雷蒙德·戴維斯 - 基本簡介

雷蒙德·戴維斯(Raymond Davis Jr., 1914-)和小柴昌俊(Masatoshi Koshiba, 1926-)因在宇宙中微子探測方面所作的貢獻，里卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi, 1931-)因發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源，共同分享了2002年度諾貝爾物理學獎。

探索宇宙的奧秘，預測宇宙的未來，這是人類千百年來的夢想。2002年諾貝爾物理學獎表彰的就是這一領域的兩項重大成果。瑞典皇家科學院將2002年諾貝爾物理學獎授予美國科學家雷蒙德·戴維斯、日本科學家小柴昌俊和美國科學家里卡爾多·賈科尼，稱他們“在天體物理學領域做出的先驅(qū)性貢獻”打開了人類觀測宇宙的兩個新“窗口”。

這兩項成果一項是戴維斯和小柴昌俊在“探測宇宙中微子”方面取得的成就，這一成就導致了中微子天文學的誕生；另一項是賈科尼在“發(fā)現(xiàn)宇宙Ｘ射線源”方面取得的成就，這一成就導致了Ｘ射線天文學的誕生。

雷蒙德·戴維斯 - 科研背景

中微子是宇宙間的“隱身人”，是一種非常小的基本粒子，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因此盡管每秒有上萬億個中微子穿過人們的身體，但人們很難發(fā)現(xiàn)它的蹤影。早在1930年著名物理學家泡利（1945年諾貝爾物理學獎獲得者）就預言了這種神秘粒子的存在，但科學家用了25年的時間才證實了這一預言。證實這一預言的是美國科學家弗雷德里克·萊因斯，他在20世紀50年代利用一個核反應堆制造出大量中微子。他因此獲得1995年諾貝爾物理學獎。

中微子還和太陽有著密切聯(lián)系。太陽到底靠什么發(fā)光？19世紀，科學家認為它靠的是太陽內(nèi)物質(zhì)相互吸引而形成的能量，但科學家計算發(fā)現(xiàn)，這種能量只能供太陽燃料200萬年，這顯然與實際情況不相符，因為太陽的實際年齡已經(jīng)有50億年了。1920年，科學家發(fā)現(xiàn)，由2個質(zhì)子和2個中子及4個電子組成的氦原子質(zhì)量要略小于4個由1個質(zhì)子和1個電子組成的氫原子的質(zhì)量。英國科學家愛丁頓根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能互換公式推測，缺少的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量釋放出來，這就是核聚變，太陽發(fā)光靠的就是核聚變。后來科學家預言，在太陽內(nèi)每聚變形成一個氦原子就會釋放出2個中微子。

雷蒙德·戴維斯 - 觀測微子

由于中微子幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因此，盡管每秒有上萬億個中微子穿過人們的身體，但是人們很難發(fā)現(xiàn)它的蹤影。25年之后，考恩(C.L.Cowan)和萊因斯(F. Reines)領導的小組第一次通過實驗直接證實了中微子的存在。戴維斯和小柴昌俊的工作是進一步證實了太陽中微子的存在。元素核合成理論預言，太陽的能量來自于核聚變反應。在核聚變反應過程中，會放出大量中微子。戴維斯通過n + 37Cl ? 37Ar + e-反應來探測中微子的，他的實驗裝置是一個埋在胡姆斯塔克(Homestake)1500米深礦井中的裝有615噸C2Cl4液體的大容器。當中微子與液體中的37Cl碰撞而放出電子時就轉(zhuǎn)變?yōu)?7Ar，只要探測到37Ar 的存在，就能證實中微子的存在。戴維斯持續(xù)了30年時間，才探測到約2000個中微子。觀測到太陽中微子就直接證明了太陽內(nèi)部確實進行著核聚變反應。但是，實驗測得的太陽中微子流的強度僅為標準太陽模型預期值的一小半，這就是30多年來人們一直在談論的“太陽中微子失蹤之謎”。小柴昌俊在日本神岡建造了另一臺大型中微子探測器，是一個裝有2140噸水的大容器，在水箱的周圍裝有上千個光電倍增管。中微子有可能與水中的電子或質(zhì)子相互作用，產(chǎn)生一個高能電子，這個電子可引起微弱的閃光，探測這種微弱的閃光就可證實中微子的存在。小柴昌俊的探測器探測到了來自太陽的中微子，并證實了戴維斯的實驗結果。另外，小柴昌俊的探測器還探測到了1987年2月23日在大麥哲倫星云中爆發(fā)的那顆超新星所釋放出的中微子。這是人類第一次觀測到太陽以外的宇宙中微子。

雷蒙德·戴維斯 - 科學研究

科學家認為，探測太陽中微子幾乎是不可能的。諾貝爾獎委員會稱戴維斯是20世紀50年代唯一一位敢于探測太陽中微子的科學家。后來科學家發(fā)現(xiàn)，中微子可能與氯原子核發(fā)生反應生成一個氬原子核和一個電子，探測是否生成氬原子核就可證實中微子的存在。但這種可能性非常小，諾貝爾獎委員會稱這“相當于在整個撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。為了捕獲中微子，戴維斯領導研制了一個新型探測器，它的主體是一個注滿615噸四氯乙烯液體的巨桶，埋藏在美國的一個礦井中。在30年的探測中，他共發(fā)現(xiàn)了來自太陽的約2000個中微子，并證實了太陽是靠核聚變提供燃料的。

中微子有可能與水中的氫和氧原子核發(fā)生反應，產(chǎn)生一個電子，這個電子可引起微弱的閃光，探測這種微弱的閃光就可證實中微子的存在。小柴昌俊在日本領導研制的另一個中微子探測器利用的就是這一原理。他除了證實太陽中微子的存在外，還在1987年2月23日發(fā)現(xiàn)了一處遙遠的超新星爆發(fā)過程中釋放出的中微子。在那次爆發(fā)過程中，估計有1億億個中微子穿過了探測器，科學家捕獲了其中的12個。

雷蒙德·戴維斯 - 成果作用

包括太陽在內(nèi)的所有恒星都在不斷地發(fā)射各種波長的電磁波，不僅有可見光而且還有人們?nèi)庋劭床灰姷腦射線、g射線等。由于X射線很容易被地球的大氣層吸收，所以要探測來自宇宙空間的X射線，就必須把探測器放入太空中。賈科尼領導研制了世界上第一個宇宙X射線探測器“愛因斯坦X射線天文望遠鏡”并首次獲得了精確的宇宙X射線圖像，第一個探測到了太陽系以外的X射線源，第一個證實了宇宙中存在X射線輻射背景，第一個探測到了可能來自黑洞的X射線。另外，他還倡導研制了“錢德拉X射線望遠鏡”并于1999年送入太空，這對探測星系、類星體和恒星以及尋找黑洞、暗物質(zhì)的蹤跡有著非常重要的意義。

戴維斯和小柴昌俊在“探測宇宙中微子”方面取得的成就導致了中微子天文學的誕生；賈科尼在“發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源”方面取得的成就同樣導致了X射線天文學的誕生。

雷蒙德·戴維斯 - 貢獻價值

2002年諾貝爾物理學獎表彰的另一項成果與Ｘ射線有關。包括太陽在內(nèi)的所有恒星都發(fā)射電磁波，其中包括可見光和人們看不見的其他電磁波，比如Ｘ射線。其實，每時每刻都會有大量的宇宙射線到達地球，但包括Ｘ射線在內(nèi)的多數(shù)宇宙射線都被大氣層吸收了，因而在地面上很難發(fā)現(xiàn)它們的蹤影。為了揭開宇宙Ｘ射線之謎，必須向太空發(fā)射探測器。賈科尼領導研制了世界第一個宇宙Ｘ射線探測器——愛因斯坦Ｘ射線天文望遠鏡。這一探測器于1978年進入太空，它首次提供了精確的宇宙Ｘ射線圖像，在此基礎上科學家獲得了大量新發(fā)現(xiàn)。此外，賈科尼在世界上第一次發(fā)現(xiàn)了太陽系外的Ｘ射線源，第一次證實宇宙存在著Ｘ射線背景輻射，他還探測到了可能來自黑洞的Ｘ射線。1976年，賈科尼倡議研制更為強大的錢德拉Ｘ射線望遠鏡。這一探測器直到1999年才進入地球軌道。耗資15億美元的錢德拉Ｘ射線望遠鏡計劃在太空至少運行5年，對星系、類星體和恒星進行探測，尋找黑洞和黑暗物質(zhì)的蹤跡。天文學家希望借助錢德拉Ｘ射線望遠鏡，能夠加深對暗物質(zhì)和黑洞的認識。

獲獎的兩項成果均涉及對宇宙未來的研究。中微子有沒有質(zhì)量，暗物質(zhì)到底有多少，這關系到宇宙總質(zhì)量的大小�？茖W家認為，如果宇宙總質(zhì)量大于某個數(shù)值，宇宙將在自身引力作用下停止膨脹，并開始“大坍塌”；如果小于或等于某個數(shù)值，則宇宙將一直膨脹下去。由這兩項成果開拓的科研新領域必將揭示更多的宇宙奧秘，這些新答案將直接補充甚至改寫現(xiàn)有的基本理論。