯普森還制定了熱力學第二定律並建立了絕對溫標,後來以他的名義將其命名為開爾文溫標。熱力學第二定律指出,熱量自然地從較熱的物體流向較冷的物體,而不是相反。因此,湯普森意識到,除非有外部能源,否則太陽和地球必須變得更冷,最終地球將變得太冷而無法維持生命。
開爾文和亥姆霍茲一樣,堅信太陽的光度是由引力能轉化為熱能產生的。在這個想法的早期版本(1854 年)中,Kelvin 提出,太陽的熱量可能是由落到其表面的流星撞擊不斷產生的。天文證據迫使開爾文修改他的假設,然後他認為太陽可用能量的主要來源是形成太陽的原始流星的引力能。
因此,開爾文勳爵在 1862 年以極大的權威和雄辯的口吻宣布:
當考慮以下原因時,幾乎不能懷疑某種形式的流星理論肯定是對太陽熱的真實和完整的解釋:(1)除了化學作用之外,沒有其他自然解釋可以設想。 (2) 化學理論是很不充分的,因為我們所知道的最有能量的化學作用,發生在相當於整個太陽質量的物質之間,只會產生大約 3000 年的熱量。 (3) 用流星理論計算2000萬年的熱量不難。
開爾文繼續直接攻擊達爾文的估計,反問:
那麼,對於“荒野的剝蝕”,我們如何看待[達爾文的] 300,000,000 年這樣的地質估計?
相信達爾文對地球年齡的估計是錯誤的,開爾文也認為達爾文對自然選擇起作用的時間是錯誤的。
開爾文勳爵估計了太陽的壽命,並暗示了地球的壽命,如下所示。他計算了一個質量等於太陽質量、半徑等於太陽半徑的物體的引力能,並將結果除以太陽輻射能量的速率。這個計算得出的壽命只有 3000 萬年。對化學能可持續壽命的相應估計要小得多,因為化學過程釋放的能量非常少。
誰是對的?
正如我們剛剛看到的,在 19 世紀,您可能會得到非常不同的太陽年齡估計值,這取決於您詢問的對象。著名的理論物理學家根據當時已知的能量來源爭論說,太陽最多只有幾千萬年的歷史。許多地質學家和生物學家得出結論,為了解釋地質變化和生物進化,太陽必須至少已經照耀了幾億年,這兩者都嚴重依賴於來自太陽的能量。因此,太陽的年齡和太陽能的起源,不僅是物理學和天文學的重要問題,也是地質學和生物學的重要問題。
達爾文被開爾文分析的力量和他的理論專長的權威所震撼,以至於在《物種起源》的最後幾個版本中,他刪除了所有關於特定時間尺度的提及。他在 1869 年寫信給自然選擇的共同發現者阿爾弗雷德·羅素·華萊士,抱怨開爾文勳爵:
湯普森對近代世界的看法一直是我最痛苦的問題之一。
今天我們知道開爾文勳爵是錯的,而地質學家和進化生物學家是對的。隕石的放射性測年表明太陽已有 46 億年的歷史。
開爾文的分析有什麼問題?一個類比可能會有所幫助。假設一位朋友觀察您使用您的計算機並試圖弄清楚計算機運行了多長時間。一個合理的估計可能不超過幾個小時,因為這是電池可以提供所需電量的最長時間。此分析中的缺陷是假設您的計算機必須由電池供電。如果您的計算機是通過牆上的電源插座操作的,那麼估計幾個小時可能是錯誤的。電池為計算機供電的假設類似於開爾文勳爵關於引力能為太陽提供能量的假設。
由於 19 世紀的理論物理學家不知道將核質量轉化為能量的可能性,因此他們計算了太短的太陽的最大年齡。儘管如此,Kelvin 和他的同事們堅持認為所有研究領域的有效推論都必須與物理學的基本定律相一致,從而對天文學、地質學和生物學做出了持久的貢獻。
我們現在將討論在理解核質量如何用作恆星燃料方面的一些里程碑式的發展。
解決方案一瞥
理論物理學家與經驗地質學家和生物學家之間鬥爭的轉折點發生在 1896 年。在一項旨在研究威廉·倫琴 (Wilhelm Röntgen) 前一年發現的 X 射線的實驗過程中,亨利·貝克勒爾 (Henri Becquerel) 將一些鈾覆蓋的盤子存放在書桌抽屜裡旁邊是用深色紙包裹的照相底片。因為巴黎有幾天多雲,貝克勒爾無法按照他的意圖將他的照相底片暴露在陽光下來“激發”他的活力。在沖洗照相底片時,他驚訝地發現了他的鈾晶體的強烈圖像。由於鈾的核轉化,他發現了天然放射性。
貝克勒爾發現的重要性在 1903 年變得明顯,當時皮埃爾·居里和他的年輕助手阿爾伯特·拉博德宣布鐳鹽不斷釋放熱量。這一新發現最不尋常的方面是鐳輻射熱量而沒有冷卻到周圍環境的溫度。鐳的輻射揭示了一種以前未知的能量來源。威廉威爾遜和喬治達爾文幾乎立即提出放射性可能是太陽輻射能量的來源。
時任蒙特利爾麥吉爾大學物理學教授的年輕實驗物理學王子歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)發現了放射性物質的α粒子輻射釋放的巨大能量。 1904年,他宣布:
放射性元素的發現,在它們的分解過程中釋放出大量的能量,從而增加了這個星球上生命持續時間的可能限制,並為地質學家和生物學家所聲稱的進化過程提供了時間。
放射性的發現開啟了核能可能是太陽輻射起源的可能性。這一發展使理論家從依賴引力能的計算中解放出來。然而,隨後的天文觀測表明,太陽並不含有大量的放射性物質,而主要是氣態的氫。此外,放射性傳遞能量的速率並不取決於恆星的溫度,而對恆星的觀察表明,恆星輻射的能量確實敏感地取決於恆星的內部溫度。在恆星內部釋放核能需要除放射性之外的其他物質。
在接下來的部分中,我們將追溯導致我們現在認為正確理解恆星如何發光的步驟。
確立的方向
下一個根本性的進步再次來自一個意想不到的方向。 1905 年,阿爾伯特·愛因斯坦根據狹義相對論推導出了他著名的質量和能量關係式 E = mc2。愛因斯坦的方程表明,原則上,少量的質量可以轉化為巨大的能量。他的關係概括並擴展了 19 世紀 von Helmholtz 和 Mayer 的能量守恆定律,將質量轉化為能量。
愛因斯坦方程與太陽的能源有什麼聯繫?答案並不明顯。天文學家通過定義對恆星的觀測對恆星能量產生的可能解釋施加的限制來發揮他們的作用。 1919 年,美國著名的理論天文學家亨利·諾里斯·羅素(Henry Norris Russell)以簡明的形式總結了關於恆星能源性質的天文暗示。羅素強調,最重要的線索是恆星內部的高溫。
規模
阿斯頓在 1920 年表明,四個氫核比一個氦核重。
F.W. Aston 在 1920 年發現了謎題中的關鍵實驗元素。他精確測量了許多不同原子的質量,其中包括氫和氦。阿斯頓發現四個氫核比一個氦核重。這不是他進行的實驗的主要目標,這些實驗很大程度上是為了尋找氖的同位素。
傑出的英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓爵士立即認識到阿斯頓測量的重要性。愛丁頓在 1920 年向英國科學促進會發表的總統講話中指出,阿斯頓對氫和氦之間質量差異的測量意味著太陽可以通過將氫原子轉化為氦來發光。這種將氫燃燒成氦的過程(根據愛因斯坦的質量和能量之間的關係)會釋放約 0.7% 的質量當量的能量。原則上,這可以讓太陽照耀大約 1000 億年。
愛丁頓以驚人的先見之明繼續評論恆星能量產生與人類未來之間的聯繫:
如果,確實,恆星中的亞原子能量被自由地用於維持它們的大熔爐,它似乎更接近於實現我們控制這種潛在能量以造福人類的夢想——或它的自殺。
了解流程
理解恆星如何通過核燃燒產生能量的下一個重要步驟是將量子力學應用於核放射性的解釋。這個應用程序沒有任何參考星星中發生的事情。根據經典物理學,具有相同電荷符號的兩個粒子會相互排斥,就好像它們被相互識別“口臭”所排斥。經典地,兩個帶正電的粒子靠得很近的概率為零。但是,一些經典物理學中不可能發生的事情,卻可以發生在量子力學所描述的微觀尺度的現實世界中。
1928 年,偉大的俄裔美國理論物理學家喬治·伽莫夫推導出了一個量子力學公式,該公式給出了兩個帶電粒子克服相互靜電排斥並非常接近的非零概率。這種量子力學概率現在被普遍稱為“伽莫夫因子”。它被廣泛用於解釋某些放射性衰變的測量速率。
在 Gamow 劃時代的工作之後的十年中,Atkinson 和 Houtermans 以及後來的 Gamow 和 Teller 使用 Gamow 因子推導出在相信存在於恆星內部的高溫下核反應進行的速率。根據愛因斯坦的超質量和能量釋放之間的關係,需要 Gamow 因子來估計兩個具有相同電荷符號的原子核足夠靠近以融合併由此產生能量的頻率。
1938 年,C.F. von Weizsäcker 幾乎解決了一些恆星如何發光的問題。他發現了一個核循環,現在稱為碳-氮-氧 (CNO) 循環,其中可以使用碳作為催化劑燃燒氫核。然而,von Weizsäcker 沒有研究 CNO 循環在恆星中產生能量的速率,也沒有研究對恆星溫度的關鍵依賴性。
CNO循環
循環
對於比太陽重的恆星,理論模型表明,核聚變的 CNO(碳-氮-氧)循環是產生能量的主要來源。該循環導致四個氫核(1H,質子)融合成一個氦核(4He,α粒子),根據愛因斯坦方程為恆星提供能量。普通碳 12C 在這組反應中充當催化劑並被再生。在這個循環中只產生相對低能量的中微子 (ν)。該圖改編自 J.N. Bahcall,《來自太陽的中微子》,《科學美國人》,第 221 卷,第 1 期,1969 年 7 月,第 28-37 頁。
到 1938 年 4 月,幾乎就像是有意為公認的核物理學大師漢斯·貝特(Hans Bethe)的進入設置了科學舞台。 Bethe 教授剛剛完成了一套經典的三篇論文,他在其中回顧和分析了所有關於核物理學的知識。這些作品在他的同事中被稱為“貝特的聖經”。 Gamow 在華盛頓特區召集了一個由物理學家和天體物理學家組成的小型會議,討論關於恆星內部構造的知識狀況和未解決的問題。
在接下來的六個月左右的時間裡,貝特製定了在恆星內部將氫燃燒(融合)成氦的基本核過程。氫是太陽和類似恆星中最豐富的成分,也是宇宙中最豐富的元素。
Bethe 在一篇題為“恆星中的能量產生”的論文中描述了他的計算結果,這篇論文讀起來很棒。他權威地分析了燃燒原子核的反應的不同可能性,並選擇了我們現在認為對陽光負責的兩個過程作為最重要的過程。一個過程,即所謂的 p-p 鏈,從氫中生成氦,是太陽等恆星和質量較小的恆星的主要能源。
p—p連鎖反應
p-p鍊式反應
p-p鍊式反應
p-p鍊式反應
在太陽的理論模型中,這裡展示的 p-p 核反應鍊是能源生產的主要來源。每個反應都在其所在框的左上角標有一個數字。在反應 1 中,兩個氫核(1H,質子)融合產生重氫核(2H,氘核)。這是在陽光下開始核燃燒的通常方式。在極少數情況下,該過程由反應 2 開始。反應 1 和 2 中產生的氘核與質子融合產生輕元素氦 (3He)。此時,p—p鏈斷裂成三個分支,其相對頻率如圖所示。這條鏈的最終結果是四個質子融合成一個普通的氦核(4He),根據愛因斯坦方程,能量被釋放到恆星。在這些聚變過程中會釋放出稱為“中微子”(ν)的粒子。它們的能量在圖中以百萬電子伏特 (MeV) 為單位顯示。 Hans Bethe 沒有討論反應 2 和 4。
該圖改編自 J.N. Bahcall,《來自太陽的中微子》,《科學美國人》,第 221 卷,第 1 期,1969 年 7 月,第 28-37 頁。
CNO 循環是 von Weizsäcker 也考慮過的第二個過程,在比太陽質量更大的恆星中最為重要。 Bethe 使用他的結果來估計太陽的中心溫度,並獲得了一個與我們目前認為的正確值(1600 萬開氏度)相差 20% 以內的值。2 此外,他表明他的計算導致了恆星質量和恆星光度與現有的天文觀測結果令人滿意地吻合。
二戰結束後的頭二十年間,貝特的恆星核燃燒理論增加了許多重要細節。傑出的物理學家和天體物理學家,尤其是 A.G.W. Cameron、W.A. Fowler、F. Hoyle、E.E. Salpeter、M. Schwarzschild 和他們的實驗同事熱切地回到了像太陽這樣的恆星如何產生能量的問題。從 Bethe 的工作中,答案原則上是已知的:太陽通過燃燒氫氣產生其輻射的能量。根據這一理論,太陽內部是一種受控的巨型熱核彈。 3 該理論成功地計算了觀測到的與太陽相似的恆星的光度,並為我們目前對恆星如何發光的理解提供了基礎並隨著時間的推移而發展。核聚變為恆星提供能量的想法是現代天文學的基石之一,科學家們經常使用它來解釋對恆星和星系的觀測。
W.A. Fowler,眾所周知的威利,在他的加州理工學院凱洛格實驗室領導了一個同事團隊,並啟發了世界各地的物理學家來測量或計算 p-p 鍊和 CNO 循環的最重要細節。有很多工作要做,實驗和計算都很困難。但是,這項工作之所以完成,是因為了解太陽能發電的細節是如此有趣。 Fowler 和他的同事 M. Burbidge, G.R. 的大部分努力。 Burbidge、F. Hoyle 和 A.G.W. Cameron) 很快轉向瞭如何在恆星中產生生命所需的重元素的問題。
Testing the hypothesis of nuclear burning
Science progresses as a result of the clash between theory and experiment, between speculation and measurement. Eddington, in the same lecture in which he first discussed the burning of hydrogen nuclei in stars, remarked:
檢驗核燃燒的假設
科學的進步是理論與實驗、推測與測量之間衝突的結果。愛丁頓在他第一次討論恆星中氫核燃燒的同一場演講中說:
我想,理論剛剛通過更嚴格的觀察檢驗的應用數學家不應該感到滿意,而應該感到失望——“又被挫敗了!這一次,我希望找到一個不一致的地方,從而闡明我的模型可以改進的地方。”
有什麼方法可以檢驗太陽之所以發光是因為氫在其內部深處被燃燒成氦的理論嗎?乍一看,直接檢驗核燃燒假說似乎是不可能的。光從太陽中心洩漏到表面大約需要一千萬年,當它最終出現在最外層區域時,光主要告訴我們那些外層區域的情況。儘管如此,還是有一種方法可以用中微子“觀察”太陽內部,這是在試圖理解另一個謎團時發現的奇異粒子。 4
發現、確認和驚喜
中微子是一種亞原子粒子,它與物質的相互作用很弱,並以基本上是光速的速度傳播。當氫核燃燒成氦核時,恆星會產生中微子。地球上的粒子加速器、核反應堆和天然放射性也產生中微子。根據 Hans Bethe 及其同事的工作,我們認為像太陽這樣的恆星產生能量的過程可以用以下關係來表示,
Bethe 方程
(1)
其中四個氫核(1H,質子)燃燒成一個氦核(4He,α粒子)加上兩個正電子(e+)和兩個中微子(ν)加上能量。這個過程向恆星釋放能量,因為正如阿斯頓所展示的那樣,四個氫原子比一個氦原子重。提供太陽輻射能量的同一組核反應也會產生可以在實驗室中搜索的中微子。
太陽
該圖是太陽的橫截面。天文學家通常用探測光的普通望遠鏡研究的特徵都標在外面,例如。 g.,太陽黑子和日珥。中微子使我們能夠深入太陽內部,進入發生核燃燒的太陽核心。
由於它們的弱相互作用,中微子很難被探測到。有多難?一個穿過整個地球的太陽中微子被地球物質阻擋的機率不到千億分之一。根據標準理論,每秒大約有 1000 億個太陽中微子穿過你的縮略圖,而你卻沒有註意到它們。中微子可以不受影響地穿過鐵,就像光可以在一百年內穿過空曠的空間一樣。
1964 年,Raymond Davis Jr. 和我提議用 100,000 加侖的清潔液(主要由氯組成的全氯乙烯)進行實驗,可以對核聚變反應是太陽輻射的最終來源這一觀點進行關鍵測試。我們認為,如果我們對太陽內部核過程的理解是正確的,那麼太陽中微子的捕獲速度將達到戴維斯可以用一個裝滿清潔液的大水箱測量的速度。當中微子與氯相互作用時,它們偶爾會產生氬的放射性同位素。戴維斯之前已經證明,他可以從大量的全氯乙烯中提取微量的中微子產生的氬氣。要進行太陽中微子實驗,他必須非常聰明,因為僅根據我的計算,在奧林匹克規模的巨大清潔液游泳池中每週會產生幾個原子。
我們推動這個實驗的唯一動機是使用中微子:
使我們能夠看到恆星的內部,從而直接驗證恆星中產生核能的假設。
正如我們將看到的,戴維斯和我沒有預料到這個提議的一些最有趣的方面。
戴維斯進行了實驗,並於 1968 年公佈了第一個結果。他測量的中微子比我預測的要少。隨著實驗和理論的完善,分歧似乎更加強烈。科學家們對檢測到太陽中微子感到高興,但擔心為什麼中微子的數量比預期的要少。
什麼問題?我們對太陽如何發光的理解是錯誤的嗎?我在計算戴維斯罐中捕獲太陽中微子的速率時是否犯了錯誤?實驗錯了嗎?或者,中微子在太陽下產生後發生了什麼變化?
在接下來的 20 年裡,數百甚至數千名物理學家、化學家和天文學家研究了許多不同的可能性。實驗和理論計算似乎都是正確的。
實驗再一次拯救了純粹的思想。 1986 年,由 Masatoshi Koshiba 和 Yoji Totsuka 領導的日本物理學家與他們的美國同事 Eugene Beier 和 Alfred Mann 一起,重新安裝了一個用於測量物質穩定性的巨大水箱。實驗人員提高了他們的探測器的靈敏度,以便它也可以作為一個大型的太陽中微子地下觀測站。他們的目標是探索氯實驗中預測速率和測量速率之間存在定量差異的原因。
日本阿爾卑斯山的新實驗(稱為 Kamiokande)也探測到了太陽中微子。此外,神岡實驗證實,中微子率低於標準物理學和標準太陽模型所預測的,並證明檢測到的中微子來自太陽。隨後,在俄羅斯(稱為 SAGE,由 V. Gavrin 領導)、在意大利(分別由 T. Kirsten 和 E. Belotti 領導的 GALLEX 和後來的 GNO)和日本(由 Y. Totsuka 領導的 Super-Kamiokande和 Y. Suzuki),每個都具有不同的特徵,都觀察到了來自太陽內部的中微子。在每個探測器中,觀察到的中微子數量略低於標準理論預測的數量。
所有這些實驗結果意味著什麼?
在五次實驗中檢測到了太陽中心產生的中微子。他們的探測直接表明,太陽輻射的能量來源是太陽內部氫核的聚變。 19 世紀理論物理學家、地質學家和生物學家之間的爭論已經憑經驗解決了。
從天體物理學的角度來看,中微子觀測和理論之間的一致性很好。觀測到的太陽中微子能量與理論預測值相符。檢測到中微子的速率低於預期,但不是一個很大的因素。預測的中微子到達地球的速率大約取決於太陽中心溫度的 25 次方,T x T x…T(溫度 T 的 25 個因數)。已經達成的協議(三倍內的協議)表明我們已經根據經驗測量了太陽的中心溫度,準確度達到了百分之幾。順便說一句,如果有人在 1964 年告訴我,從太陽觀察到的中微子數量將在預測值的三倍之內,我會感到驚訝和高興。
事實上,正常的天文觀測(使用光而不是中微子)和太陽特性的理論計算之間的一致性要精確得多。使用地球地震學的太陽等效物研究太陽的內部結構(即,對太陽振動的觀測)表明,標準太陽模型對太陽中心區域溫度的預測與觀測結果一致。至少 0.1%。在這個標準模型中,太陽的當前年齡是 50 億年,這與 19 世紀地質學家和生物學家對太陽年齡的最低估計(幾億年)一致。
鑑於太陽的理論模型準確地描述了天文觀測,什麼可以解釋測量和預測的太陽中微子率之間存在兩到三倍的差異?
新物理學
物理學家和天文學家再次被迫重新審視他們的理論。這一次,差異不是在對太陽年齡的不同估計之間,而是在基於廣泛接受的理論的預測和對太陽內部核燃燒產生的粒子的直接測量之間。這種情況有時被稱為失踪中微子之謎,或者用聽起來更科學的語言來說,稱為太陽中微子問題。
早在 1969 年,兩位在俄羅斯工作的科學家 Bruno Pontecorvo 和 Vladimir Gribov 就提出,標準理論與第一個太陽中微子實驗之間的差異可能是由於教科書對粒子物理學的描述不足,而不是標準太陽模型。 (順便說一句,Pontecorvo 是第一個提出使用氯探測器來研究中微子的人。)Gribov 和 Pontecorvo 認為中微子患有多重人格障礙,它們在不同的狀態或類型之間來回擺動。
根據 Gribov 和 Pontecorvo 的建議,中微子是在太陽中以混合的個體狀態產生的,一種人格分裂。各個狀態具有不同的小質量,而不是標準粒子理論賦予它們的零質量。當它們從太陽到地球時,中微子在更容易探測的中微子狀態和更難探測的中微子狀態之間振盪。氯實驗只檢測到更容易觀察到的中微子。如果許多中微子以難以觀察的狀態到達地球,則不算在內。就好像一些或許多中微子已經消失了,這可以解釋失踪中微子的明顯奧秘。
基於這個想法,1978 年的林肯·沃爾芬斯坦和 1985 年的斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫和阿列克謝·斯米爾諾夫表明,如果大自然選擇賦予它們特定範圍內的質量,物質對穿過太陽的中微子的影響可能會增加中微子的振盪概率。
中微子也是由宇宙射線粒子與地球大氣中其他粒子的碰撞產生的。 1998 年,Super-Kamiokande 實驗小組宣布他們已經觀察到大氣中微子之間的振盪。這一發現為太陽中微子在不同狀態之間振蕩的理論建議提供了間接支持。許多在太陽中微子領域工作的科學家認為,回想起來,自 1968 年以來,我們已經掌握了太陽中微子振蕩的證據。
但是,我們還不知道是什麼導致了太陽中微子的多重人格障礙。這個問題的答案可能會提供超越當前亞原子粒子標準模型的物理學線索。正如格里博夫和龐泰科沃最初提出的那樣,在中微子從太陽到地球的過程中會發生身份變化嗎?還是物質會導致太陽中微子“翻轉”?加拿大、意大利(三個實驗)、日本(兩個實驗)、俄羅斯和美國正在進行實驗,試圖確定太陽中微子振蕩的原因,通過找出它們的重量以及它們是如何從一種到另一種。非零中微子質量可能會為一個仍未發現的物理理論領域提供線索。
Nature: a wonderful mystery
Nature has written a wonderful mystery. The plot continually changes and the most important clues come from seemingly unrelated investigations. These sudden and drastic changes of scientific scene appear to be Nature’s way of revealing the unity of all fundamental science.
謎團始於十九世紀中葉的謎題:太陽是如何發光的?幾乎立刻,情節就轉向了自然選擇發生的速度以及地質構造的形成速度的問題。 19 世紀最好的理論物理學對所有這些問題給出了錯誤的答案。正確答案的第一個提示是在 19 世紀末期,發現放射性與意外變暗的照相底片有關。
1905 年狹義相對論的發現、1920 年對氫和氦的核質量的測量以及 1928 年對帶電粒子如何接近的量子力學解釋揭示了尋找詳細解決方案的正確方向對彼此。這些重要的調查與恆星研究沒有直接關係。
到 20 世紀中葉,核物理學家和天體物理學家可以從理論上計算出像太陽這樣的恆星內部的核燃燒速率。但是,就在我們認為自然已經弄清楚的時候,實驗表明,在地球上觀察到的太陽中微子比恆星如何發光和亞原子粒子如何表現的標準理論所預測的要少。
在 21 世紀初,我們了解到太陽中微子不僅告訴我們關於太陽內部的信息,還告訴我們一些關於中微子性質的信息。沒有人知道目前正在進行或計劃進行的新太陽中微子實驗將揭示什麼驚喜。大自然用一種國際化的語言書寫了她的謎團,其豐富性和幽默感讓所有國家好奇的人都能閱讀,是美麗的、令人敬畏的和謙卑的。
參考書目
l. F.W. Aston,“化學元素的質譜”,哲學雜誌和科學雜誌,39, 611-625 (1920)。 在測量原子質量的系統程序過程中,阿斯頓發現四個氫原子核(質子)比一個氦原子核(一個 α 粒子)和兩個正電子重 [見方程式。 (1)]。 這一基本發現是我們了解太陽等恆星如何發光的實驗基礎。 原始論文很少被引用,可能是因為該文本主要用於描述阿斯頓的新儀器,並討論了他測量的許多不同質量。 氫氦質量差僅作簡要討論。
2. R.D.E.阿特金森和 F.G. Houtermans,“Zur Frage der Aufbaumöglichkeit der Elements in Sternen”,Z. Physik 54, 656 (1929)。使用 Gamow 因子計算恆星核反應速率的早期嘗試。
3.J.N. Bahcall,“太陽中微子 I. 理論”,物理學。牧師萊特。 12, 300 (1964)。
4. H.A. Bethe,“恆星中的能量產生”,物理學。修訂版 55, 436 (1939)。如果您是物理學家並且只有時間閱讀該主題的一篇論文,那麼這就是要閱讀的論文。
5. J.D. Burchfield, Lord Kelvin and The Age of the Earth, (Chicago: University of Chicago Press), 1990以及許多其他主題,包括自然選擇和地質演化。作者以歷史的準確性講述了一個激動人心的故事。
6. C.L. Cowan Jr., F. Reines, F.B.哈里森,H.W. Kruse 和 A.D. McGuire,“自由中微子的檢測:確認”,Science 124, 103 (1956); F. Reines 和 C.L.考恩,“自由中微子的檢測”,物理學。修訂版 92, 830 (1953)。這些論文描述了中微子的第一次實驗檢測。
7. C. 達爾文,論自然選擇的物種起源,或者,在生命鬥爭中保護有利種族(倫敦:默里 1859 年),p。 285(鵜鶘預印本第一版,296-297,1968)。
8. R. Davis Jr.,“太陽中微子。二、實驗,”物理。牧師萊特。 12, 302 (1964)。
9. J.N. Bahcall 和 R. Davis Jr.,“對太陽中微子問題發展的說明”,載於核天體物理學論文集,編輯。加利福尼亞州巴恩斯,D.D. Clayton 和 D. Schramm(劍橋:劍橋大學出版社 1982 年),p。 243;轉載於 J.N. Bahcall,中微子天體物理學,(劍橋:劍橋大學出版社 1989 年)。相關材料見 http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/snhistory.html。
10. A.S.愛丁頓,“恆星的內部結構”,天文台 43, 353 (1920)。這個講座很有啟發性。
11. A. Einstein,“Zur Elektrodynamik bewegter Körper”,Annalen der Physik,17 (105)。相對論的英文翻譯,由 W. Perrett 和 G.B. 翻譯。 Jeffery 和 A. Sommerfeld 的筆記,(多佛出版社:紐約),1923 年。這篇論文中的邏輯非常漂亮,而且非常清晰。
12. E. Fermi,“Tentativo di una teoria della emite di raggi β”,Ric。 4, 491 (1934)。轉載於 Enrico Fermi,論文集:Note e memorie,第 1 卷。 538(芝加哥大學出版社:芝加哥)(1962-1965)。另見第559, 575. 費米提出了 β 衰變中中微子發射的數學理論。他關於這個主題的第一篇論文被拒絕發表,因為“投機性太強”。
13. W.A. Fowler,“實驗和理論核天體物理學:對元素起源的探索”,Mod 牧師。物理。 56, 149 (1984)。
14. G. Gamow,“Zur Quantentheorie der Atomzertrümmerung”,Zeit。皮毛物理 52, 510 (1928)。使用量子力學推導 Gamow 因子。
15. S. Hawking,“質量極低的引力坍縮物體”,皇家天文學會月刊,152, 75 (1971)。在這篇富有想像力的論文中,霍金推測太陽的中心區域可能包含一個黑洞,這可能是太陽中微子通量低於預期的原因。
16. H. von Helmholtz,講座“關於自然力的相互作用”,柯尼斯堡,2 月 7 日(1854 年),Phil。麥格。 11 [系列 4],489-518 (1856)。
17. J.F.W.赫歇爾,天文學論文(倫敦 1833 年),p。 211.
18. W.T. Kelvin,“論太陽熱的時代”,麥克米倫雜誌,288-293(1862 年 3 月 5 日)。
19. J. Marchant, Alfred Russel Wallace, Letters and Reminiscences, I (London: Cassell 1916), p. 242. 1869 年 4 月 14 日的信函。
20. W. Pauli,致 1930 年 12 月 4 日在蒂賓根舉行的物理學家聚會的信。重印於 Wolfgang Pauli,Collected Scientific Papers,編輯。 R. Kronig 和 V. Weisskopf,卷。 2,第1313(Interscience,紐約)(1964 年)。
21. H.N. Russell,“關於恆星能源的來源”,Pub。助理。社會黨。太平洋,八月(1919 年)。如果您喜歡閱讀神秘故事並從有限的線索中找出“誰做的”,那麼您會喜歡這篇論文。在阿斯頓測量氫和氦質量的前一年和貝特計算核聚變速率的二十年前,羅素使用眾所周知的恆星觀測和簡單的物理推理來推斷提供恆星的“未知過程”的速率能量必須隨著恆星溫度的升高而迅速增加。令人難以置信的是,他還正確推斷出這種能量產生對溫度的依賴性會導致恆星在很長一段時間內保持穩定。這些見解是在一個不包含任何方程式的合理講座的文本中呈現的。
22. E. Rutherford,“鐳的輻射和放射”,鉑。 II,Technics,Aug.,171,(1904)論文集,I:650。
23. C.史密斯和 M.N.智慧、能量和帝國:開爾文勳爵傳記研究,(劍橋:劍橋大學出版社),1989 年。這本書是對開爾文、他的科學和他的生活的激動人心和權威的描述。第 15-17 章涉及太陽的年齡、地球的冷卻和地球的年齡。
24. C. F. von Weizsäcker,“Innern der Sterne 的 Über Elementumwandlungen。 II,”《物理學報》,39, 633 (1938)。 CNO 循環在第 7 節的最後一段中描述。
1. von Helmholtz 和 Mayer 是能量守恆定律的兩位共同發現者。該定律指出,能量可以從一種形式轉換為另一種形式,但總量始終是守恆的。能量守恆是現代物理學的基本原理,用於分析最小的(亞原子)域和最大的已知結構(宇宙),以及介於兩者之間的幾乎所有事物。稍後我們將看到,愛因斯坦對能量守恆定律的概括是理解太陽輻射起源的關鍵因素。能量守恆對放射性的應用揭示了中微子的存在。
2. 根據恆星演化的現代理論,當太陽質量從最初的大型氣體雲收縮時釋放的引力能將太陽加熱到可以發生核聚變的巨大溫度。因此,開爾文和其他 19 世紀的物理學家是部分正確的。引力能的釋放點燃了太陽中的核能發電。
3. Gamow 因子對兩個帶電粒子的相對能量的敏感依賴性,我們現在知道,是什麼為恆星提供了溫度“恆溫器”。
4. 中微子的存在是 Wolfgang Pauli 在 1930 年給他的物理學同事的一封信中首先提出的,作為在發射電子的某些放射性衰變(稱為 β 衰變)中明顯不守恆能量的“絕望出路” .根據泡利非常猶豫地提出的假設,中微子是難以捉摸的粒子,在 β 衰變中隨著丟失的能量逃逸。 β衰變的數學理論是由恩里科·費米於 1934 年在一篇論文中提出的,該論文被《自然》雜誌拒絕,因為“它包含的推測與現實相去甚遠,讀者無法感興趣”。 Clyde Cowan 和 Fred Reines 於 1956 年首次探測到來自核反應堆的中微子。
5、也許最有想像力的提議是斯蒂芬霍金提出的,他提出太陽的中心區域可能包含一個小黑洞,這可能是觀測到的中微子數量少於預測數量的原因。
John N. Bahcall 是新澤西州普林斯頓高等研究院的 Richard Black 自然科學教授。
John Bahcall 於 1956 年在加州大學伯克利分校獲得物理學學士學位,並獲得博士學位。 1961 年畢業於哈佛大學。他在加州理工學院任教,並在普林斯頓高等研究院擔任自然科學教授。
Bahcall 博士的專業領域包括銀河模型、暗物質、應用於天文系統的原子和核物理、恆星演化以及類星體發射和吸收線。 1964 年,他與 Raymond Davis Jr. 合作,提出可以通過實用的氯探測器檢測來自太陽的中微子。在隨後的三十年裡,他完善了對太陽中微子探測器的理論預測和解釋。
1999 年,Bahcall 教授因其在星系模型、類星體吸收光譜和太陽中微子方面的工作而獲得了美國天文學會的終身成就獎,即羅素獎。 1998年獲美國國家科學獎章和美國物理學會漢斯貝特獎; 1994 年美國天文學會和美國物理研究所頒發的海涅曼獎,以表彰他在太陽中微子方面的工作; 1992 年美國宇航局傑出公共服務獎章,以表彰他使用哈勃太空望遠鏡進行的觀測;以及 1970 年美國天文學會華納獎,以表彰他對類星體和太陽中微子的研究。
Bahcall 教授於 1990 年至 1992 年擔任美國天文學會主席,並於 1990 年代擔任美國國家科學院天文學和天體物理學十年調查委員會主席,該委員會成功地確定了研究項目的優先事項。
2000 年 6 月 29 日首次發布