中微子極強穿透力,需要五光年鉛板才能擋住,若是用一公里的中子態物質是否能夠擋住?為什麼?

姜冰2017


我有辦法,用黑洞捕獲!黑洞周圍的空間都彎曲啦,廣義相對論!不怕它質量輕!光速什麼的!


蘋果315


答:中微子的穿透力非常強,哪怕是穿過一億個地球,也很難被吸收;中子星物質具有非常強的引力,還有著非常大的密度,能大大增加中微子被吸收的概率。


中微子號稱“幽靈粒子”,是目前科學上最神秘的粒子之一,根據目前科學家掌握的證據,中微子的靜止質量不為零但非常小,大約為電子質量的千萬分之一。

中微子很難探測,原因有以下幾點:

(1)質量太小,萬有引力作用很弱,用引力探測中微子的辦法基本行不通;

(2)不帶電,不參與電磁相互作用,意味著中微子可以在原子中,電子和原子核之間穿梭自由,不受電磁力影響;

(3)不參與強相互作用,意味著可以在原子核內,夸克與夸克間穿梭自由,不受影響;

(4)參與弱相互作用,但是弱力的作用尺度在10^-19米數量級;

正是因為以上幾點原因,中微子幾乎可以在地球上的所有物質間穿過且不受影響,只有非常小的概率撞擊到原子核中的夸克,才有可能因為弱相互作用被吸收。


要知道,在一個原子中,原子核的直徑只有原子直徑的百萬分之一;而在原子核中,夸克之間的距離,又是夸克直徑的數萬倍,所以一箇中微子穿過地球時幾乎不受影響。

對於中子星物質,原子核與電子間的空隙,被中子填滿了,那麼中微子參與弱相互作用的概率大大增加,中子星的引力對中微子有影響,但是中微子的速度一般都很接近光速,所以引力影響很有限。

至於密度更高的夸克星物質,中微子被吸收的概率就更大了,對於黑洞而言,其引力就可以把中微子束縛住。


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艾伯史密斯


中微子又稱“幽靈粒子”,每秒有1000萬億個中微子悄無聲息的穿過我們的身體,就連穿透地球等大型天體也不在話下。科學家曾用粒子加速器製造出10億伏特中微子,在瞬間穿透地球時只衰減了1/1000。這就是中微子強大的穿透力。


而需要五光年鉛板才能擋住只是形容中微子的穿透力太強,並沒有任何人去試過這個說法是否成立。

穿透力驚人的中微子

在19世紀末,科學家在研究放射性物質β射線時,發現該射線與其它不連續的射線不同,而此射線是連續的,並且在放射過程中有一部分能量消失了。

1931年,物理學家泡利在羅馬的國際核物理大會上提出:最初他以為這種帶走β射線能量來自“原子核”中,於是命名為“中子”;不過他後來發現該粒子並非來自原子核,而是在射線衰變中產生。1932年,物理學家費米便將這種帶走能量的粒子正式命名為“中微子。”

此後,物理學家在中微子的研究中獲得了20多項諾貝爾獎。到現在,我們知道了中微子是一種不帶電荷的輕子,質量接近0,速度接近光速,共有電子中微子、μ中微子、τ中微子三種。它只參與十分微弱的弱相互作用以及引力相互作用,是宇宙中穿透力最強的粒子,每天有大量中微子從太陽出發,穿透地球。

核反應、天然反應性(β衰變)、宇宙射線、超新星爆發等物理過程都會產生中微子。在太陽中,在弱相互作用下,每秒10³⁸箇中微子產生。它與宇宙誕生密切相關,正反物質的不對稱很可能就是它在作祟。

那麼如果一公里的中子態物質是否能擋住中微子強大的穿透力呢?

中子態物質那就是中子星了,這也是一種十分牛皮的星球,在宇宙中密度僅次於黑洞,一顆直徑約20~40km的中子星質量可有太陽的2.1倍。因為它全部由重粒子中子構成,中子又是由三個夸克組成。

中子也能衰變,也不帶電荷;也有很大的穿透力,但不及中微子;但中子帶走磁矩,不過這並不影響中微子的穿透力。

中子它只能在其中一個下夸克在弱相互作用中衰變為上夸克,變成質子。衰變過程中會釋放出來一個正電子、一個反電子、一箇中微子。不過只有1/1000的中子會生成電子與中微子,同時釋放γ射線。

中微子是可以穿過一公里的中子態物質的,即使是幾十km直徑的中子星也能讓穿透。原因有以下幾個:

  1. 中微子質量接近0,引力難以對它起作用;
  2. 中微子沒有電荷,磁作用力對它毫無作用;
  3. 不參與強相互作用,能在重粒子的中子、夸克自由穿透;
  4. 雖參與弱相互作用,但只有10⁻¹⁹米的尺度中;
  5. 鉛是原子量最大的非放射性元素,它的厚度大點也許可能擋住中微子強大的穿透力。
中微子的研究有重大而深遠的意義,人們可用中微子向地球另一頭傳遞信息,當然也可利用它更好的認識宇宙的產生。

弄潮科學


中微子極強穿透力,需要五光年鉛板才能擋住,若是用一公里的中子態物質是否能夠擋住?

中微子穿透力很強這都是爛大街的事了,但如果有人問中微子穿透力為什麼那麼強,它能穿過中子星和黑洞嗎?估計大部分人都要卡殼,我們今天就來討論下這個有點看起來很“簡單”的穿越問題。

一、中微子是一種什麼粒子?

中微子:Neutrino,從字面上理解是“微小的電中性粒子”,上世紀30年代時泡利為了解釋β衰變中能量、動量以及自旋角動量守恆而提出了中微子假說,不過當時泡利稱其為中子,但1932年時發現了中子,費米和泡利在1933年的索爾維會議上將其改名為中微子。

在標準粒子模型裡中微子屬於費米子。構成物質大廈的“磚塊”比如電子、夸克與中微子等都屬於費米子,而在將磚塊粘合起來的“水泥砂漿”比如光子、膠子與介子W和Z玻色子則是玻色子!

早先以為中微子沒有靜止質量,但現在我們知道中微子是有質量的,只是質量極輕,原子中經常被忽略質量的電子是它的千萬倍。中微子是不帶電荷的中性基本粒子,同時也是一種輕子,因此它不參與電磁作用,也和強相互作用無緣,但參與引力作用和弱相互作用。

但在亞原子粒的尺度下,引力的作用幾乎可以忽略不計(只有強作用力的1/10^-39),因此它在穿越物質時幾乎不會有障礙,這也是它難以檢測的原因。中微子的速度只比光速低約0.0006%,這還是2012年MINOS實驗組在升級了設備之後測得的數據,原先認為中微子等於光速,甚至還鬧出過一起中微子超光速的事故,當然後來確認是傳輸線路的問題。

二、中微子從哪裡來?

放射性物質衰變以及核裂變堆與未來的聚變堆和超新星爆發等都能產生中微子,當然我們天天見的太陽也是中微子產生大戶。當太陽到達頭頂時,你腳下的地球在每平方釐米的土地上,每秒都會有超過650億顆來自太陽的中微子穿透。

1H + 1H → 2H + e+ + νe

正在太陽核心發生的質子鏈反應第一部,兩個質子聚變成氘的過程中,一個質子會釋放出一個e+(正電子)和一箇中微子後轉變成中子!這是太陽上中微子的第一個來源。

有一個非常有趣的事實,正在太陽核心發生的故事,在質子鏈的第一步,聚變產生的中微子經過數秒鐘就到達了太陽表面,8分多鐘就能到達地球!而光子的話,需要在輻射層裡爬上十幾萬年才能到達對流層,然後再花28個小時爬出對流層,然後再8分多鐘就到達地球,你要想想這光子跨越千山萬水來見你一趟還真不容易。

光子在太陽內部的路徑,中微子可是很直接的,直接就穿越了!

三、中子星和黑洞是啥玩意兒?中微子能穿透?

中子星是恆星末期內核質量超過錢德拉塞卡極限坍縮而成的,其特點是電子已經被強大的壓力突入進了原子核,與質子中和成了中子,也就是強作用力作用下的物質,《三體》中製造水滴的材料!鉛板在這裡是無需考慮的,空蕩蕩猶如探測器穿過小行星帶,相撞上都很難啊,當然概率還是存在的,我們只考慮大概率事件。

黑洞的來源有兩種,大爆炸時代的原初黑洞以及恆星時代形成黑洞,前者是大爆炸時代的高密物質坍縮形成的,恆星時代的則是內核超過奧本海默極限,強大的壓力將夸克壓碎坍縮成一個奇點。

兩者都是極端緻密天體,所不同的是中子星表面仍然有一個逃逸速度,而黑洞視界內連光速都無法脫離了,所以中微子碰到這兩種物質是命運是迥異的。

強作用力聚合在一起中子星物質,對於人類來說只一個無法逾越的屏障,但對於中微子似乎並不那麼有效,因為中微子不參與強作用力,因此它穿越中子星時強作用力對它無效,這表示中微子有可能可以直接穿越夸克之間的空隙(也不會受到夸克間的強作用力限制),從這一點來看,中微子穿越中子星的概率還是很高的,

從黑洞的德行來看,中微子是不可能穿透的,上文說明了中微子的速度僅比光速低0.0006%,因此在視界附近就被黑洞捕獲了,而且當光子還在視界上繞圈圈的時候中微子已經和宇宙拜拜了,因為它會比同時到達的光子先墜入黑洞!

在這個被黑洞極度扭曲的時空裡,中微子和光子一樣,都會迷失方向,唯一不同的是中微子更抵不住“黑洞姑娘”的誘惑,而早早的墜入了她那冷酷無情的陷阱裡。


星辰大海路上的種花家


地球時時刻刻都接受來自太陽或者系外中微子的“洗禮”,我們每個人也是如此。中微子之所有有極強的穿透力主要是因為:它的速度接近光速、它的靜止質量幾乎為零、它幾乎不參與任何相互作用。

至於像地球一樣的普通物質,對於中微子幾乎沒有任何的束縛力。科學上從預言中微子的存在到發現它大約用了將近20年的時間。光是對中微子的發現及各種性質研究就有將近10位各國的科學家獲得諾貝爾獎。

圖:地下用以探測中微子的實驗設備

中微子被稱為宇宙間的“隱身人”不足為奇,實在是其太難於被發現捕捉。但是前邊也說了中微子雖然質量特別輕有的甚至於小於電子的百萬分之一,但是它還是有靜止質量的,既然如此必然也會受到引力的作用。但是一般的天體對它的引力幾乎可以忽略的,但是對於那種及其緻密的天體如中子星、黑洞等,對於中微子是由一定的限制作用的。

而問題中的中子態物質應該指的就是中子星,但是否可以擋住中微子就很難說了。還有另一方面因為中子星物質是極其緻密的,所有的電子被擠壓進原子核內跟質子結合變成中子,中子星的密度就是原子核的密度。這對於中微子也是有一定影響的,因為中微子還會受到弱相互作用的影響。



科學黑洞


這個問題說實話很難回答,因為穿透力並不是只是由粒子的大小、質量、速度決定的!

中微子

什麼是中微子?其實就是一種粒子,只不過這種粒子比較特殊,它不帶電,質量非常輕,速度接近光速,而且穿透力極強。

中微子最早是1930年物理學家泡利預言的,只不過他當時稱其為中子,當1932年真正的中子被發現後,費米將其改為中微子。


中微子其實存在於我們的身邊,但是由於它與其他物質相互作用極小,所以很難觀測到,為了觀測到中微子,科學家在南極建立了最大的中微子探測器“冰立方天文臺”。

宇宙“隱身人”中微子

中微子還有另一個稱號就是宇宙“隱身人”,這是因為穿透力太強,難以捕捉和觀測。

我們在高中學過幾種射線,分別是α、β、γ射線,知道α射線穿透力最弱,一張紙就能夠擋住,因為它質量大,速度低,還帶電。而β射線的穿透力稍微好一點,γ射線穿透力最強,幾釐米厚的鉛板才能擋住。

其實仔細想想穿透力不僅僅要滿足粒子足夠小,速度足夠大,還有一點就是能否產生相互作用。簡單來說就是不發生“反應”


在所以粒子中,中子可能算是穿透力比較好的,因為它不帶電,只會與原子核發生強相互作用,而且中子還有磁矩,仍會和磁性有序的材料發生相互作用。

但是中微子不同,它即不帶電,也無磁矩,速度還接近光速,所以它在穿透過程中不會發生電磁作用和強作用,只會發生弱作用和引力作用,所以它的穿透力極強。面對整個地球,每100億個中微子,可能只有1個會發生相互作用不能逃出。

中子態

所謂中子態就更簡單了,就是全部由中子構成的狀態稱為中子態,其實就是我們常說的中子星。

我們知道中子星是因為巨大的引力收縮而成的,其密度可能是正常物質的上億倍!而我們說了中微子也會受引力的影響,而且中子星形成過程本就會釋放大量中微子。


這其中牽扯的因素太多,例如中微子哪種類型,自身的能量是多少?或者中子態此時的狀態等等,但在我看來,一公里的中子態物質穿透是不難的。


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科學認識論


每時每刻,都有數以億萬中微子穿過我們的人體,穿過我們的地球,對比我們人類是無從感知的,它們在宇宙中暢通無阻,似乎什麼都音響不了它。


1930年,奧地利物理學家泡利提出了一個假說,他認為在粒子衰變過程中,除了電子之外,可能還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去,帶走了另一部分能量,因此出現了能量虧損。這種粒子與物質的相互作用極弱,以至儀器很難探測得到。這就是中微子,但是求證它的存在用了整整20年的時間。我們的太陽就是巨大的中微子輻射源。


由於中微子不帶電性,不表現磁力,所以很難和其它原子中的粒子反應,表現不排斥,而且體積非常微小,(電子的百萬分之一),原子對於它來說,顯得非常的廣闊,就好比原子中有一條看不到邊際的公路任它跑,所以很輕易的就穿過去了,人體包括地球,都無法阻擋它,我們毫無感知。




用一公里厚的中子態物質阻擋,首先想到的就是中子星,中子星原子的簡併態已經抵擋不了重力壓縮,可以說空間已經非常小了,通常是把負電電子壓入正電原子核,但是相對於中微子,哪怕是中子星都是存在間隙的,我想一公里厚度雖然能夠擋住大部分中微子,但是估計也擋不住所有。唯一能擋住的估計只有黑洞那種未知的密度。


壹點科譜


難找的中微子

其實中微子穿透力強體現在方方面面,不僅僅是各項指標強到爆炸,而且放眼整個科學史,它幾乎也是最難被找到的(如果你非要說希格斯玻色子也行,那它就是僅次於希格斯玻色子的存在),而且還一度讓科學家們很崩潰,那究竟是咋回事呢?

上世紀30年代,科學家就發現在β衰變的額過程當中,衰變前後有質量的缺失。我們現在知道β衰變是中子生成了質子、電子還有中微子。但是當時的實驗只能夠發現質子和電子,而發現不了中微子。

這樣的情況真的讓科學家很崩潰,因為這就導致反應前後的質量是不守恆的,根據愛因斯坦的質能等價,也就是我們的E=mc^2的那個相關理論,質能是相互對應的,是一個東西,因此,質量不等價,就意味著能量也不守恆了。當時,量子力學的哥本哈根學派的領袖科學家尼爾斯·波爾就幾乎要放棄能量守恆定律。不過,也有科學家腦子是清醒的,比如:號稱上帝之鞭的泡利,就堅持認為,應該存在一種粒子,它只是質量很小很小。科學家費米還給這個粒子取名叫做:

中微子。但截止於目前,科學家也只是猜想。

到了1956年,才有科學家利用核反應堆當中所產生的反中微子與質子反應,生成中子和正電子,用電子和正電子湮滅產生γ射線,通過檢測γ射線和用原子核俘獲中子來間接證明中微子的存在。聽起來是不是非常麻煩?所以,其實科學家找中微子都極其困難。

中微子為什麼會特別難找?

而中微子難找主要體現在兩個方面:

  • 質量極其小,小到幾乎可以忽略。
  • 不帶電,又不參與電磁相互作用

質量極其小,小到幾乎可以忽略

我們來一個個解釋,中微子的質量非常小,據估算,中微子的質量上限最多也就只有電子的百分之一,要知道電子的質量已經是非常非常小的了。而且到目前為止,科學家還在想盡一切辦法把中微子的質量測準確,但每個科研小組拿出來的數據都相差很多,這足以見得它的質量有多麼難測。

那質量小為什麼就會穿透力強呢?

這是因為根據愛因斯坦的狹義相對論,靜止質量越接近於0的物體,它的速度就可以越接近於光速,靜止質量為0的光子就可以達到光速。由於中微子質量極其小,因此它的速度可以非常接近光速。

不帶電,又不參與電磁相互作用

在自然界中,存在四中相互作用:引力強相互作用弱相互作用電磁相互作用。它們就好比粘合劑,正是它們的存在,物質才能形成,強相互作用和弱相互作用確保了原子核能夠形成,而電磁相互作用確保了化學反應是在原子的層面上進行,引力則是起到聚合物質的作用。

而中微子由於質量實在,引力對它幾乎不起任何作用,而它不參與強相互作用,同時,由於它顯電中性,它並不參與電磁相互作用,這一點就和光子有很大的不同,光子是參與到電磁相互作用當中,一會我們再說參與與不參與電磁相互作用區別在哪。正是由於四大作用當中,中微子不參與其中的三個作用,而弱相互作用並不容易發生,這就導致它的穿透力特別弱,幾乎不和物質發生反應。我們來舉幾個具體的例子:

超強的穿透力

最常被人提及的就是太陽,太陽核心時時刻刻都在發生著核聚變反應,每產生3個光子都會同時產生2箇中微子。

由於太陽內部是等離子狀態,說白了就是溫度特別高,電子和原子核不在構成原子,而是到處亂動,就像一鍋粒子粥。

這時,光子就會因為要參與到電磁相互作用當中,只能在等離子體內部到處亂撞,最後勉勉強強才能達到太陽表面,整個過程據科學家統計,大概需要14萬年的時間。而中微子由於不參與電磁相互作用,可以完全無視一切,直接從太陽內核穿到表面,整個過程只需要幾秒鐘的時間。

除此之外,我們再舉兩個例子:

  • 每秒鐘大概會有10萬億個中微子穿過我們的身體,而我們根本無法感知到;
  • 一箇中微子在宇宙中穿行1光年的路徑,和該路徑上的物質發生弱相互作用的概率只有50%左右。

其實宇宙當中和中微子有類似的東西存在,那就是暗物質,按照目前主流的看法,它只參與到引力和弱相互作用,而不參與電磁相互作用和強相互作用。和中微子一樣,暗物質穿過我們的身體,其實我們也感知不到。

鬼魅的中微子

以上質量小和不參與四大作用力當中的三個作用,只是中微子穿透力強的原因。中微子除了穿透力強,而且行為特別詭異,這是因為中微子之間會相互轉換,中微子一共有三種(如果加上反粒子,就有6種),同樣是正物質的三種中微子會相互轉換,這也被稱為中微子振盪。由於中微子振盪的原因,科學家吃了不少苦。(因為在沒有發現3種中微子之前,科學家無論咋調試儀器都只找到理論計算結果的1/3的中微子數)

基於中微子的這些特質,所以中微子也被稱為幽靈粒子


鍾銘聊科學


中微子(符號v)是奧地利物理學家泡利在1930年發現的,他將β衰變中竊走一小部分能量的小偷命名為中子,後來真正的中子被發現了,意大利物理學家費米將這個“中子”改名為中微子。

自然界有四種基本作用力,這些力構成了大千世界,一枚飛速射過來的子彈撞擊鋼板,電磁力、強力會阻止子彈或者擋住子彈,子彈個頭太大,具備的能量也不大,所以不容易射穿太厚的鋼板,但對於中微子來說,它可以輕而易舉的穿透整個地球,就包括現在的每分每秒,就有億計的中微子在穿透我們的眼睛。

中微子是一種質量極輕比電子還要輕百萬倍,基本不參與其它相互作用,個頭極小,所以它幾乎從容的穿透任何物質而不會被阻擋。

5光年的鉛板可以抵擋的住,因為它足夠厚,質量足夠大,引力足夠強,當然了這也只是理想狀態下,5光年厚的鉛板誰能造得出?還沒建造好就要坍縮成黑洞了。

一公里的中子態物質能夠擋得住嗎?我們知道中子星上的物質就是中子簡併態的物質,密度極大,1立方厘米可能就重達10億噸,中子星可以看做是一個巨大的原子核,雖然密度對於我們來說非常恐怖,但對於中微子來說,它可能就像是一張漁網,而中微子只是一粒沙子,能擋得住嗎?不能。

那麼靠這1公里中子態物質的引力能夠擋得住嗎?也是不能的,中微子質量非常小,比電子的質量還要小百萬倍,你說呢?

個人淺見,歡迎評論!


科學船塢


這個算一下不就知道了,最簡單的方法就是直接算密度,由於中子星就相當於一個巨型原子核,而鉛的絕大部分質量都在原子核,所以這種算法雖然有誤差,但不會很大。

查了一下鉛的密度是11.3437g/cm³

中子星都密度是每立方厘米8000萬到20億噸,質量越大密度越大,取中間值吧,算15億噸/立方厘米,即密度是1.5×10^15g/cm³

也就是中子星的密度大約是鉛的132231987799395倍,即大約是1.3×10^14倍

而五光年=5×365.25×24×3600×299792.458=47303652362904公里,即大約是4.7×10^14倍

綜合對比一下,很明顯如果五光年鉛板能擋住,那麼1公里中子態物質也能擋住,攔截效率差不多高3倍。🙂


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