最近德國卡爾斯魯厄理工學院的KATRIN實驗搞了個大新聞，他們把中微子的質量上限測到了0.45 eV/c2。

這個數字什么概念？比電子輕110萬倍。

你可能會問，這有什么意義？

意義大了去了。

這事得從90年前說起

1930年，奧地利物理學家泡利發現了一個問題：放射性衰變過程中，能量守恒定律好像不成立了。

按道理說，能量是守恒的，進去多少出來多少，這是物理學的鐵律。

但是β衰變偏偏不對勁，產物的總能量老是比初始能量少一塊。

當時連大物理學家玻爾都開始懷疑，是不是能量守恒定律要被推翻了。

泡利說，等等，會不會有個我們看不見的粒子把能量帶走了？

他給這個假想的粒子起名叫"中微子"，意思是"小小的中性粒子"。

這個腦洞夠大的。

美國人證實了泡利的預言

1956年，美國科學家在核反應堆旁邊搭了個巨大的探測器，真的抓到了中微子。

泡利的預言成真了。

但這只是開始。

太陽中微子失蹤案

到了1960年代，美國人開始研究太陽產生的中微子。

按照核聚變理論，太陽每秒鐘應該產生海量的電子中微子。

結果實驗一做，傻眼了。

理論預測能探測到100個中微子，實際只探測到33個。

剩下67個哪去了？

這個謎題困擾了物理學家幾十年。

有人說是理論有問題，有人說是實驗有問題，還有人說是對太陽的理解有偏差。

爭論了幾十年，直到我們搞明白了中微子會"變臉"。

中微子的變臉術

原來中微子有三兄弟：電子中微子、μ中微子、τ中微子。

它們在飛行過程中會互相變換身份，這叫"中微子振蕩"。

太陽產生的電子中微子飛到地球的路上，有些變成了μ中微子和τ中微子。

早期的探測器只能抓電子中微子，當然探測不全。

這就像你寄出100封信，結果有67封在路上變成了包裹，郵局當然說只收到33封信。

謎題解開了。

德國人的精密儀器

現在德國人搞的KATRIN實驗，用的是史上最精密的"電子秤"。

這個裝置有多精密？

它的主體是一個重達200噸的光譜儀，長度70米，直徑10米。

為了避免地球磁場干擾，整個裝置被安裝在一個巨大的屏蔽罩里。

為了避免震動，地基打得比摩天大樓還深。

為了避免溫度波動，整個系統恒溫控制，精度達到毫開爾文級別。

這就是德國人的工匠精神。

測量原理其實很簡單

KATRIN的原理說起來很簡單：

讓氚原子發生β衰變，產生氦-3原子核、電子和中微子。

精確測量氦-3和電子的質量、動能。

算出"缺失的能量"，這就是中微子帶走的。

但要測準這個"缺失的能量"，難度相當于在一噸重的卡車上稱一根羽毛的重量。

德國人愣是做到了。

這個結果意味著什么？

第一，中微子不是暗物質的主要成分。

之前有理論認為，宇宙中的暗物質可能就是中微子。

但KATRIN的結果顯示，即使把三種中微子的質量加起來，也最多只能占暗物質的10%。

暗物質的真面目依然是個謎。

第二，我們距離測出中微子的確切質量越來越近了。

如果能把質量上限進一步壓縮到0.06 eV/c2，我們就很可能直接測出中微子的真實質量。

第三，這挑戰了我們對基本粒子的認知。

在標準模型里，電子是最輕的有質量粒子，頂夸克是最重的，相差34萬倍。

現在中微子可能比電子還要輕110萬倍以上。

這種巨大的質量層次差異，標準模型解釋不了。

科學的魅力就在這里

每當我們以為快要搞清楚這個宇宙了，總有新的發現提醒我們：

我們知道的，還太少。

中微子就是這樣一個例子。

它們無處不在，每秒鐘有數千億個中微子穿過你的身體，但你毫無感覺。

它們見證了宇宙的誕生，承載著早期宇宙的信息。

它們可能是打開新物理學大門的鑰匙。

而我們，才剛剛開始了解它們。

中國在干什么？

說到這里，不得不提一下中國的布局。

中國的大亞灣中微子實驗，2012年發現了中微子振蕩的第三種模式，轟動了整個物理學界。

現在正在建設的江門中微子實驗，預計2025年投入運行，目標是精確測量中微子質量層次。

還有在四川錦屏山地下2400米深處的中國錦屏地下實驗室，專門用來探測暗物質和中微子。

中國在基礎科學研究上的投入，正在結出果實。

這些看起來"沒用"的基礎研究，往往會在未來的某一天，徹底改變人類的認知和生活方式。

就像當年法拉第發現電磁感應時，有人問他這有什么用，他回答說："剛出生的嬰兒有什么用？"

后來的故事你們都知道了。

今天的中微子研究，也許就是明天科技革命的起點。

德國人的這個實驗，給了我們一個提醒：

在基礎科學研究這條路上，容不得半點馬虎。

要么不做，要做就做到極致。

這就是科學精神。