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看得見的現實 vs. 看不見的現實

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加拿大安大略省蘇德貝里2,000米深礦層中的球形中微子觀測設備。(法新社)

通常來說,天文望遠鏡包括地面觀測類型和太空觀測類型兩種。

通常來說,天文望遠鏡包括地面觀測類型和太空觀測類型兩種。分布在世界各地的天文臺都設有地面觀測型望遠鏡,而哈勃望遠鏡等則屬於太空望遠鏡。不論從地面觀測還是在大氣層外觀測,天文望遠鏡都是無一例外地面向外太空,凝望著深邃的宇宙。 

不過,有一類望遠鏡卻不是這樣,它們不在外層空間,也不在地面天文臺裡,而是被深深的埋在地下;它們的「眼睛」不是面向太空,而是反轉過來朝向沒有一絲光線的地球中心。難道它們在觀察地心世界嗎?不是,它們是透過地球緻密的軀體,捕捉宇宙中的中微子信息。也就是說,太空中的中微子需要先穿透地球,才能進入望遠鏡的視野。

這些具有絕佳「眼力」的望遠鏡,是科學家們觀測、研究宇宙中的中微子的利器,其中比較有代表性的,包括埋在南極地下的「阿曼達」望遠鏡,還有加拿大的「蘇德貝里」望遠鏡。 

那麼為甚麼要用這樣的方式觀察呢?這還要從中微子本身的特性說起。 

中微子量多 卻難測

中微子能量很高,在宇宙中數量十分龐大。多到甚麼程度呢?宇宙中每一個質子,對應有10億個中微子。這麼多的中微子,我們卻看不到它們,甚至很難直接探測到。 

中微子不僅非常小,而且不帶電荷,幾乎沒甚麼質量。它們可以完全不受阻擋地在宇宙中穿行,不論是星球、星際塵埃,還是電磁場,都輕鬆穿過。正是因為中微子的這些性質,它們可以不受隔斷地穿越地層。 

據威斯康星大學物理學家Francis Halzen說:「每秒鐘有10億個中微子穿過我們的身體。」但我們卻覺察不到,一方面因為中微子很少與物質發生作用,難以捕捉;另一方面,宇宙中由質子、中子等構成的「可見」物質,雖然數量遠不及中微子,但卻占據了我們的視野,因此也會干擾對中微子的觀測。 

這就是為甚麼中微子觀測站往往埋在地下,為的就是過濾「可見物質」的干擾。從某種程度上說,對「可見」物質看得越清楚,就越難看到中微子。 

面向大地 眼望太空 

「阿曼達」(Amanda)望遠鏡其實就是一個中微子觀測站,它的結構同一般的「望遠鏡」也不同。這個由美國國家科學基金贊助研製的龐然大物身高有400米,還有308個像保齡球大小的感應裝置。 

但是它不是在天文臺裡,卻被埋在南極1.5公里的地下。它面向大地而非天空,這就意味著儘管「阿曼達」位於南極,它的「眼睛」卻可以透過地心望著北極的天空。當可見光和其他干擾信號、射線等都被地球的龐大軀體過濾掉後,「阿曼達」就可以「看到」中微子了。但是即使這樣,「阿曼達」也不能看到中微子「世界」的全部。這是因為,即使穿越地球直徑那麼厚的物質,在1,010個中微子中也只有一個會與質子或中子發生反應。 

雖然被地球蒙上了眼睛,「阿曼達」的「眼力」可是世界上獨一無二的。

它能「看」到相撞的黑洞、Gamma爆、遙遠星系的核心和星球爆炸後的殘骸等等。國家科學基金的官員埃森曼(Aizenman)甚至認為,「阿曼達」不僅可以為已知的現象提供更多信息,或許還能發現我們不曾想像的事情或物體。

目前「阿曼達」的設計使命是研究中微子的高能形式,高能中微子所含能量是太陽放射出的低能中微子的1,000倍。另外,當宇宙中出現Gamma爆、黑洞相撞等劇烈天文現象時,都會產生中微子。物理學家希望,用它來搜索太空中以前未知的領域。據計算,「阿曼達」可以把中微子的運動方向精確到3.5度內,這個準確度足以揭示高能中微子的來源。 

世界上第一個中微子探測器建於1968年,由美國物理學家雷蒙德.戴維斯等人,在美國的一個地下金礦中建造的。 

目前世界上的中微子觀測站有許多。美國、意大利、日本、加拿大、法國等都建造了中微子觀測站。例如科學家們在加拿大安大略省蘇德貝里(Sudbury)地下2,000米深的礦層中,建造了一個充滿重水的球形中微子觀測設備。法國的「安塔里斯」(antares)中微子望遠鏡則被安置在地中海深水中,這些觀測站雖然設計原理不同,但都是利用地球軀體過濾其他信號。

天外有天。或許我們對現實的關注恰恰阻擋、干擾著我們發現現實之外的現實。 

現實之外 仍有現實 

中微子望遠鏡的設計思路是相當有啟發性的。原因之一是它採用了一種看似反常的思維方式:要想看到通常看不到的,首先要蒙上眼睛。 

中微子的數量幾乎是質子的10億倍,而採用常規手段卻難以觀測。這一事實背後的哲理既令人興奮,又讓人惆悵。我們對宇宙、生命的理解,往往是來自於經驗,而人類的觀測能力,即使藉最先進的科技手段,也是很有限的。

人們常說:天外有天。或許我們對現實的關注恰恰阻擋、干擾著我們發現現實之外的現實。而要想看到現實之外的現實,我們不得不首先放棄對現實的關注。中微子望遠鏡的啟示恰恰在於這裡。

億萬個中微子組成的畫面到底是甚麼,我們目前還看不見,也摸不著。中微子的「世界」甚麼樣?希望中微子望遠鏡能告訴我們,哪怕是一點點。 
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法國安塔里斯中微子望遠鏡有許多球狀的「眼珠」,它們將被放置於地中海中。(法新社)

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