中微子极强穿透力,需要五光年铅板才能挡住,若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?为什么?

姜冰2017


我有办法,用黑洞捕获!黑洞周围的空间都弯曲啦,广义相对论!不怕它质量轻!光速什么的!


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答:中微子的穿透力非常强,哪怕是穿过一亿个地球,也很难被吸收;中子星物质具有非常强的引力,还有着非常大的密度,能大大增加中微子被吸收的概率。


中微子号称“幽灵粒子”,是目前科学上最神秘的粒子之一,根据目前科学家掌握的证据,中微子的静止质量不为零但非常小,大约为电子质量的千万分之一。

中微子很难探测,原因有以下几点:

(1)质量太小,万有引力作用很弱,用引力探测中微子的办法基本行不通;

(2)不带电,不参与电磁相互作用,意味着中微子可以在原子中,电子和原子核之间穿梭自由,不受电磁力影响;

(3)不参与强相互作用,意味着可以在原子核内,夸克与夸克间穿梭自由,不受影响;

(4)参与弱相互作用,但是弱力的作用尺度在10^-19米数量级;

正是因为以上几点原因,中微子几乎可以在地球上的所有物质间穿过且不受影响,只有非常小的概率撞击到原子核中的夸克,才有可能因为弱相互作用被吸收。


要知道,在一个原子中,原子核的直径只有原子直径的百万分之一;而在原子核中,夸克之间的距离,又是夸克直径的数万倍,所以一个中微子穿过地球时几乎不受影响。

对于中子星物质,原子核与电子间的空隙,被中子填满了,那么中微子参与弱相互作用的概率大大增加,中子星的引力对中微子有影响,但是中微子的速度一般都很接近光速,所以引力影响很有限。

至于密度更高的夸克星物质,中微子被吸收的概率就更大了,对于黑洞而言,其引力就可以把中微子束缚住。


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中微子又称“幽灵粒子”,每秒有1000万亿个中微子悄无声息的穿过我们的身体,就连穿透地球等大型天体也不在话下。科学家曾用粒子加速器制造出10亿伏特中微子,在瞬间穿透地球时只衰减了1/1000。这就是中微子强大的穿透力。


而需要五光年铅板才能挡住只是形容中微子的穿透力太强,并没有任何人去试过这个说法是否成立。

穿透力惊人的中微子

在19世纪末,科学家在研究放射性物质β射线时,发现该射线与其它不连续的射线不同,而此射线是连续的,并且在放射过程中有一部分能量消失了。

1931年,物理学家泡利在罗马的国际核物理大会上提出:最初他以为这种带走β射线能量来自“原子核”中,于是命名为“中子”;不过他后来发现该粒子并非来自原子核,而是在射线衰变中产生。1932年,物理学家费米便将这种带走能量的粒子正式命名为“中微子。”

此后,物理学家在中微子的研究中获得了20多项诺贝尔奖。到现在,我们知道了中微子是一种不带电荷的轻子,质量接近0,速度接近光速,共有电子中微子、μ中微子、τ中微子三种。它只参与十分微弱的弱相互作用以及引力相互作用,是宇宙中穿透力最强的粒子,每天有大量中微子从太阳出发,穿透地球。

核反应、天然反应性(β衰变)、宇宙射线、超新星爆发等物理过程都会产生中微子。在太阳中,在弱相互作用下,每秒10³⁸个中微子产生。它与宇宙诞生密切相关,正反物质的不对称很可能就是它在作祟。

那么如果一公里的中子态物质是否能挡住中微子强大的穿透力呢?

中子态物质那就是中子星了,这也是一种十分牛皮的星球,在宇宙中密度仅次于黑洞,一颗直径约20~40km的中子星质量可有太阳的2.1倍。因为它全部由重粒子中子构成,中子又是由三个夸克组成。

中子也能衰变,也不带电荷;也有很大的穿透力,但不及中微子;但中子带走磁矩,不过这并不影响中微子的穿透力。

中子它只能在其中一个下夸克在弱相互作用中衰变为上夸克,变成质子。衰变过程中会释放出来一个正电子、一个反电子、一个中微子。不过只有1/1000的中子会生成电子与中微子,同时释放γ射线。

中微子是可以穿过一公里的中子态物质的,即使是几十km直径的中子星也能让穿透。原因有以下几个:

  1. 中微子质量接近0,引力难以对它起作用;
  2. 中微子没有电荷,磁作用力对它毫无作用;
  3. 不参与强相互作用,能在重粒子的中子、夸克自由穿透;
  4. 虽参与弱相互作用,但只有10⁻¹⁹米的尺度中;
  5. 铅是原子量最大的非放射性元素,它的厚度大点也许可能挡住中微子强大的穿透力。
中微子的研究有重大而深远的意义,人们可用中微子向地球另一头传递信息,当然也可利用它更好的认识宇宙的产生。

弄潮科学


中微子极强穿透力,需要五光年铅板才能挡住,若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?

中微子穿透力很强这都是烂大街的事了,但如果有人问中微子穿透力为什么那么强,它能穿过中子星和黑洞吗?估计大部分人都要卡壳,我们今天就来讨论下这个有点看起来很“简单”的穿越问题。

一、中微子是一种什么粒子?

中微子:Neutrino,从字面上理解是“微小的电中性粒子”,上世纪30年代时泡利为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出了中微子假说,不过当时泡利称其为中子,但1932年时发现了中子,费米和泡利在1933年的索尔维会议上将其改名为中微子。

在标准粒子模型里中微子属于费米子。构成物质大厦的“砖块”比如电子、夸克与中微子等都属于费米子,而在将砖块粘合起来的“水泥砂浆”比如光子、胶子与介子W和Z玻色子则是玻色子!

早先以为中微子没有静止质量,但现在我们知道中微子是有质量的,只是质量极轻,原子中经常被忽略质量的电子是它的千万倍。中微子是不带电荷的中性基本粒子,同时也是一种轻子,因此它不参与电磁作用,也和强相互作用无缘,但参与引力作用和弱相互作用。

但在亚原子粒的尺度下,引力的作用几乎可以忽略不计(只有强作用力的1/10^-39),因此它在穿越物质时几乎不会有障碍,这也是它难以检测的原因。中微子的速度只比光速低约0.0006%,这还是2012年MINOS实验组在升级了设备之后测得的数据,原先认为中微子等于光速,甚至还闹出过一起中微子超光速的事故,当然后来确认是传输线路的问题。

二、中微子从哪里来?

放射性物质衰变以及核裂变堆与未来的聚变堆和超新星爆发等都能产生中微子,当然我们天天见的太阳也是中微子产生大户。当太阳到达头顶时,你脚下的地球在每平方厘米的土地上,每秒都会有超过650亿颗来自太阳的中微子穿透。

1H + 1H → 2H + e+ + νe

正在太阳核心发生的质子链反应第一部,两个质子聚变成氘的过程中,一个质子会释放出一个e+(正电子)和一个中微子后转变成中子!这是太阳上中微子的第一个来源。

有一个非常有趣的事实,正在太阳核心发生的故事,在质子链的第一步,聚变产生的中微子经过数秒钟就到达了太阳表面,8分多钟就能到达地球!而光子的话,需要在辐射层里爬上十几万年才能到达对流层,然后再花28个小时爬出对流层,然后再8分多钟就到达地球,你要想想这光子跨越千山万水来见你一趟还真不容易。

光子在太阳内部的路径,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儿?中微子能穿透?

中子星是恒星末期内核质量超过钱德拉塞卡极限坍缩而成的,其特点是电子已经被强大的压力突入进了原子核,与质子中和成了中子,也就是强作用力作用下的物质,《三体》中制造水滴的材料!铅板在这里是无需考虑的,空荡荡犹如探测器穿过小行星带,相撞上都很难啊,当然概率还是存在的,我们只考虑大概率事件。

黑洞的来源有两种,大爆炸时代的原初黑洞以及恒星时代形成黑洞,前者是大爆炸时代的高密物质坍缩形成的,恒星时代的则是内核超过奥本海默极限,强大的压力将夸克压碎坍缩成一个奇点。

两者都是极端致密天体,所不同的是中子星表面仍然有一个逃逸速度,而黑洞视界内连光速都无法脱离了,所以中微子碰到这两种物质是命运是迥异的。

强作用力聚合在一起中子星物质,对于人类来说只一个无法逾越的屏障,但对于中微子似乎并不那么有效,因为中微子不参与强作用力,因此它穿越中子星时强作用力对它无效,这表示中微子有可能可以直接穿越夸克之间的空隙(也不会受到夸克间的强作用力限制),从这一点来看,中微子穿越中子星的概率还是很高的,

从黑洞的德行来看,中微子是不可能穿透的,上文说明了中微子的速度仅比光速低0.0006%,因此在视界附近就被黑洞捕获了,而且当光子还在视界上绕圈圈的时候中微子已经和宇宙拜拜了,因为它会比同时到达的光子先坠入黑洞!

在这个被黑洞极度扭曲的时空里,中微子和光子一样,都会迷失方向,唯一不同的是中微子更抵不住“黑洞姑娘”的诱惑,而早早的坠入了她那冷酷无情的陷阱里。


星辰大海路上的种花家


地球时时刻刻都接受来自太阳或者系外中微子的“洗礼”,我们每个人也是如此。中微子之所有有极强的穿透力主要是因为:它的速度接近光速、它的静止质量几乎为零、它几乎不参与任何相互作用。

至于像地球一样的普通物质,对于中微子几乎没有任何的束缚力。科学上从预言中微子的存在到发现它大约用了将近20年的时间。光是对中微子的发现及各种性质研究就有将近10位各国的科学家获得诺贝尔奖。

图:地下用以探测中微子的实验设备

中微子被称为宇宙间的“隐身人”不足为奇,实在是其太难于被发现捕捉。但是前边也说了中微子虽然质量特别轻有的甚至于小于电子的百万分之一,但是它还是有静止质量的,既然如此必然也会受到引力的作用。但是一般的天体对它的引力几乎可以忽略的,但是对于那种及其致密的天体如中子星、黑洞等,对于中微子是由一定的限制作用的。

而问题中的中子态物质应该指的就是中子星,但是否可以挡住中微子就很难说了。还有另一方面因为中子星物质是极其致密的,所有的电子被挤压进原子核内跟质子结合变成中子,中子星的密度就是原子核的密度。这对于中微子也是有一定影响的,因为中微子还会受到弱相互作用的影响。



科学黑洞


这个问题说实话很难回答,因为穿透力并不是只是由粒子的大小、质量、速度决定的!

中微子

什么是中微子?其实就是一种粒子,只不过这种粒子比较特殊,它不带电,质量非常轻,速度接近光速,而且穿透力极强。

中微子最早是1930年物理学家泡利预言的,只不过他当时称其为中子,当1932年真正的中子被发现后,费米将其改为中微子。


中微子其实存在于我们的身边,但是由于它与其他物质相互作用极小,所以很难观测到,为了观测到中微子,科学家在南极建立了最大的中微子探测器“冰立方天文台”。

宇宙“隐身人”中微子

中微子还有另一个称号就是宇宙“隐身人”,这是因为穿透力太强,难以捕捉和观测。

我们在高中学过几种射线,分别是α、β、γ射线,知道α射线穿透力最弱,一张纸就能够挡住,因为它质量大,速度低,还带电。而β射线的穿透力稍微好一点,γ射线穿透力最强,几厘米厚的铅板才能挡住。

其实仔细想想穿透力不仅仅要满足粒子足够小,速度足够大,还有一点就是能否产生相互作用。简单来说就是不发生“反应”


在所以粒子中,中子可能算是穿透力比较好的,因为它不带电,只会与原子核发生强相互作用,而且中子还有磁矩,仍会和磁性有序的材料发生相互作用。

但是中微子不同,它即不带电,也无磁矩,速度还接近光速,所以它在穿透过程中不会发生电磁作用和强作用,只会发生弱作用和引力作用,所以它的穿透力极强。面对整个地球,每100亿个中微子,可能只有1个会发生相互作用不能逃出。

中子态

所谓中子态就更简单了,就是全部由中子构成的状态称为中子态,其实就是我们常说的中子星。

我们知道中子星是因为巨大的引力收缩而成的,其密度可能是正常物质的上亿倍!而我们说了中微子也会受引力的影响,而且中子星形成过程本就会释放大量中微子。


这其中牵扯的因素太多,例如中微子哪种类型,自身的能量是多少?或者中子态此时的状态等等,但在我看来,一公里的中子态物质穿透是不难的。


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科学认识论


每时每刻,都有数以亿万中微子穿过我们的人体,穿过我们的地球,对比我们人类是无从感知的,它们在宇宙中畅通无阻,似乎什么都音响不了它。


1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,他认为在粒子衰变过程中,除了电子之外,可能还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。这就是中微子,但是求证它的存在用了整整20年的时间。我们的太阳就是巨大的中微子辐射源。


由于中微子不带电性,不表现磁力,所以很难和其它原子中的粒子反应,表现不排斥,而且体积非常微小,(电子的百万分之一),原子对于它来说,显得非常的广阔,就好比原子中有一条看不到边际的公路任它跑,所以很轻易的就穿过去了,人体包括地球,都无法阻挡它,我们毫无感知。




用一公里厚的中子态物质阻挡,首先想到的就是中子星,中子星原子的简并态已经抵挡不了重力压缩,可以说空间已经非常小了,通常是把负电电子压入正电原子核,但是相对于中微子,哪怕是中子星都是存在间隙的,我想一公里厚度虽然能够挡住大部分中微子,但是估计也挡不住所有。唯一能挡住的估计只有黑洞那种未知的密度。


壹点科谱


难找的中微子

其实中微子穿透力强体现在方方面面,不仅仅是各项指标强到爆炸,而且放眼整个科学史,它几乎也是最难被找到的(如果你非要说希格斯玻色子也行,那它就是仅次于希格斯玻色子的存在),而且还一度让科学家们很崩溃,那究竟是咋回事呢?

上世纪30年代,科学家就发现在β衰变的额过程当中,衰变前后有质量的缺失。我们现在知道β衰变是中子生成了质子、电子还有中微子。但是当时的实验只能够发现质子和电子,而发现不了中微子。

这样的情况真的让科学家很崩溃,因为这就导致反应前后的质量是不守恒的,根据爱因斯坦的质能等价,也就是我们的E=mc^2的那个相关理论,质能是相互对应的,是一个东西,因此,质量不等价,就意味着能量也不守恒了。当时,量子力学的哥本哈根学派的领袖科学家尼尔斯·波尔就几乎要放弃能量守恒定律。不过,也有科学家脑子是清醒的,比如:号称上帝之鞭的泡利,就坚持认为,应该存在一种粒子,它只是质量很小很小。科学家费米还给这个粒子取名叫做:

中微子。但截止于目前,科学家也只是猜想。

到了1956年,才有科学家利用核反应堆当中所产生的反中微子与质子反应,生成中子和正电子,用电子和正电子湮灭产生γ射线,通过检测γ射线和用原子核俘获中子来间接证明中微子的存在。听起来是不是非常麻烦?所以,其实科学家找中微子都极其困难。

中微子为什么会特别难找?

而中微子难找主要体现在两个方面:

  • 质量极其小,小到几乎可以忽略。
  • 不带电,又不参与电磁相互作用

质量极其小,小到几乎可以忽略

我们来一个个解释,中微子的质量非常小,据估算,中微子的质量上限最多也就只有电子的百分之一,要知道电子的质量已经是非常非常小的了。而且到目前为止,科学家还在想尽一切办法把中微子的质量测准确,但每个科研小组拿出来的数据都相差很多,这足以见得它的质量有多么难测。

那质量小为什么就会穿透力强呢?

这是因为根据爱因斯坦的狭义相对论,静止质量越接近于0的物体,它的速度就可以越接近于光速,静止质量为0的光子就可以达到光速。由于中微子质量极其小,因此它的速度可以非常接近光速。

不带电,又不参与电磁相互作用

在自然界中,存在四中相互作用:引力强相互作用弱相互作用电磁相互作用。它们就好比粘合剂,正是它们的存在,物质才能形成,强相互作用和弱相互作用确保了原子核能够形成,而电磁相互作用确保了化学反应是在原子的层面上进行,引力则是起到聚合物质的作用。

而中微子由于质量实在,引力对它几乎不起任何作用,而它不参与强相互作用,同时,由于它显电中性,它并不参与电磁相互作用,这一点就和光子有很大的不同,光子是参与到电磁相互作用当中,一会我们再说参与与不参与电磁相互作用区别在哪。正是由于四大作用当中,中微子不参与其中的三个作用,而弱相互作用并不容易发生,这就导致它的穿透力特别弱,几乎不和物质发生反应。我们来举几个具体的例子:

超强的穿透力

最常被人提及的就是太阳,太阳核心时时刻刻都在发生着核聚变反应,每产生3个光子都会同时产生2个中微子。

由于太阳内部是等离子状态,说白了就是温度特别高,电子和原子核不在构成原子,而是到处乱动,就像一锅粒子粥。

这时,光子就会因为要参与到电磁相互作用当中,只能在等离子体内部到处乱撞,最后勉勉强强才能达到太阳表面,整个过程据科学家统计,大概需要14万年的时间。而中微子由于不参与电磁相互作用,可以完全无视一切,直接从太阳内核穿到表面,整个过程只需要几秒钟的时间。

除此之外,我们再举两个例子:

  • 每秒钟大概会有10万亿个中微子穿过我们的身体,而我们根本无法感知到;
  • 一个中微子在宇宙中穿行1光年的路径,和该路径上的物质发生弱相互作用的概率只有50%左右。

其实宇宙当中和中微子有类似的东西存在,那就是暗物质,按照目前主流的看法,它只参与到引力和弱相互作用,而不参与电磁相互作用和强相互作用。和中微子一样,暗物质穿过我们的身体,其实我们也感知不到。

鬼魅的中微子

以上质量小和不参与四大作用力当中的三个作用,只是中微子穿透力强的原因。中微子除了穿透力强,而且行为特别诡异,这是因为中微子之间会相互转换,中微子一共有三种(如果加上反粒子,就有6种),同样是正物质的三种中微子会相互转换,这也被称为中微子振荡。由于中微子振荡的原因,科学家吃了不少苦。(因为在没有发现3种中微子之前,科学家无论咋调试仪器都只找到理论计算结果的1/3的中微子数)

基于中微子的这些特质,所以中微子也被称为幽灵粒子


钟铭聊科学


中微子(符号v)是奥地利物理学家泡利在1930年发现的,他将β衰变中窃走一小部分能量的小偷命名为中子,后来真正的中子被发现了,意大利物理学家费米将这个“中子”改名为中微子。

自然界有四种基本作用力,这些力构成了大千世界,一枚飞速射过来的子弹撞击钢板,电磁力、强力会阻止子弹或者挡住子弹,子弹个头太大,具备的能量也不大,所以不容易射穿太厚的钢板,但对于中微子来说,它可以轻而易举的穿透整个地球,就包括现在的每分每秒,就有亿计的中微子在穿透我们的眼睛。

中微子是一种质量极轻比电子还要轻百万倍,基本不参与其它相互作用,个头极小,所以它几乎从容的穿透任何物质而不会被阻挡。

5光年的铅板可以抵挡的住,因为它足够厚,质量足够大,引力足够强,当然了这也只是理想状态下,5光年厚的铅板谁能造得出?还没建造好就要坍缩成黑洞了。

一公里的中子态物质能够挡得住吗?我们知道中子星上的物质就是中子简并态的物质,密度极大,1立方厘米可能就重达10亿吨,中子星可以看做是一个巨大的原子核,虽然密度对于我们来说非常恐怖,但对于中微子来说,它可能就像是一张渔网,而中微子只是一粒沙子,能挡得住吗?不能。

那么靠这1公里中子态物质的引力能够挡得住吗?也是不能的,中微子质量非常小,比电子的质量还要小百万倍,你说呢?

个人浅见,欢迎评论!


科学船坞


这个算一下不就知道了,最简单的方法就是直接算密度,由于中子星就相当于一个巨型原子核,而铅的绝大部分质量都在原子核,所以这种算法虽然有误差,但不会很大。

查了一下铅的密度是11.3437g/cm³

中子星都密度是每立方厘米8000万到20亿吨,质量越大密度越大,取中间值吧,算15亿吨/立方厘米,即密度是1.5×10^15g/cm³

也就是中子星的密度大约是铅的132231987799395倍,即大约是1.3×10^14倍

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

综合对比一下,很明显如果五光年铅板能挡住,那么1公里中子态物质也能挡住,拦截效率差不多高3倍。🙂


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