正是从恒星中涌出的中微子将核心的内爆转变为超新星爆炸，将恒星的外壳吹向太空。这些气体注定会成为酝酿、诞生新一代恒星的温床。如果没有中微子，生命所必需的元素将永远禁锢在恒星内部。

中微子物理学在很大程度上是一门什么都观察不到，却能学到大量东西的艺术。

——哈伊姆·哈拉里(Haim Harari)[66]

我做了一件可怕的事情：我假设了一个无法检测到的粒子。

——沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)

1956年6月14日，南卡罗来纳州萨凡纳河

在开车去炸弹工厂的路上，弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)一直在唱歌，他喜欢唱歌就像他喜欢物理一样。莱因斯在新泽西上大学的时候曾求教大都会歌剧院(Metropolitan Opera)的声乐老师，并参演了亨德尔(Handel)创作的《弥赛亚》(Messiah)中的独唱。[67]据说，在遇到特别棘手的理论问题时，莱因斯经常把自己锁在办公室里唱几个小时的歌。6月的一个早晨，当莱因斯优美的男中音从摇下的车窗里传出来时，还真吸引了不少行人。但这一次，他是因为难以抑制内心的激动才唱歌的，在经过将近一年的艰苦工作(如果把前期努力都算上的话，应该是5年)，莱因斯及其团队即将实现某个不可能实现的目标。

艾肯(Aiken)是一个美丽的海滨社区，自1955年11月以来，研究团队就定居于此。从艾肯到萨凡纳河工厂(Savannah River Plant)有8英里(约13千米)远。当莱因斯驾车驶出镇子的时候，山茶花和木兰花的芳香随着湿热的空气从窗口飘进来。这使他想起刚从洛斯阿拉莫斯的大沙漠来到这里的那天，南卡罗来纳看起来充满了异域情调。他第一次从艾肯开车出来，穿过沼泽般的萨凡纳河谷时，车子忽然碾过路上的什么东西，接着，车子就像经过减速带那样猛地一颠，他回头一看，竟然是一条响尾蛇。[68]

在萨凡纳河工厂的门口，莱因斯的车子排在了长长的两排车队的后面。这个工厂有5座核反应堆、几套分离装置以及核废料的储存设施，面积比纽约市还大，雇用了近4万人。当美国政府宣布计划建造该工厂时，曾谎称不是为“制造原子武器”而建的。但每个人都心知肚明，这座工厂生产的产品是制造核武器的核装药——这就是为什么在艾肯的商店和海滩酒吧，人们私下里都把萨凡纳河地区称为“炸弹工厂”。[69]

1949年9月初，美国空军一架B-29轰炸机在苏联太平洋沿海上空侦察时，确信嗅到了原子弹爆炸的气息。像在洛斯阿拉莫斯的大多数同事一样，莱因斯也曾加入曼哈顿计划，参与了第一枚原子弹的制造。他还清楚地记得，当听到美国已经失去了核垄断的地位时大家震惊不已的表情——广岛核爆炸才过去4年，苏联人就赶上来了。

为了对抗苏联的威胁，美国总统哈里·杜鲁门(Harry Truman)着手推动研制一种超级炸弹，其破坏力让原子弹都相形见绌。这需要在全国范围内建造大量设施，不仅需要制造这种氢弹的核装药，还要把氢弹组装起来。作为该计划的一部分，1950年11月28日，美国政府宣布征用萨凡纳河附近约500平方千米的土地用于制造核弹的两种关键元素：氚和钚。为此推平了4个城镇，迁移了6000人，到1952年初，炸弹工厂全面投产。[70]

1952年11月1日，美国在伊鲁吉拉伯岛(Elugelab)引爆了一枚氢弹。伊鲁吉拉伯岛是埃内韦塔克环礁(Enewetak Atoll)的一部分，该环礁岛位于太平洋上。这颗氢弹的破坏力是广岛原子弹的700倍，整个伊鲁吉拉伯岛都蒸发不见了，直径达150千米的放射性蘑菇云冲入云霄，并在海底炸出了一个2千多米宽、16层楼那么深的大坑。然而，仅仅9个月后，也就是1953年8月，就传来了令人难以置信的消息：苏联人也成功引爆了自己的“氢弹”。尽管当时苏联的设计还不能通过等比放大以达到更大的爆炸当量，但大家都知道这只是时间问题。果然，1955年11月22日，苏联在哈萨克斯坦(Kazakhstan)的塞米巴拉金斯克(Semipalatinsk)试验基地引爆了第一颗真正的氢弹。

终于排到莱因斯了，他从敞开的车窗里晃了一下自己的证件，就朝着粗笨庞大的P反应堆加速驶去。萨凡纳河核工厂拥有5座反应堆，分别以R、P、K、L和C命名，字母是随机选择的。这些反应堆间距2.5英里(约4千米)，是为了防止被苏联一击全灭；反应堆呈马蹄形曲线分布，以便规避直线轰炸。每一个反应堆都非常巨大，仅地面以上的部分就有60米高。为加强防护，反应堆在地下还有12米。正是这一点吸引了莱因斯及其团队。他们从新墨西哥州来到这里追求他们梦寐以求的猎物：一个25年前就被预测到的幽灵般的亚原子粒子，它的存在肯定会在今天被证实。

1930年12月，瑞士苏黎世

这种难以琢磨的粒子是由奥地利物理学家泡利预测的。沃尔夫冈·泡利自幼聪明过人，他在21岁时就写了一篇关于相对论的综述文章，其精辟程度让相对论的创立者爱因斯坦都刮目相看。事实上，这位著名的泡利先生自信得近乎傲慢，有一次爱因斯坦演讲结束后，泡利站起身转向听众，向他们保证：“爱因斯坦教授所说的并不完全是愚蠢的。”[71]

20世纪20年代中期，泡利因其对原子以及构成原子的亚微观世界做出的革命性描述而成为量子理论的主要创建者之一。事实上，他的名字因泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)而不朽。这一原理禁止两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，从而在理论上使原子和日常世界的存在成为可能。

到了20世纪20年代末，一个新的谜团开始困扰泡利和他的同事们。这个谜团与放射性β衰变(decay)有关。β粒子是来自不稳定原子的内部，或者说是原子核的三种不同类型的辐射产物之一。不稳定的原子通过衰变，重新安排原子核的结构以使其达到一个更稳定的状态。1899年，也就是法国人亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)发现自发放射性的3年后，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福指出：β粒子是电子，并且不是像围绕太阳公转的行星那样围绕原子核旋转的普通电子，而是来自原子核内部的电子。

在原子核的世界里，更高的稳定性是更低的能量的同义词。因此，当原子核衰变时，总是从能量较高的能级跃迁到能量较低的能级，并以α粒子、β粒子或γ射线的形式释放出多余的能量。实验人员观察到，α粒子和γ射线释放出的能量总是固定不变的，如果三种核辐射释放出的能量都等于原子核辐射前后状态的能量差，那就十全十美了。然而，在1914年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现β粒子并非如此。与α粒子和γ射线不同，β粒子携带的能量并非固定不变，而是在一定的范围之内连续分布。

我们用枪来打个比方。如果发射子弹的能量确定不变，那么每颗子弹都会以同样的速度从枪口射出。绝不会出现以下这样的情况：第1颗子弹以中等速度射出，第2颗子弹以高速射出，第3颗子弹的速度则太慢了，以至于它刚一出枪口，就掉在了地上。然而，小电子子弹在β衰变时，就是以这种不可能的方式射出的。这无疑使物理学家们对查德威克的实验结果感到莫名其妙。

当然，β粒子的行为可能并没有什么特别之处。或许在逃逸之前，这些β粒子像弹球机里滚动的弹球一样在原子内部来回弹跳，撞击了多个电子，并将一部分能量转移给了其他电子。然而，1927年，这种可能性被剑桥大学的查尔斯·德拉蒙德·埃利斯(Charles Drummond Ellis)和威廉·阿尔弗雷德·伍斯特(William Alfred Wooster)的实验排除了。[72]β粒子仍然是未解之谜。事实上，这个有难度的问题反倒激起了玻尔的兴趣。尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔，量子理论的创立者之一，也是20世纪继爱因斯坦之后最伟大的物理学家之一。在考虑β粒子之谜时，玻尔对物理学的基石之一——能量守恒定律——提出了质疑。能量守恒是指能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。玻尔认为，在原子世界中，也许能量的转换并不遵循守恒定律。

我们再回到泡利，当时他是苏黎世联邦理工学院的物理学家，对泡利来说，能量守恒就像暴风雨中波涛汹涌的大海里的救生筏，放弃它是绝对不可想象的。“玻尔完全走错了路。”他说。但是，如何解开β粒子之谜呢？

那时泡利正经历着其一生中最糟糕的一年。两年前的1927年11月，他的母亲在被其父亲抛弃后而自杀了，这件事对泡利造成了重大影响。1929年5月，他退出了天主教会——毫无疑问，泡利觉得他被上帝抛弃了。此后，在1929年12月23日，泡利与来自柏林的凯思·德普纳(K?the Deppner)结婚了。当时德普纳23岁，比泡利小6岁，是一名卡巴莱[1](cabaret)歌舞演员。德普纳遇到泡利时已经和一位名叫保罗·高尔德芬格(Paul Goldfinger)的药剂师在约会了，而且在他们婚后，德普纳和这位药剂师也一直保持着关系，她甚至都没和可怜的泡利住在一起。泡利曾这样告诉一位朋友，他的婚姻是“松散型的”。[73]

德普纳最终选择离开泡利，跟另外一个男人生活在一起，这令泡利伤心不已，但更让泡利感到羞辱的，是那个男人的身份伤害了他作为一流科学家的自尊心。“要是跟一位斗牛士跑了，我还能理解，”他向朋友们抱怨道，“她怎么会看上这么个不起眼的药剂师!”[74]

婚姻的不如意导致泡利开始酗酒，还养成了吸烟的习惯。[75]“我根本无法很好地与女人相处，”他绝望地写道，“恐怕我不得不忍受这一点，但忍耐也是有限度的，也不容易忍着。我有点担心，随着年龄的增长，我会越来越孤独。”[76], [77]

在夫妻关系最紧张的时期，泡利将全部精力放在量子理论引发的棘手问题上，也许这能帮助他暂时摆脱情感困境，但也可能使他和德普纳的关系雪上加霜。德普纳说，泡利收到了许多物理学家的来信，尤其是量子理论先驱沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)的。收到信后，泡利在他们的公寓里走来走去，“像一头关在笼子里的狮子……以最尖刻、最诙谐的方式写出自己的观点”。[78]正是在那痛苦的11个月，也就是和德普纳保持若即若离的婚姻的那段时间里，泡利想出了解决β粒子衰变难题的方案。

1930年12月4日，在德国召开的一次会议上，泡利发布了一份公开信，向其他科学家提出了他的方案。[79]信的开头这样写道：“亲爱的女士们、先生们：不幸的是，我不能亲自到图宾根(Tübingen)来。因为12月6日至7日晚上苏黎世的舞会不能没有我。”舞会在苏黎世市中心最著名的巴尔拉克酒店(Baur au Lac Hotel)举行。尽管和德普纳离婚才过去10天，但在感情上伤痕累累的泡利已经打算马上重新振作起来，给自己再找一个女人。

在图宾根会议上，这封信被高声朗读出来，听众就包括后来在核裂变的发现过程中发挥关键作用的莉泽·梅特纳(Lise Meitner)。泡利指出，假设β衰变中的能量本来是固定的，如果存在某种迄今未知的粒子和β粒子共享该能量，那么也可以解释为什么从原子核发射的电子不具有固定能量。

再想想那支枪。如果子弹从枪管中射出时，伴随着另一个未知发射体，则两者共享发射时提供的能量。此时，如果未知发射体分得的能量少，那么子弹分得的能量就多，使其以高速射出；如果未知发射体分得的能量多，那么子弹分得的能量就少，使其以极低的速度射出枪口就掉落在地。事实上，子弹所得的能量范围取决于那个发射体带走了多少能量。

然而在β衰变过程中，谁也没见过由原子核发出的任何与电子相伴的粒子。因此，泡利的新粒子一定很少与正常物质的原子相互作用。事实上，泡利估计需要10厘米厚的铅墙才能阻止其前进。

泡利也考虑了这个假想粒子的具体性质，如果真有这种粒子的话，为了不明显影响原子核的质量，它必须很轻。但泡利并没有意识到，它可能并不存在于原子核中，而是在发射电子的那一刻才产生，就像光在发射时才形成光子一样，绝对不是从预先存在于原子内的光子包里拿出来的。泡利还特别提到了假想粒子的电荷，电荷和能量一样，既不能被创造，也不能被消灭。例如，在β粒子衰变时，总电荷量没有净变化——尽管原子核的正电荷增加了，但发射的电子携带了一个单位的负电荷，对正电荷进行了补偿。[2]为了不破坏这种微妙的平衡，新粒子一定不带电荷。意识到它是电中性之后，泡利把它命名为中子，后来被改称中微子(neutrino)。

“对这个假设发表的任何东西，我都没有任何把握。”泡利在他给图宾根会议的信中写道。中微子是一个“绝望的补救措施”，因为在1930年，人们只知道物质的三种亚原子结构：原子核中的质子、环绕原子核的电子和光的粒子——光子。如果泡利再添加一个粒子，就将大自然的基本构件数量增加了1/3。

1931年6月16日，在加州帕萨迪纳举行的美国物理学会首届夏季会议上，泡利第一次公开了自己对中微子的预测。但物理学家们开始关注它已经是4个月之后，由费米在罗马组织的一次会议上发生的事了。恩里科·费米(Enrico Fermi)注定是自伽利略以来最伟大的意大利科学家，他和泡利一样对量子理论做出了重要贡献。费米立刻被这位奥地利物理学家的想法迷住了，不仅因为这个想法解决了β粒子的能量分布问题，而且解决了另一个难题——自旋。

物理学家们发现，亚原子粒子看上去好像在旋转，尽管它们并没有旋转。就像亚微观量子领域的其他事物一样，自旋也是以不可分割的整体，或者说是以“量子”形式出现的。由于自旋电荷的作用类似一块小磁铁，因此可以从运动粒子在磁场中偏转的形态来推断其自旋。质子、中子和电子的自旋都是一个特定值的1/2(出于历史的、令人费解的原因，自旋的最小值是某一特定值的一半)。[80]那些主要由费米确定的具有半整数自旋的粒子，统称为费米子(fermion)。

亚原子粒子的自旋就像电荷和动量一样，也是永远不变的物理量之一，或者说是守恒的。[3]然而，如果1个中子(自旋1/2)衰变成1个质子(自旋1/2)和1个电子(自旋1/2)，最后的总自旋可能有两种结果：如果衰变后得到的质子和电子的自旋方向相同，则总自旋为1；假如衰变后得到的质子和电子的自旋方向相反，则总自旋相互抵消，数值为0。这两种情况的自旋数值都不等于衰变前的总自旋1/2，这违反了自旋守恒。好在泡利在给图宾根会议的信中不仅提出了中微子不带电荷、质量很小，以及很少与正常物质相互作用，而且泡利还假设了中微子拥有1/2的自旋。如果是这样，在衰变后的质子产物中加上中微子，那么质子、电子和中微子(1/2＋1/2-1/2=1/2)的自旋就有可能等于衰变前中子的自旋(1/2)，符合自旋守恒。

泡利的预测同时解决了许多问题，而且，他预测的中微子所具备的特性，诸如自旋、电荷、质量和穿透能力等，都通过实验观测得到了证实。在物理学历史上，还从来没有人做出过这样成功的预测。这也激发了费米的想象力，1931年10月的罗马会议一结束，他就决定着手开发革命性的β衰变理论。[81]

就在费米酝酿β衰变理论的几年里，前面也有提到过，两种新的亚原子粒子被发现了，那就是中子和正电子。1932年8月，加州理工学院的卡尔·安德森在帕萨迪纳研究宇宙射线时，发现了第一个反物质粒子——一个带正电荷的孪生电子，取名正电子。[4]1932年1月，英国剑桥大学的詹姆斯·查德威克发现了原子核中的第二种组分，其质量与带正电荷的质子相同，但不带电荷的中子。正是中子的发现，使费米为泡利假设的粒子起了一个新名字——“Neutrino”，即中微子。“Neutrino”一词在意大利语中有“小的、中性的东西”的意思。

费米发表于1934年的β衰变理论非常成功。这个理论表明，除了众所周知的万有引力和电磁力之外，还存在第三种基本的自然力。费米把这种新的相互作用称为弱力，弱力只在原子核内很短的距离内起作用，这也是以前没有人注意到它的原因。弱力的作用是把原子核中的1个中子变成1个质子，同时产生1个电子和1个反中微子(antineutrino)。

费米的理论也容许逆向过程发生，即质子捕获中微子，转变成中子并放射出正电子(事实上，中微子就是在这一过程中产生的。β衰变中产生的是反中微子，这正是泡利预测所表述的事情)。物理学家汉斯·贝特和鲁道夫·佩尔斯(Rudolf Peierls)立即指出，依据费米的理论，这种逆β衰变(inverse beta decay)发生时，中微子在飞向质子时会撞上其他物质，从而被探测到，但实际上，这种情况极少发生。

费米并没有说弱力这种新的相互作用毫无意义。事实上，弱力比电磁力——那种把我们体内的原子聚集在一起的力——弱10万亿倍。这种力太微弱了，由计算得知原子核中的质子捕获中微子的概率接近零。[82]尽管泡利认为一块大约10厘米厚的铅板差不多就可以挡住中微子，但根据费米的理论，似乎需要好几光年厚的铅板才行。[5][6][83]正如美国小说家迈克尔·查本(Michael Chabon)随后评述的那样：“如果你想不被中微子打到，就需要把自己包裹在8光年厚的铅里面，这还是所需的最小厚度。我猜这些小浑蛋无处不在。”[84]

尽管费米的β衰变理论支持中微子存在，但许多人依然怀疑它是否存在。这怎么能怪他们呢？就连诺贝尔奖得主、美国物理学家利昂·莱德曼(Leon Lederman)也曾评述道：“中微子……必将赢得极简主义大赛的冠军：零电荷、零半径，而且极有可能还是零质量。”[85]

在这些持怀疑态度的人中就有英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿。“此刻，核物理学家们正忙于撰写想象中的粒子，即所谓中微子的文章，试图解释β衰变中特定的观测现象，”他说，“或许最好将中微子描述为分离出去的微弱自旋能。我对中微子理论不太感兴趣。”

然而，爱丁顿并没有说他不相信中微子：“我必须意识到，物理学家就像是艺术家，你永远不知道他接下来要上演哪一出。”爱丁顿认为，如果的确有中微子，那么就要证明它的存在。但即使是这个时候，爱丁顿也很谨慎。“我敢断言实验物理学家们缺乏足够的创造力制造不出中微子吗？”他说，“不管心里怎么想，都不要冒险拿实验物理学家的技术来打赌。如果他们成功地制造出了中微子，甚至开发出了中微子的工业应用，我想我不得不相信，但我可能会觉得他们搞了小动作(发现，还是制造？)。”[86]

即使对那些相信中微子存在的人来说，中微子的不可探测性也是一个难以克服的问题。具有讽刺意味的是，虽然生活中的泡利是一个非常害怕孤独的人，但他预测了宇宙中最孤僻的粒子的存在。这种粒子孤僻到几乎与宇宙中的任何东西都不产生相互作用。“我做了一件可怕的事，”泡利说，“我假设了一种无法被探测到的粒子。”前沿物理学家一致认为不可能探测到中微子。事实上，泡利自己就以一箱香槟为赌注跟人打赌说，没人能找到中微子。

1955年11月，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯

十多年来，弗雷德里克·莱因斯一直在做“不可能”完成的事情。1944年，他加入曼哈顿计划时所做的事情看起来就是不可能的，那就是让核原料释放出比等量的炸药多100万倍的能量。但他们于1945年7月16日在阿拉莫戈多(Alamagordo)完成了这一壮举。“我成了死神，世界的毁灭者。”曼哈顿计划的负责人罗伯特·奥本海默在观看了新墨西哥沙漠上空的蘑菇云升入黎明的天空时，引用了《薄伽梵歌》(Bhagavad Gita)中的这句名言。

接下来，莱因斯又与研究团队一起解决另一个不可能：制造超级炸弹——一种用原子弹触发、释放能量的原理如同太阳的装置。1952年11月1日，他们实现了这一壮举，在埃内韦塔克环礁引爆了氢弹。

研究团队总是面临着不可能的挑战，但他们总能勇往直前、取得胜利。例如，1951年测试增强型原子弹时，他们很清楚，爆炸产生的强烈γ射线将会使从炸弹塔到仪器掩体的信号电缆中产生强烈的电涌，烧毁电子器件。在可撤退范围内唯一能提供可靠防护的就是试验核弹的那座岛，所以他们只能把岛一侧的土堆到岛的另一侧以提供防护。[87]

原子弹试验带来的不可能的挑战使所有参与的人都产生了一种“勇往直前”的精神，一种“目光远大”的志向。正是这种精神促使莱因斯挑战探测核弹爆炸产生的中微子，这又是一项不可能完成的任务。

1951年，在埃内韦塔克环礁成功地进行了一系列核试验后，莱因斯回到了美国。在经历了6年艰苦的核武器试验工作之后，他疲惫不堪，亟须休整一下。莱因斯请求洛斯阿拉莫斯理论部门的领导停止给他委派任务，以便让他有时间思考一下基础物理学的事。卡森·马克(Carson Mark)是个开明的人，批准了莱因斯的请求，给他安排了一间办公室。莱因斯坐在那里，眼睛盯着一张白纸看了好几个月，苦苦思考着他到底该干点什么。很长一段时间，他都没有头绪，但随后，莱因斯想到了中微子。

在洛斯阿拉莫斯，莱因斯曾是炸弹试验指导和联络小组的成员。有时，该小组会反复讨论一些疯狂的想法，即在核试验中利用热辐射、γ射线和中子的强烈爆发进行一些物理学实验来研究基本的物理现象。所以莱因斯很清楚，核火球会产生一种伴生辐射。当铀核或钚核发生裂变时，会产生2个不稳定的子一代核。在向稳定状态过渡的过程中，每个子一代核平均需要经历6次β衰变，每次会分裂出1个反中微子。因此，核爆炸会产生异常强烈的反中微子爆发。

探测到反中微子的机会低到几乎不可能。但是，莱因斯认为，如果每次产生的反中微子的数量足够多，那么捕获到1个反中微子的概率就会提高。

1951年夏季的一天，莱因斯听说恩里科·费米正在访问洛斯阿拉莫斯，并给他在走廊的尽头安排了一间办公室。费米因在20世纪30年代早期创立了β衰变理论而赢得了1938年的诺贝尔物理学奖，领奖后，他悄悄逃离了法西斯独裁者墨索里尼(Mussolini)统治的意大利。1942年12月2日，费米在美国改变了历史的进程：在芝加哥大学斯泰格体育场(Stagg Field)西看台下的、由室内壁球馆改造成的实验室里，他用铀和石墨建成了一座简陋的反应堆，利用世界上第一个持续的核链式反应释放了原子核的惊人能量。

莱因斯在敲费米办公室的门时，感到有些局促不安。当他告诉这位意大利物理学家他想在核爆炸的冲击波中探测中微子的想法时，费米并没有否定这个想法。令莱因斯颇感意外的是，事实上，费米同意莱因斯的观点，即核爆炸是发现这种难以捉摸的粒子的最佳机会。

中微子几乎不可能被单个原子中的质子俘获。因此，增加机会的方法就是把大量的原子放在一起。莱因斯估计，如果探测器的质量为1吨左右，就有可能探测到少量中微子。但是莱因斯和费米都不知道下一步该怎么办。

费米并未嘲笑莱因斯探测中微子的想法，这增强了莱因斯的信心。问题是只有他一个人痴迷于此，他缺少帮手，但当莱因斯跨越整个国家，飞往新泽西州普林斯顿参加一个物理学会议时，情况发生了改变。莱因斯乘坐的飞机引擎出了故障，被迫降落在堪萨斯城。和他一起从新墨西哥州来的还有另一位物理学家克莱德·柯温(Clyde Cowan)。柯温曾在第二次世界大战期间与英国人一起研究雷达，1949年加入了洛斯阿拉莫斯实验室。尽管莱因斯和柯温都曾是美国炸弹研制小组的成员，但在这之前，他们从未有过适当的交谈机会。现在，当他们在堪萨斯城的街道上漫步、等待飞机维修时，两人相谈甚欢。

莱因斯和柯温的谈话很快就转到了基础物理学方面，以及“世界上最难的实验是什么”这个问题上，两人立刻一致认为是中微子的探测。所有人都认为这是不可能的，这反倒激发了他们的研究热情。二人憧憬着实现这一壮举后，同事们的反应和自己将获得的荣耀。他们当场就决定一起合作探测中微子，莱因斯终于找到了帮手。

回到洛斯阿拉莫斯，莱因斯和柯温铆足了干劲，积极筹划这个项目。于是在1951年末，一个中微子实验小组诞生了。由于中微子是稍纵即逝的幽灵，几乎不会在物质的现实世界中现身，所以探测任务被命名为猎幽项目(Project Poltergeist)。

贝特和佩尔斯已经指出，要通过逆β衰变，才能捕获中微子(更准确地说，是电子型反中微子)：在极少数情况下，1个中微子与1个质子相互作用，产生1个中子和1个正电子。因为电子在物质中无处不在，正电子会很快遇到电子，并与之湮灭。湮灭后的正、负电子转化为两个高能光子，或者叫作γ射线，朝相反的方向辐射出去。莱因斯和柯温打算探测的正是这些γ射线——它们代表发生了正负电子的湮灭，也就间接地证明了中微子的存在。

一年以前，也就是1950年，几个研究团队发现了示踪**。当带电的亚原子粒子或γ射线穿过这种**时，射线经过的地方会发出闪光。这种液态闪烁体发出的闪光很微弱，不过可以用光电倍增管(photomultiplier)来增强这些闪光，并将其转换为人类可测量的电信号。所以，可以在闪烁体周围布满光电倍增管来探测γ射线诱发的闪光。

莱因斯和柯温设想的中微子探测器包含液态闪烁体和一箱水。水中的大量质子将为中微子提供大量的目标，当中微子和质子相互作用时会产生的一对γ射线，分别穿过水箱周围装有液态闪烁体的容器，将被放置在每个闪烁体容器周围的光电倍增管检测到。

这个实验用到的竖井并不特别，然而，莱因斯和柯温选择挖掘竖井的地方却一点也不普通——这正是拥有大无畏思想和敢作敢为精神的两位物理学家的过人之处。虽然原子弹威力巨大，能制造出毁灭一座城市的炽热火球，但莱因斯和柯温还是考虑把探测器安置在离这片地狱中心只有50米远的地方。

鉴于没有任何东西能在这样的爆炸中幸存，莱因斯和柯温设想将中微子探测器放置在直径10英尺(约3米)、深150英尺(约45.72米)的竖井中。他们会先把竖井中的空气抽走，在炸弹爆炸前的一瞬间，让探测器自由下落。在2秒的下落过程中，探测器不仅被周围的井壁保护，免受火球的猛烈冲击，而且由于探测器是在真空中做自由落体运动，能避免受到穿过土壤的巨大冲击波带来的潜在的灾难性冲击。莱因斯和柯温在竖井的底部铺上一层厚厚的泡沫橡胶和羽毛，这样，探测器在触底时也能得到保护。莱因斯和柯温打算几天之后再去取回探测器，因为那时候辐射水平会降低，他们可以冒险快进快出。

事实上，这个非凡的计划得到了洛斯阿拉莫斯实验室主任诺里斯·布拉德伯里(Norris Bradbury)的批准。内华达炸弹试验基地甚至已经开始挖掘用来放置探测器的150英尺(约4.57米)深的竖井。但是，在1952年秋，洛斯阿拉莫斯物理学分部的负责人杰罗姆·凯洛格(Jerome Kellogg)问莱因斯和柯温，是否有可能用核反应堆而不是核弹来进行实验。直觉上，这似乎不可能，因为核反应堆的中微子源比核爆炸弱1000倍。然而，当莱因斯和柯温在仔细研究这种可能性时，惊讶地发现这个方案是可行的。

当中微子撞击质子时，不仅产生1个正电子，还产生1个中子。莱因斯和柯温意识到，关键是不仅要探测正电子，还要探测中子。中子可以用像镉这样的物质来检测，镉能像海绵一样吸收中子。将镉与液态闪烁体混合在一起，就可以探测到中子了。在被镉原子核吸收之前，每个中子都会在原子核之间不断碰撞反射，这个过程大约持续5微秒。当中子进入镉原子核之后，会将多余的能量以γ射线的形式释放出来。

这样，连接到光电倍增管的电子设备首先会同时记录到两束来自正负电子湮灭的γ射线，紧接着在5微秒之后又会探测到第三束来自中子的γ射线。一对γ射线先同时出现，延迟5微秒后，收到第三次γ射线，这种信号非常独特，不大可能与检测器探测到的任何其他粒子过程相混合，这也就排除了令人头痛的其他干扰。也正是这个原因，才可能确定在核反应堆中探测到的就是中微子，即使反应堆是比核爆炸弱得多的粒子源。

相较核爆炸，核反应堆还有其他优点。例如，与其提供一个超短的、一两秒钟的时间窗口来检测中微子，还不如连续几周、几个月甚至几年对其进行监测。这样做当然也不会有实验室被烧成灰烬的风险，更不需要有人冒着生命危险从受辐射污染的地方取回探测器。[88]

1953年早春，莱因斯和柯温的团队在车上装了容量可达300升的中微子探测器、几桶**闪烁液和几架电子设备，前往华盛顿州汉福德核工厂(Hanford Engineering Works)生产钚的反应堆。他们选中的是美国最新、最大的那座反应堆，预计会产生最高的反中微子通量。如果能够用肉眼“看到”中微子，那么这座反应堆就会像第二个太阳一样光芒四射，熠熠生辉。

但在汉福德，猎幽项目被迫暂停了。研究小组要面对的绝不只是逆β衰变中产生的中子，很明显，有一些中子直接来自反应堆核心的裂变核。为了吸收并阻止这些中子到达探测器，研究小组用石蜡、硼砂和铅在实验区周围筑起了一堵厚厚的墙。这个办法奏效了，然而，在探测器中干扰中微子信号的不只是来自反应堆核心的中子，还有一些来自太空的东西。

宇宙射线是由爆炸的恒星以及其他剧烈的宇宙事件产生的高能原子核。在地球大气层的顶部，这些射线猛烈撞击原子核，产生次级粒子，这些粒子像绵绵细雨一样穿过大气层。这些粒子中，穿透能力最强的是μ(muon)子，那是一种重电子。宇宙射线μ子猛烈撞击莱因斯团队围绕实验区建造的屏蔽层中的原子核，产生了中子发射。不幸的是，这些中子比中微子产生的中子要多10倍。“这次实验的教训很明确：很容易屏蔽人为的噪声，但不可能屏蔽宇宙的噪声。”柯温说，“我们感觉已经揪住了中微子的尾巴，但证据还不够坚实。”

莱因斯和柯温很失望，但并没有放弃。他们二人知道，至少实验中使用的技术是有效的，只不过需要一个能更好地屏蔽来自宇宙射线干扰信号的核反应堆。最后他们找到了萨凡纳河核弹工厂的P反应堆，由于深埋在地下12米处，P反应堆完全避开了来自太空的威胁。1955年11月，猎幽项目搬到了南卡罗来纳州。

1956年6月14日，南卡罗来纳州萨凡纳河

莱因斯开车驶过一个写有“危险，不要靠近围栏，这里有高中微子通量”的玩笑标牌，把车停在了一辆卡车旁边。团队曾用这辆卡车运来了大量湿锯末。[89]控制室连同嗡嗡作响的发电机安置在一辆拖车里，相比之下，混凝土的反应堆简直是庞然大物。地上蜿蜒交错的电缆线将电信号从12米以下的闪烁体容器中传送上来，从电缆上面走过时，莱因斯不得不小心翼翼，以免被绊倒。控制室内，柯温面朝布满示波器、开关和发着光的真空管的墙坐着，监视着探测器的输出。

拥有差不多12名队员和10吨重的探测器，以及堆积如山的辅助设备，这个团队进行着当时地球上最大的物理实验。从未有人敢做如此复杂的事情，但那时，其他人也没机会能像他们一样在研究世界末日大决战的武器时，学到尖端的科技；也没人能像他们一样拥有洛斯阿拉莫斯的财务资源、机械加工车间和最新技术。这是大科学，是对未来的展望：有一天，许多物理研究的工作将在跨越国界、雇用数千名研究人员、耗资数百亿美元的实验室中完成。

猎幽项目最终设计了一种双层三明治状的装置，加入氯化镉的2层水作为中微子的靶标，靶标与3层液态闪烁体交错排列。中微子与水箱中的质子相互作用时会产生1个正电子和1个中子，这个正电子与负电子湮灭生成的向相反方向传播的2束γ射线，在分别穿过水箱两侧的闪烁体容器时，首先几乎被同时探测到。接下来，会在5微秒后，探测到与正电子同时产生的中子释放出的另1束γ射线。

猎幽项目已经运行了1371小时。测量到的γ射线信号不仅比背景信号大4倍，反应堆启动时的信号也比关闭时的信号大5倍。每小时都能探测到3个中微子。

然而，反应堆中核裂变产生的中子穿透反应堆周围11米厚的混凝土屏蔽层，并在实验数据中制造出虚假γ射线的可能性依然存在。他们需要添加些屏蔽物，所以当莱因斯因为值了一整晚夜班而累得睡着时，团队的其他成员正把一袋袋的湿锯末堆在反应堆的墙上。实际上，他们首选的屏蔽物是南卡罗来纳的美食——黑眼豆(Cowpeas)，但湿锯末更容易找到，而且价格更便宜，数量也足够多。[90]

如果检测到的一些γ射线来自反应堆产生的中子，多加的这层湿锯末对此应该会有屏蔽作用，使噪声信号减少到1/10。莱因斯问：“信号有变化吗？”柯温抬起头，咧嘴笑了笑，说：“没变化。”这正是莱因斯想听到的，这说明能穿透反应堆周围11米厚的混凝土屏蔽层的中子带来的干扰并不严重。

在拖车外，早些时候，团队的其他成员已完成了各部分的组装工作。理查德·琼斯(Richard Jones)和福雷斯特·赖斯(Forrest Rice)安装了探测器和铅屏蔽；大型**闪烁体是由专家F. B. 哈里森(F. B. Harrison)负责的；奥斯汀·麦奎尔(Austin McGuire)设计了包括闪烁体在内的水箱区；海罗德·克鲁斯(Herald Kruse)负责解释示波器的信号；还有“地鼠”马丁·沃伦(Martin Warren)。现在，团队成员们虽然看起来疲惫不堪，但个个兴高采烈、神采飞扬，他们互相击掌、拍背，庆祝克服了最后的障碍，完成了不可能完成的任务。付出了5年辛勤的汗水和努力，终于擒获了难以捉摸的中微子。[91]

剩下的两件事就是拍电报报喜和收拾好装备，驾车回洛斯阿拉莫斯了。

泡利于1956年6月14日收到了电报：“我们很高兴地告知您，通过观察质子的逆β衰变，毫无疑问，我们已经从裂变碎片中探测到了中微子……弗雷德里克·莱因斯，克莱德·柯温。”

第二天，泡利在苏黎世联邦理工学院回了电报：“投递地址：新墨西哥州洛斯阿拉莫斯1663号信箱。弗雷德里克·莱因斯和克莱德·柯温：谢谢告知。耐心之树结黄金之果。泡利。”

凭借25年前对中微子的预测，泡利真正加入了魔术师的行列。毕竟，即使人们使出浑身解数去狂想，又有谁会想象出像中微子这样虚无缥缈、幽灵一般、彻头彻尾怪异的东西呢？泡利之所以做出这样的预测，唯一的原因是数学逻辑告诉他，中微子必须存在，没有它，放射性β衰变就没有意义。

收到电报一周后，泡利在日内瓦附近的欧洲核子研究组织(法语：Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire；英语：European Organization for Nuclear Research，简称CERN)——欧洲最大型的粒子物理实验室——的一次研讨会上宣布了中微子的发现。莱因斯在1995年诺贝尔奖获奖感言中说，庆祝时泡利开了一箱香槟。[92]这确实是个不错的故事，因为泡利确实用一箱香槟打赌说，中微子永远不会被探测到。但遗憾的是，事实并非如此。[93]

莱因斯和柯温可就没那么幸运了。在南卡罗来纳州的阳光下，他们和团队成员站在P反应堆外庆祝成功时，只能用可口可乐代替香槟。[94]

以上只是中微子故事的开始。看看你的手，每秒钟有大约1000亿个中微子从你的拇指指甲穿过。8分半钟以前，这些中微子还在太阳的中心。太阳中微子是从使太阳发光的核反应中产生的。

值得注意的是，莱因斯、柯温的研究小组并不是唯一敢于挑战探测中微子这一难题的团队，甚至在萨凡纳河工厂都称不上唯一。1954年，由雷·戴维斯(Ray Davis)领导的一个研究小组在工厂中一个核反应堆的地下室安装了一个探测器，装有3800升清洗液——四氯化碳。探测器的设计思路是由恩里科·费米的前同事、后来前往苏联的布鲁诺·庞泰科尔沃(Bruno Pontecorvo)提出的。中微子偶尔会与清洗液中的氯原子核相互作用，将其变成氩原子核。氩是很容易分离的气体。收集到的氩原子核数量应与探测到的中微子数量相一致。

不幸的是，戴维斯碰到了莱因斯和柯温在汉福德核工厂遇到的类似问题，探测器没有很好地屏蔽宇宙射线的干扰，所以戴维斯输掉了中微子探测的竞赛。但他非常执着。20世纪60年代中期，在南达科塔州里德的荷马斯塔克金矿的地下矿井深1.5千米处，戴维斯安置了一个装有40万升清洗液的探测器，目的是探测来自太阳核心的中微子。令人难以置信的是，戴维斯成功了，从此，他成为看到恒星核心的第一人。

但这也带来了一个问题。根据太阳产生能量的理论预测，戴维斯本应探测到更多的中微子，但出乎意料的是，他只探测到了预期的1/3~1/2的中微子。是我们对太阳的认识有什么问题，还是我们对中微子的认识有什么问题？

戴维斯面临的难题引发了一波验证他的异常结果的实验浪潮。事实上，一般认为此次事件开启了中微子天文学。几乎所有人都认为戴维斯出错了，然而与预期相反，新实验证实了来自太阳的中微子数量确实不足。[95]

太阳中微子之谜有一个颇为意外的答案，目前已经被加拿大安大略省萨德伯里中微子天文台(the Sudbury Neutrino Observatory)证实：实际上存在三种中微子。戴维斯探测到的是电子中微子(electron neutrino)；1962年，纽约布鲁克海文国家实验室(Brookhaven)发现了μ子中微子(muon neutrino)；2000年，芝加哥附近的费米实验室(Fermilab)发现了τ子中微子(tau neutrino)。没有人知道，为什么大自然选择将中微子和所有其他基本构造物夸克(quark)一分为三。但不容辩驳的是，萨德伯里天文台探测到了三种类型的粒子。根据其2006年的研究表明，只要把这三种类型的中微子的数量加在一起，中微子的数量就不会出现短缺。

早在1957年，庞泰科尔沃就提出，中微子可能以不同的类型出现，并且在中微子从太阳穿过太空到地球的途中，还会从一种类型转变成另一种类型。想象一下，一只狗在街上走了100米后变成了一只猫；这只猫走了100米后变成了一只兔子；然后这只兔子走了100米后又变回了狗。假设出于某种离奇的原因，你的眼睛只能看到狗，那么，也就是说，这段时间内发生的事情，你只能看到1/3。中微子也是如此。戴维斯的实验探测器只对电子中微子敏感，在荷马斯塔克金矿井中捕捉到的是以电子中微子类型出现的中微子，所以只能“看到”1/3的中微子。[96]

这种变化暗示中微子可能有质量，尽管许多人认为中微子的质量为零。根据爱因斯坦的狭义相对论，只有像光子那样的零质量粒子才能以宇宙终极速度光速运动。对于光子这样的粒子，相对论预测其时间会减慢到停滞状态。光子因此不能变化，因为根据定义，变化只能在时间中发生。然而，中微子确实发生了变化——在三种不同的味之间转换。这意味着中微子的速度一定比光速慢，因此其是有质量的。

电子是已知的最轻的亚原子粒子，而中微子似乎比电子要小至少10万倍，毫不奇怪，中微子的质量很难测量。这也表明，中微子获得质量的方式不同于所有其他基本粒子。其他基本粒子是通过与希格斯场(Higgs ield)相互作用而获得质量的(见第8章)。希格斯场论是粒子物理标准模型(the Standard Model)的关键组成部分。该模型是对自然界中除引力外的三种基本力的量子描述。虽然标准模型可以成功解释实验结果，但它不能预测基本粒子的质量和基本力的相对强度，因此被认为是对一种更深入、更令人满意的理论的近似。物理学家们希望破解中微子是如何获得质量的难题，可以为这个难以捉摸的万有理论(theory of everything)找到重要线索。

尽管中微子的质量非常小，但其仍然可能对宇宙产生重要影响。仅太阳就涌出大量的中微子，更不要说整个银河系中的其他恒星了，还有138.2亿年前诞生宇宙的大爆炸也产生了不计其数的中微子。[97]中微子是自然界中最鬼魅、最难以捉摸的实体。我们对中微子的情况几乎一无所知，显然它们只是宇宙生命的旁观者，而不是参与者。然而，中微子是自然界中第二常见的粒子，仅次于光子。就绝对数量而言，我们生活在一个中微子和光子的世界中。

所以，即使中微子的质量非常微小，但其仍然是宇宙质量构成的重要部分。事实上，如果还存在尚未发现的大质量中微子，那么中微子可能是宇宙中神秘的暗物质的组成部分，已知暗物质的质量约是可见的恒星和星系的6倍。[98]

但这并不是中微子成为解释宇宙奥秘的关键唯一证据。实验表明，中微子和反中微子的产生和消亡速率不同，这暗示了物质和反物质之间存在着基本的不对称性。也许有一天，它可以解释宇宙中最大的谜团之一——为什么我们生活在一个几乎不含反物质的物质世界中？[99]

当莱因斯带领其团队在1956年探测到中微子时，他的工作还只是万里长征的第一步。1987年，有两个研究小组探测到来自另一颗恒星的19个中微子，莱因斯就是其中一个小组的成员。大麦哲伦星云(the Large Magellanic Cloud)是银河系的一个卫星星系，SN1987A标志着大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)中一颗大质量恒星的爆炸。这是400年来在银河系中看到的第一颗超新星。

当一颗大质量恒星走到生命尽头时，会耗尽产生必要内热的燃料，导致无法对抗强大重力的挤压。随着核心灾难性地坍缩，温度上升到极高，在恒星的生命周期中好不容易积累起来的元素通过核反应，分裂成质子、中子和电子。电子被压缩进质子中，形成一个被称为中子核(neutron core)的超高密度球。在这个过程中，会释放出大量的中微子。以SN1987A为例，它释放出了1058个(相当于100亿亿亿亿亿亿亿个)中微子。尽管一颗超新星可以发出与拥有1000亿颗恒星的整个星系一样亮的光，但事实上，仅有1%的能量是以光的形式发射出来的，高达99%的能量是由中微子带走的。

正是从恒星中涌出的中微子将核心的内爆转变为超新星爆炸，将恒星的外壳吹向太空，外壳中所含的元素丰富了星际气体云。这些气体注定会成为酝酿、诞生新一代恒星的温床。如果没有中微子，生命所必需的元素将永远禁锢在恒星内部。“大自然为什么需要中微子？它们有什么用？”英国物理学家弗兰克·克洛斯(Frank Close)问道。[100]由泡利提出的“不可能”被探测的粒子对宇宙的重要性超出了所有人的想象，真相惊人。事实上，如果没有中微子，人类根本不会诞生，也就不会读到现在这些文字了。

[1]卡巴莱是一种具有喜剧、歌曲、舞蹈及话剧等元素的娱乐表演，盛行于欧洲。它的表演场地常是酒吧、餐厅或有表演舞台的夜总会。

[2]现在知道，在β衰变过程中，原子核中的中子转变为质子。由于质子和中子都是由3个夸克组成的复合粒子，可以更具体地说，中子中的下夸克变成上夸克，中子变成了质子。

[3]这种表述并不严谨。守恒的是角动量(angular momentum)，自旋只是有着固定的角动量(内禀角动量)。

[4]宇宙射线是来自太空的高速原子核，大部分是质子。其中低能的射线来自太阳，高能的射线可能来自超新星。超高能宇宙射线粒子的能量比目前在地球上人工产生的粒子最高能量高出数百万倍，其起源是尚未解决的巨大天文学难题之一。

[5]在量子理论中，基本力是通过交换携带力的粒子(媒介子)实现的。因此，弱力是指携带力的粒子很少交换的力，而强力是指频繁交换媒介子的力。参与弱相互作用的中微子与其他粒子极少交换媒介子，这就是为什么中微子与其他物质相互作用如此微弱的原因。

[6]光年是指光在一年内在真空中传播的距离，1光年大约等于10万亿千米。