manbet手机版约翰·n·巴科尔著manbet手机版＊

manbet手机版什么使太阳发光?manbet手机版太阳是如何产生维持地球上生命所需的大量能量的?manbet手机版从19世纪中期开始，这些问题一直困扰着科学家们长达150年。manbet手机版理论物理学家与地质学家和进化生物学家就谁的正确答案展开了激烈的争论。

manbet手机版为什么人们对这个科学难题如此大惊小怪?manbet手机版19世纪的天文学家约翰·赫歇尔(John Herschel)在他1833年的著作中雄辩地描述了阳光在人类生活中所起的基本作用manbet手机版在天文学论文:

manbet手机版太阳光线几乎是地球表面发生的所有运动的最终来源。manbet手机版所有的风都是由它的热量产生的……通过它们的活力作用，蔬菜从无机物中提炼出来，反过来又成为动物和人类的支柱，也是那些为人类使用而储存在煤岩层中的大量动力能量的来源。

manbet手机版在这篇文章中，我们将从历史的角度回顾我们对太阳(离我们最近的恒星)如何发光的认识的发展，从下一节开始，从19世纪关于太阳年龄的争论开始。manbet手机版在后面的章节中，我们将看到基础物理学中看似无关的发现如何导致恒星中产生核能的理论，从而解决了关于太阳年龄的争议，并解释了太阳辐射的起源。manbet手机版在总结之前的一节中，我们将讨论为测试恒星中核能产生理论而设计的实验如何揭示了一个新的谜团——中微子失踪之谜。

manbet手机版太阳的年龄

manbet手机版太阳有多大了?manbet手机版太阳是怎么发光的?manbet手机版我们将看到，这些问题是同一枚硬币的两面。

manbet手机版太阳辐射能量的速率很容易计算，通过测量能量到达地球表面的速率和地球与太阳之间的距离。manbet手机版在它的生命周期中，太阳辐射出去的总能量大约等于当前释放能量的速率(称为太阳光度)乘以太阳的年龄。

manbet手机版太阳的年龄越大，太阳辐射的总能量就越大。manbet手机版辐射能量越大，或太阳的年龄越大，就越难以解释太阳能的来源。

manbet手机版为了更好地理解找到一个解释是多么困难，让我们考虑一个太阳辐射能量的巨大速率的具体例子。manbet手机版假设我们在夏天把一立方厘米的冰放在外面，这样所有的阳光都被冰吸收。manbet手机版即使在地球和太阳之间的距离很远的地方，阳光也会在大约40分钟内融化冰块。manbet手机版由于这种情况会发生在地球与太阳之间的任何地方，一个以太阳为中心、直径3亿公里(2亿英里)的巨大球形冰壳将同时融化。manbet手机版或者，将同样数量的冰缩小到太阳表面，我们可以计算出一块面积是地球表面1万倍、大约半公里(0.3英里)厚的区域也会在40分钟内被太阳倾泻出来的能量融化。

manbet手机版在这一节中，我们将讨论19世纪的科学家如何试图以太阳年龄为线索来确定太阳能的来源。

manbet手机版对太阳年龄的相互矛盾的估计

manbet手机版19世纪的物理学家认为太阳辐射的能量来源是万有引力。manbet手机版1854年，德国生理学教授赫尔曼·冯·赫姆霍兹(Hermann von Helmholtz)在一次颇具影响力的演讲中提出，太阳巨大辐射能量的来源是一个大质量物体的引力收缩。赫姆霍兹后来成为杰出的研究员和物理学教授。manbet手机版稍早一点，在19世纪40年代，J.R.梅尔(另一位德国医生)和J.J.沃特森也提出，太阳辐射的起源是引力能转化为热。^{manbet手机版1}

manbet手机版生物学家和地质学家考虑太阳辐射的影响，而物理学家则专注于辐射能量的来源。manbet手机版1859年，查尔斯·达尔文在第一版的manbet手机版论自然选择的物种起源manbet手机版他粗略地计算了地球的年龄，估算了以目前观察到的速度发生的侵蚀需要多长时间才能冲垮威尔德河谷，威尔德河谷是横跨英格兰南部的南北唐斯之间的一个大山谷。manbet手机版他得到的“威尔德的剥蚀”的数字在3亿年的范围内，显然这段时间足够自然选择产生地球上惊人的物种范围。

manbet手机版正如赫歇尔所强调的，太阳的热量是生命和地球上大部分地质演化的原因。manbet手机版因此，达尔文对地球地质活动最小年龄的估计意味着对太阳辐射能量的最小估计。

manbet手机版威廉·汤普森，也就是后来的开尔文勋爵，坚决反对达尔文的自然选择学说，是格拉斯哥大学的教授，也是十九世纪最伟大的物理学家之一。manbet手机版除了他对应用科学和工程的许多贡献外，汤普森还阐明了热力学第二定律，建立了绝对温标，后来以他的名字命名为开尔文温标。manbet手机版热力学第二定律指出，热量自然地从较热的物体流向较冷的物体，而不是相反。manbet手机版因此，汤普森意识到，除非有外部能源，否则太阳和地球一定会越来越冷，最终地球会变得太冷而无法维持生命。

manbet手机版开尔文和赫姆霍尔兹一样，都相信太阳的亮度是由引力能转化为热能而产生的。manbet手机版在这个想法的早期(1854年)版本中，开尔文提出，太阳的热量可能是由落在太阳表面的流星持续产生的。manbet手机版天文证据迫使开尔文修改了他的假设，然后他提出，太阳可用的能量的主要来源是形成太阳的原始流星的引力能。

manbet手机版因此，开尔文勋爵在1862年以极大的权威和雄辩宣布:

manbet手机版当考虑到下列原因时，某种形式的气象学理论无疑是对太阳热的真实和完整的解释，这一点几乎是毋庸置疑的:(1)除了化学作用外，无法想到其他的自然解释。manbet手机版(2)化学理论是很不充分的，因为我们所知道的最剧烈的化学作用，发生在相当于整个太阳质量的物质之间，也只能产生大约三千年的热量。manbet手机版(3)用气象理论解释2000万年的热量是没有困难的。

manbet手机版开尔文继续直接攻击达尔文的估计，反问:

manbet手机版那么，我们该如何看待(达尔文的)3亿年“威尔德的剥蚀”这样的地质估计呢?

manbet手机版开尔文相信达尔文对地球年龄的估计是错误的，他也相信达尔文对自然选择发生作用的时间的估计是错误的。

manbet手机版开尔文勋爵估计了太阳的寿命，也暗示了地球的寿命，如下所示。manbet手机版他计算了一个质量等于太阳质量、半径等于太阳半径的物体的引力能，并将结果除以太阳辐射能量的速率。manbet手机版这一计算得出的生命周期只有3000万年。manbet手机版由于化学过程释放的能量很少，因此对化学能可持续使用寿命的相应估计要小得多。

manbet手机版谁是正确的?

manbet手机版正如我们刚才看到的，在19世纪，你可以得到非常不同的太阳年龄的估计，这取决于你问谁。manbet手机版著名的理论物理学家认为，根据当时已知的能量来源，太阳的年龄顶多不过几千万岁。manbet手机版许多地质学家和生物学家得出结论，太阳至少照耀了几亿年，以便解释地质变化和生物进化，这两者都严重依赖于来自太阳的能量。manbet手机版因此，太阳的年龄和太阳能的来源不仅是物理学和天文学的重要问题，也是地质学和生物学的重要问题。

manbet手机版达尔文被开尔文分析的力量和他理论专业知识的权威所震撼manbet手机版关于物种的起源manbet手机版他没有提到任何具体的时间尺度。manbet手机版1869年，他写信给自然选择的共同发现者阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士，抱怨开尔文勋爵:

manbet手机版一段时间以来，汤普森关于近代化世界的观点一直是我最头疼的问题之一。

manbet手机版今天我们知道开尔文勋爵是错的，地质学家和进化生物学家是对的。manbet手机版陨石的放射性年代测定显示太阳有46亿年的历史。

manbet手机版开尔文的分析有什么问题?manbet手机版打个比方或许会有所帮助。manbet手机版假设一个朋友观察到你在使用电脑，并试图弄清楚这台电脑已经运行了多长时间。manbet手机版一个合理的估计可能是不超过几个小时，因为这是电池能够提供所需电量的最长时间。manbet手机版这个分析的缺陷是假设你的电脑必须由电池供电。manbet手机版如果你的电脑是通过墙上的电源插座操作的，那么几个小时的估计可能是错误的。manbet手机版电池为你的电脑提供能量的假设类似于开尔文勋爵(Lord Kelvin)的引力能为太阳提供动力的假设。

manbet手机版由于19世纪的理论物理学家不知道将核质量转化为能量的可能性，他们计算出的太阳的最大年龄太短了。manbet手机版尽管如此，开尔文和他的同事们坚持这样一个原则，即所有研究领域的有效推论都必须符合物理的基本定律，从而对天文学、地质学和生物学做出了持久的贡献。

manbet手机版现在我们将讨论在理解核质量如何被用作恒星燃料方面的一些里程碑式的进展。

manbet手机版让我们来看看解决方案

manbet手机版理论物理学家与经验地质学家和生物学家之间的斗争的转折点发生在1896年。manbet手机版在一个研究x射线的实验过程中发现了前一年manbet手机版威廉伦琴manbet手机版，manbet手机版贝克勒尔manbet手机版在书桌抽屉里放了一些涂有铀的底片，旁边是用深色纸包着的照相底片。manbet手机版因为巴黎有几天阴天，贝克勒尔没能像他原计划的那样把他的照相底片暴露在阳光下，给它们“充电”。manbet手机版在冲洗照相底片时，他惊奇地发现他的铀晶体的清晰图像。manbet手机版他发现了由于铀的核转变而产生的天然放射性。

manbet手机版贝克勒尔的发现的意义在1903年变得明显起来manbet手机版皮埃尔·居里manbet手机版和他年轻的助手阿尔伯特·拉博德宣布镭盐不断释放热量。manbet手机版这个新发现最非凡的地方在于镭辐射热量，而不会冷却到周围环境的温度。manbet手机版镭的辐射揭示了一种以前未知的能量来源。manbet手机版威廉·威尔逊和乔治·达尔文几乎立即提出，放射性可能是太阳辐射能量的来源。

manbet手机版年轻的实验物理学王子，manbet手机版欧内斯特·卢瑟福manbet手机版当时他还是蒙特利尔麦吉尔大学的物理学教授，他发现了放射性物质的阿尔法粒子辐射释放出的巨大能量。manbet手机版1904年，他宣布:

manbet手机版放射性元素在它们的分解过程中释放出大量的能量，因此，放射性元素的发现增加了这个星球上生命持续时间的可能极限，并使地质学家和生物学家所要求的时间得以用于进化过程。

manbet手机版放射性的发现打开了核能可能是太阳辐射起源的可能性。manbet手机版这一发展使理论学家在计算时不再依赖引力能。manbet手机版然而，随后的天文观测表明，太阳并不含有大量的放射性物质，而主要是气态的氢。manbet手机版此外，放射性传递能量的速率并不取决于恒星的温度，而对恒星的观察表明，恒星辐射的能量量确实敏感地取决于恒星内部的温度。manbet手机版在恒星内部释放核能需要的不是放射性。

manbet手机版在接下来的章节中，我们将追溯导致我们现在所相信的对恒星如何发光的正确理解的步骤。

manbet手机版建立的方向

manbet手机版下一个根本性的进步又一次来自一个意想不到的方向。manbet手机版在1905年,manbet手机版阿尔伯特·爱因斯坦manbet手机版推导了他著名的质量和能量之间的关系，manbet手机版E = mc^{manbet手机版2}manbet手机版这是狭义相对论的结果。manbet手机版爱因斯坦的方程表明，理论上，微小的质量可以转化为巨大的能量。manbet手机版他的关系推广和扩展了19世纪冯·亥姆霍兹和梅耶的能量守恒定律，将质量转化为能量也包括在内。

manbet手机版爱因斯坦的方程和太阳的能量来源之间有什么联系?manbet手机版答案并不明显。manbet手机版天文学家通过定义恒星观测对恒星能量产生的可能解释所施加的限制来完成他们的工作。manbet手机版1919年，美国著名理论天文学家亨利·诺里斯·罗素(Henry Norris Russell)以简明的形式总结了关于恒星能量来源性质的天文学提示。manbet手机版拉塞尔强调，最重要的线索是恒星内部的高温。

manbet手机版阿斯顿manbet手机版1920年发现四个氢原子核比一个氦原子核重。

manbet手机版F.W.阿斯顿在1920年发现了这个谜题的关键实验元素。manbet手机版他精确测量了许多不同原子的质量，其中包括氢和氦。manbet手机版阿斯顿发现四个氢原子核比一个氦原子核重。manbet手机版这并不是他所做实验的主要目的，这些实验的动机很大程度上是为了寻找氖的同位素。

manbet手机版英伦杰出的天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士立刻意识到了阿斯顿测量结果的重要性。manbet手机版爱丁顿在1920年向英国科学促进会发表的主席演讲中认为，阿斯顿测量了氢和氦之间的质量差，这意味着太阳可以通过将氢原子转化为氦来发光。manbet手机版氢燃烧成氦的过程(根据爱因斯坦的质量和能量关系)会释放出相当于能量质量的0.7%。manbet手机版原则上，这可以让太阳照耀大约1000亿年。

manbet手机版爱丁顿有一个惊人的先见之明，他接着评论了恒星能量产生和人类未来之间的联系:

manbet手机版如果真的可以自由地利用恒星中的亚原子能量来维持它们的巨大熔炉，那似乎就使我们的梦想更接近于实现，那就是为了人类的福祉而控制这种潜在的能量——或者是为了它的自杀。

manbet手机版理解这个过程

manbet手机版理解恒星如何从核燃烧中产生能量的下一个重要步骤是将量子力学应用于解释核放射性。manbet手机版这个应用程序是在没有任何参考发生在恒星。manbet手机版根据经典物理学，两个带有相同电荷符号的粒子会相互排斥，就像它们被相互识别的“口臭”所排斥一样。manbet手机版通常，两个带正电的粒子靠得很近的概率为零。manbet手机版但是，有些在经典物理中不可能发生的事情可以在现实世界中发生，量子力学在微观尺度上描述了这一点。

manbet手机版1928年，伟大的俄裔美国理论物理学家乔治·加莫夫(George Gamow)推导出一个量子力学公式，给出了两个带电粒子克服相互静电斥力并非常接近的非零概率。manbet手机版这个量子力学概率现在被普遍称为“伽莫夫因子”。manbet手机版它被广泛用于解释某些放射性衰变的测量速率。

manbet手机版在伽莫夫的这项具有时代意义的工作之后的十年里，阿特金森和胡特曼斯，以及后来的伽莫夫和特勒，都利用伽莫夫因子推导出了人们认为存在于恒星内部的高温下核反应发生的速率。manbet手机版根据爱因斯坦的过剩质量和能量释放之间的关系，为了估计两个具有相同电荷符号的核多久会靠得足够近而发生聚变，从而产生能量，需要伽莫夫因子。

manbet手机版1938年，C.F.冯Weizsäcker差一点就解决了一些恒星如何发光的问题。manbet手机版他发现了一个核循环，现在被称为碳-氮-氧(CNO)循环，在这个循环中，氢核可以用碳作为催化剂燃烧。manbet手机版然而，冯Weizsäcker并没有调查CNO循环在恒星中产生能量的速率，也没有研究对恒星温度的关键依赖。

manbet手机版CNO循环

manbet手机版到了1938年4月，科学的舞台似乎已经被人为地设置好了manbet手机版汉斯是manbet手机版他是公认的核物理大师。manbet手机版贝特教授刚刚完成了一套经典的三篇论文，在这三篇论文中，他回顾和分析了当时已知的所有关于核物理的知识。manbet手机版这些作品在他的同事中被称为“贝特的圣经”。manbet手机版伽莫夫在华盛顿召集了一个物理学家和天体物理学家的小型会议，讨论有关恒星内部结构的知识现状和尚未解决的问题。

manbet手机版在接下来的六个月左右的时间里，贝特研究出了氢在恒星内部燃烧(融合)成氦的基本核过程。manbet手机版氢是太阳和类似恒星中最丰富的成分，也是宇宙中最丰富的元素。

manbet手机版贝特在一篇名为《恒星中的能量产生》的论文中描述了他的计算结果，读起来非常棒。manbet手机版他权威地分析了燃烧原子核的反应的不同可能性，并选出了我们现在认为对阳光负责的两个最重要的过程。manbet手机版一个过程，所谓manbet手机版p pmanbet手机版它从氢中生成氦，是像太阳这样的恒星和质量较小的恒星的主要能量来源。

manbet手机版p-p链式反应

manbet手机版在太阳的理论模型中，这里所示的p-p核反应链是产生能量的主要来源。manbet手机版每个反应都在盒子的左上角用数字标记。manbet手机版在反应1中，有两个氢原子核(manbet手机版1manbet手机版H，质子)聚变产生重氢原子核(manbet手机版2manbet手机版H,氘核)。manbet手机版这是在太阳下开始核燃烧的通常方式。manbet手机版在极少数情况下，这个过程是由反应2开始的。manbet手机版反应1和2中产生的氘核与质子融合产生轻元素氦(manbet手机版3.manbet手机版他)。manbet手机版在这一点上，p-p链断裂为三个分支，它们的相对频率如图所示。manbet手机版这条链的最终结果是四个质子聚变成一个普通氦核(manbet手机版4manbet手机版根据爱因斯坦的方程，能量被释放到恒星上。manbet手机版在这些聚变过程中，被称为“中微子”(ν)的粒子被释放出来。manbet手机版它们的能量在图中以百万电子伏(MeV)为单位表示。manbet手机版Hans Bethe没有讨论反应2和4。 manbet手机版该数字改编自j·n·巴科尔，manbet手机版来自太阳的中微子manbet手机版《科学美国人》，第221卷第1期，1969年7月，28-37页。

manbet手机版CNO循环是von Weizsäcker也考虑过的第二个过程，它在质量比太阳大的恒星中最为重要。manbet手机版贝特用他的结果估计了太阳中心的温度，得到的值与我们目前认为的正确值(1600万开尔文)相差不到20%。^{manbet手机版．manbet手机版2}manbet手机版此外，他还表明，他的计算得出了恒星质量和恒星光度之间的关系，这与现有的天文观测结果完全一致。

manbet手机版在第二次世界大战结束后的头20年里，贝特的恒星核燃烧理论增加了许多重要细节。manbet手机版杰出的物理学家和天体物理学家，特别是A.G.W.卡梅隆，manbet手机版西澳福勒manbet手机版霍伊尔(F. Hoyle)、萨尔彼得(E.E. Salpeter)、史瓦西(M. Schwarzschild)和他们的实验同事们急切地回到了像太阳这样的恒星如何产生能量的问题上。manbet手机版从贝特的工作中，我们从原则上知道了答案:太阳通过燃烧氢来产生它所辐射的能量。manbet手机版根据这一理论，太阳内部是一种巨大规模的可控热核炸弹。^{manbet手机版3.}manbet手机版该理论成功计算了观测到的与太阳相似的恒星的光度，并为我们目前对恒星如何发光和随时间演变的理解提供了基础。manbet手机版核聚变为恒星提供能量的观点是现代天文学的基石之一，科学家经常用它来解释对恒星和星系的观测。

manbet手机版W.A.福勒，大家都叫他威利，他在加州理工学院凯洛格实验室领导了一组同事，激励了全世界的物理学家们去测量或计算p-p链和CNO循环中最重要的细节。manbet手机版有很多工作要做，实验和计算都很困难。manbet手机版但是，这项工作完成了，因为了解太阳能发电的细节非常有趣。manbet手机版福勒和他的同事m·伯比奇、g·r·伯比奇、f·霍伊尔和a·g·w·卡梅伦的大部分努力很快转移到生命所必需的重元素是如何在恒星中产生的问题上。

manbet手机版测试核燃烧的假设

manbet手机版科学的进步是理论与实验、推测与测量之间冲突的结果。manbet手机版爱丁顿在第一次讨论恒星中氢核燃烧的同一次演讲中说:

manbet手机版我想，应用数学家的理论刚刚通过了一项更为严格的观察检验，他不应该感到满意，而应该感到失望——“又失败了!manbet手机版这一次我manbet手机版有manbet手机版希望能找到一个不一致的地方，让我的模型有改进的地方。”

manbet手机版太阳之所以发光是因为在其内部很深的地方氢被燃烧成氦，有没有办法检验这一理论?manbet手机版乍一看，似乎不可能对核燃烧假说进行直接检验。manbet手机版光从太阳中心泄漏到太阳表面需要大约1000万年的时间，当它最终出现在最外层区域时，光主要告诉我们这些外层区域的情况。manbet手机版然而，有一种方法可以用中微子“看到”太阳内部，这种奇特的粒子是在试图理解一个不同的奥秘时发现的。^{manbet手机版4}

manbet手机版发现、确认和惊喜

manbet手机版中微子是一种亚原子粒子，它与物质的相互作用很弱，其传播速度基本上相当于光速。manbet手机版当氢核燃烧成氦核时，恒星中就会产生中微子;manbet手机版地球上的粒子加速器、核反应堆和天然放射性也会产生中微子。manbet手机版基于汉斯·贝特和他的同事们的工作，我们相信像太阳这样的恒星产生能量的过程可以用这一关系来象征，

manbet手机版(1）

manbet手机版其中四个氢原子核(^{manbet手机版1}manbet手机版H，质子)被烧成一个氦核(^{manbet手机版4}manbet手机版He， α粒子)加上两个正电子(manbet手机版e^{manbet手机版+}manbet手机版)和两个中微子(ν)加上能量。manbet手机版这一过程向恒星释放能量，因为正如阿斯顿所示，四个氢原子比一个氦原子重。manbet手机版提供太阳辐射能量的同一组核反应也产生了可以在实验室中寻找的中微子。

manbet手机版这张图是太阳的横截面。manbet手机版天文学家通常用普通的探测光的望远镜研究的特征被标记在外部，例如，太阳黑子和日珥。manbet手机版中微子使我们能够观察到太阳内部的深处，到发生核燃烧的太阳核心。

manbet手机版由于中微子的相互作用很小，所以很难被探测到。manbet手机版有多困难吗?manbet手机版穿过整个地球的太阳中微子被地球上的物质阻挡的几率不到千万亿分之一。manbet手机版根据标准理论，每秒大约有一千亿个太阳中微子穿过你的指甲，而你却没有注意到它们。manbet手机版中微子可以不受影响地穿过铁，就像光可以在一百年内穿过真空空间一样。

manbet手机版在1964年,manbet手机版雷蒙。戴维斯manbet手机版我提出，用10万加仑的清洗液(全氯乙烯，主要由氯组成)进行实验，可以对核聚变反应是太阳辐射的最终来源这一观点进行关键的检验。manbet手机版我们认为，如果我们对太阳内部核过程的理解是正确的，那么太阳中微子将以戴维斯可以用一个装满清洗液的大罐子测量的速率被捕获。manbet手机版当中微子与氯相互作用时，它们偶尔会产生一种氩的放射性同位素。manbet手机版戴维斯之前已经证明，他可以从大量的全氯乙烯中提取出微量的中微子产生的氩。manbet手机版要做太阳中微子实验，他必须非常聪明，因为仅根据我的计算，一个巨大的奥运会规模的清洁液每周会产生几个原子。

manbet手机版我们推动这个实验的唯一动机是利用中微子:

manbet手机版使我们能够看到恒星的内部，从而直接验证恒星产生核能的假设。

manbet手机版正如我们将看到的，戴维斯和我没有预料到这项提议中一些最有趣的方面。

manbet手机版戴维斯进行了这个实验，并于1968年公布了第一个结果。manbet手机版他测量到的中微子比我预测的要少。manbet手机版随着实验和理论的改进，分歧显得更加明显。manbet手机版科学家们很高兴太阳中微子被探测到，但担心为什么中微子比预测的要少。

manbet手机版是什么错了吗?manbet手机版我们对太阳如何发光的理解是错误的吗?manbet手机版我在计算太阳中微子在戴维斯的容器中被捕获的速度时犯了错误吗?manbet手机版这个实验错了吗?manbet手机版或者，中微子在太阳中产生后发生了什么吗?

manbet手机版在接下来的二十年里，成百上千的物理学家、化学家和天文学家研究了许多不同的可能性^{manbet手机版5}manbet手机版．manbet手机版实验和理论计算似乎都是正确的。

manbet手机版实验又一次拯救了纯粹的思想。manbet手机版1986年，日本物理学家领导manbet手机版正敏Koshibamanbet手机版Totsuka Yoji和他们的美国同事Eugene Beier和Alfred Mann，重新安装了一个巨大的水箱，用来测量物质的稳定性。manbet手机版实验人员提高了探测器的灵敏度，这样它也可以作为一个大型的地下太阳中微子观测站。manbet手机版他们的目标是探索氯实验中预测速率和测量速率在数量上不一致的原因。

manbet手机版在日本阿尔卑斯山进行的新实验(名为Kamiokande)也探测到了太阳中微子。manbet手机版此外，神冈实验证实了中微子速率比标准物理学和标准太阳模型所预测的要低，并证明了探测到的中微子来自太阳。manbet手机版随后，在俄罗斯(被称为SAGE，由V. Gavrin领导)，在意大利(GALLEX和后来的GNO分别由T. Kirsten和E. Belotti领导)，以及在日本(超级神冈，由Y. Totsuka和Y. Suzuki领导)的实验，每个实验都有不同的特征，都观测到了来自太阳内部的中微子。manbet手机版在每个探测器中，观测到的中微子数量都略低于标准理论的预测。

manbet手机版所有这些实验结果意味着什么?

manbet手机版太阳中心产生的中微子已经在五个实验中被探测到。manbet手机版他们的探测直接表明，太阳辐射的能量来源是太阳内部氢核的聚变。manbet手机版19世纪理论物理学家、地质学家和生物学家之间的争论已经在经验上得到了解决。

manbet手机版从天体物理学的角度来看，中微子观测结果与理论之间的一致性是好的。manbet手机版观测到的太阳中微子能量与理论预测的值相符。manbet手机版中微子被探测到的速率比预测的要低，但不是一个大的因素。manbet手机版预测的中微子到达地球的速度大约取决于太阳中心温度的25次方，manbet手机版Tmanbet手机版xmanbet手机版Tmanbet手机版x……manbet手机版Tmanbet手机版(温度的25个因子manbet手机版Tmanbet手机版)．manbet手机版已经达成的一致性(一致性在三倍以内)表明，我们已经用经验测量了太阳中心的温度，其精确度只有百分之几。manbet手机版顺便说一句，如果有人在1964年告诉我，从太阳观测到的中微子数量是预测值的三倍以内，我一定会既惊讶又高兴。

manbet手机版事实上，正常的天文观测(使用光而不是中微子)与太阳特征的理论计算之间的一致性要精确得多。manbet手机版利用相当于太阳的地球地震学(即太阳振动观测)对太阳内部结构的研究表明，标准太阳模型对太阳中心区域温度的预测与观测结果的准确性至少为0.1%。manbet手机版在这个标准模型中，当前太阳的年龄是50亿年，这与19世纪地质学家和生物学家对太阳年龄的最小估计(几亿年)是一致的。

manbet手机版既然太阳的理论模型准确地描述了天文观测结果，那么如何解释测量到的和预测的太阳中微子率之间相差2到3倍的差异呢?

manbet手机版新物理学

manbet手机版物理学家和天文学家再一次被迫重新审视他们的理论。manbet手机版这一次，差异不是在对太阳年龄的不同估计之间，而是在基于广泛接受的理论的预测和直接测量太阳内部核燃烧产生的粒子之间。manbet手机版这种情况有时被称为“中微子失踪之谜”，或者用听起来更科学的语言，称为“太阳中微子问题”。

manbet手机版早在1969年，两位在俄罗斯工作的科学家Bruno Pontecorvo和Vladimir Gribov提出，标准理论和第一个太阳中微子实验之间的差异可能是由于粒子物理学教科书描述的不足，而不是标准太阳模型的不足。manbet手机版(顺便说一句，Pontecorvo是第一个提出用氯探测器来研究中微子的人。)manbet手机版格里波夫和庞特科沃认为中微子患有多重人格障碍，它们在不同的状态或类型之间来回振荡。

manbet手机版根据Gribov和Pontecorvo的建议，在太阳中产生的中微子是一种个体状态的混合，这是一种分裂的人格。manbet手机版每个状态都有不同的小质量，而不是标准粒子理论所赋予它们的零质量。manbet手机版当中微子从太阳传播到地球时，它们会在较容易探测到的中微子状态和较难探测到的中微子状态之间振荡。manbet手机版氯实验只检测到较容易观测的中微子状态。manbet手机版如果许多中微子以难以观测的状态到达地球，那么它们就不会被计算在内。manbet手机版这就好像一些或许多中微子已经消失了，这可以解释中微子消失的明显神秘之处。

manbet手机版基于这一观点，林肯·沃尔芬斯坦(1978)和斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫(1985)以及阿列克谢·斯米尔诺夫(Alexei Smirnov)分别在1978年和1985年表明，如果大自然选择在特定范围内赋予中微子质量，物质对穿过太阳的中微子的影响可能会增加中微子振荡的概率。

manbet手机版中微子也是由宇宙射线粒子与地球大气中的其他粒子碰撞产生的。manbet手机版1998年，超级神冈实验团队宣布，他们已经观察到大气中微子之间的振荡。manbet手机版这一发现为太阳中微子在不同状态间振荡的理论建议提供了间接的支持。manbet手机版许多在太阳中微子领域工作的科学家认为，回顾过去，我们从1968年就有了太阳中微子振荡的证据。

manbet手机版但是，我们还不知道是什么导致了太阳中微子的多重人格障碍。manbet手机版这个问题的答案可能会为目前亚原子粒子的标准模型之外的物理学提供线索。manbet手机版是否像格里波夫和庞特科沃最初提出的那样，中微子从太阳到地球的过程中发生了身份的变化?manbet手机版还是物质导致太阳中微子“翻转”?manbet手机版加拿大、意大利(三个实验)、日本(两个实验)、俄罗斯和美国正在进行实验，试图通过测定太阳中微子的重量以及它们如何从一种类型转变为另一种类型，来确定太阳中微子振荡的原因。manbet手机版非零中微子质量可能为一个尚未发现的物理理论领域提供线索。

manbet手机版大自然是一个奇妙的奥秘

manbet手机版大自然写了一个奇妙的谜团。manbet手机版剧情不断变化，最重要的线索来自看似无关的调查。manbet手机版科学领域的这些突然而剧烈的变化似乎是大自然揭示所有基础科学统一的方式。

manbet手机版这个谜团始于19世纪中期的一个谜题:太阳是如何发光的?manbet手机版剧情几乎立刻转到自然选择发生的速度有多快以及地质构造形成的速度有多快的问题上。manbet手机版19世纪最好的理论物理学给出了所有这些问题的错误答案。manbet手机版正确答案的第一个线索出现在19世纪末，起因是偶然使照相底片变暗的放射性物质的发现。

manbet手机版1905年狭义相对论的发现，1920年氢和氦的核质量的测量，以及1928年带电粒子如何相互接近的量子力学解释，都揭示了寻找详细解的正确方向。manbet手机版这些重要的调查与恒星研究没有直接关系。

manbet手机版到了20世纪中期，核物理学家和天体物理学家能够从理论上计算出像太阳这样的恒星内部的核燃烧速率。manbet手机版但是，就在我们认为我们已经解决了自然界的问题时，实验表明，在地球上观测到的太阳中微子比关于恒星如何发光和亚原子粒子如何行为的标准理论所预测的要少。

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manbet手机版参考书目

manbet手机版l. F.W.阿斯顿，《化学元素的质谱》manbet手机版哲学杂志和科学杂志manbet手机版，manbet手机版39manbet手机版, 611 - 625(1920)。manbet手机版在测量原子质量的系统程序过程中，Aston发现四个氢原子核(质子)比一个氦原子核(α粒子)和两个正电子重(见公式(1))。manbet手机版这一基本发现是我们理解像太阳一样的恒星如何发光的实验基础。manbet手机版原始论文很少被引用，也许是因为文本主要致力于描述阿斯顿的新仪器和讨论他测量的许多不同的质量。manbet手机版氢和氦的质量差只作简要讨论。

manbet手机版2.manbet手机版R.D.E. Atkinson和F.G. Houtermans，“Zur Frage der Aufbaumöglichkeit der Elements in Sternen，”Z。manbet手机版物理学manbet手机版54manbet手机版656(1929)。manbet手机版用伽莫夫因子计算恒星核反应速率的早期尝试。

manbet手机版3.manbet手机版J.N.巴科尔，“太阳中微子I.理论”，manbet手机版理论物理。manbet手机版启。manbet手机版12manbet手机版300(1964)。

manbet手机版4.manbet手机版h·a·贝特，《恒星中的能量生产》manbet手机版理论物理。manbet手机版牧师。manbet手机版55manbet手机版436(1939)。manbet手机版如果你是一名物理学家，只有时间阅读该学科的一篇论文，那么就应该阅读这篇论文。

manbet手机版5.manbet手机版J.D. Burchfield,manbet手机版开尔文勋爵和地球的年龄manbet手机版，(芝加哥:芝加哥大学出版社)，1990。manbet手机版这本简明的书提供了一个清晰和深刻的说明开尔文的观点，地球的年龄和太阳的年龄，以及许多其他话题，包括自然选择和地质演化。manbet手机版作者以历史的准确性讲述了一个激动人心的故事。

manbet手机版6.manbet手机版小C.L.考恩、F.雷恩斯、F. b .哈里森、H.W.克鲁斯和d . d .麦圭尔，《自由中微子的探测:一个确认》，manbet手机版科学manbet手机版124manbet手机版103 (1956);manbet手机版雷恩斯和柯文，“自由中微子的探测”，物理。manbet手机版牧师。manbet手机版92manbet手机版830(1953)。manbet手机版这些论文描述了中微子的第一次实验探测。

manbet手机版7.manbet手机版c .达尔文manbet手机版《自然选择的物种起源》，或《生存斗争中优势种族的保留》manbet手机版(伦敦:Murray 1859)，第285页(鹈鹕预印本第一版，296-297,1968)。

manbet手机版8.manbet手机版小r·戴维斯，“太阳中微子。manbet手机版2manbet手机版实验”,manbet手机版理论物理。manbet手机版(1manbet手机版．manbet手机版12manbet手机版302(1964)。

manbet手机版9.manbet手机版J.N.巴科尔和小R.戴维斯，“太阳中微子问题发展的记述”，在manbet手机版核天体物理学论文集manbet手机版C.A.巴恩斯、D.D.克莱顿和D.施拉姆主编(剑桥:剑桥大学出版社1982年)，第243页;manbet手机版转载于J.N.巴科尔，manbet手机版中微子天体物理学manbet手机版，(剑桥:剑桥大学出版社1989)。manbet手机版有关资料，请参见manbet手机版http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/snhistory.htmlmanbet手机版．

manbet手机版10.manbet手机版A.S.爱丁顿，《恒星的内部结构》manbet手机版天文台manbet手机版43manbet手机版353(1920)。manbet手机版这个讲座很鼓舞人心。

manbet手机版11.manbet手机版爱因斯坦，“Zur Elektrodynamik bewegter Körper”，物理学年鉴，17(105)。manbet手机版英语翻译manbet手机版相对性原理manbet手机版由W.佩雷特和G.B.杰弗里翻译，A.索默菲尔德附注，(多佛出版社:纽约)，1923年。manbet手机版这篇论文的逻辑是惊人的美丽和难以置信的清晰。

manbet手机版12.manbet手机版E.费米，“关于β的试探”，里克。manbet手机版4manbet手机版491(1934)。manbet手机版转载的manbet手机版恩里科·费米，《论文集manbet手机版:注释记忆，第一卷。manbet手机版第538页(芝加哥大学出版社:芝加哥)(1962-1965年)。manbet手机版另见第559、575页。manbet手机版费米建立了β衰变中中微子发射的数学理论。manbet手机版他关于这个主题的第一篇论文因“太过投机”而被拒绝发表。

manbet手机版13.manbet手机版W.A.福勒，《实验和理论核天体物理学:对元素起源的探索》manbet手机版启模。manbet手机版．manbet手机版56manbet手机版149(1984)。

manbet手机版14.manbet手机版G.伽莫夫，《量子论》Atomzertrümmerungmanbet手机版《时代》周刊。manbet手机版毛皮物理学manbet手机版52manbet手机版510(1928)。manbet手机版用量子力学推导出伽莫夫因子。

manbet手机版15.manbet手机版S.霍金，“质量极低的物体引力坍缩”，manbet手机版皇家天文学会月报manbet手机版，manbet手机版152manbet手机版75(1971)。manbet手机版在这篇富有想象力的论文中，霍金推测太阳的中心区域可能包含一个黑洞，这可能是太阳中微子通量低于预期的原因。

manbet手机版16.manbet手机版h·冯·赫姆霍尔兹，《论自然力的相互作用》，Königsberg, 1854年2月7日，在manbet手机版菲尔。manbet手机版玛格manbet手机版．manbet手机版11manbet手机版[系列4]，489-518(1856)。

manbet手机版17.manbet手机版J.F.W.赫歇尔,manbet手机版《天文学论》manbet手机版(伦敦1833年)，第211页。

manbet手机版18.manbet手机版开尔文，《太阳热的年代》manbet手机版麦克米伦的杂志manbet手机版288-293(1862年3月5日)。

manbet手机版19.manbet手机版j .马尔尚manbet手机版阿尔弗雷德·罗素·华莱士，《书信与回忆》，我manbet手机版(伦敦:卡塞尔1916)，第242页。manbet手机版1869年4月14日的信。

manbet手机版20.manbet手机版W.泡利，1930年12月4日在Tübingen上写给物理学家的信。manbet手机版转载的manbet手机版沃尔夫冈·泡利，《科学论文集》manbet手机版R. Kronig和V. weiss skopf主编，第2卷，第1313页(Interscience，纽约)(1964)。

manbet手机版21.manbet手机版h·n·罗素，《恒星能量的来源》manbet手机版酒吧。manbet手机版Ast, Soc。manbet手机版太平洋manbet手机版8月(1919)。manbet手机版如果你喜欢阅读推理故事，并从有限的线索中找出“是谁干的”，那么你会喜欢这篇文章。manbet手机版在阿斯顿测量氢和氦的质量的一年前，在贝特计算核聚变速率的20年前，罗素利用对恒星的众所周知的观测和简单的物理推理，推断出提供恒星能量的“未知过程”的速率一定会随着恒星温度的升高而迅速增加。manbet手机版令人难以置信的是，他还正确地推断出，能量产生对温度的依赖会导致恒星在很长一段时间内保持稳定。manbet手机版这些见解在一篇不含方程式的严密推理的讲座中被呈现出来。

manbet手机版22.manbet手机版卢瑟福，《镭的辐射与发射》第二页manbet手机版工艺manbet手机版年8月，171，(1904)manbet手机版收集到的论文,我manbet手机版: 650。

manbet手机版23.manbet手机版c·史密斯和m·n·怀斯，manbet手机版能量与帝国:开尔文勋爵的传记研究manbet手机版，(剑桥:剑桥大学出版社)，1989。manbet手机版这本书是对开尔文、他的科学和他的生活的一个令人振奋和权威的描述。manbet手机版15-17章是关于太阳的年龄，地球的冷却和地球的年龄。

manbet手机版24.manbet手机版C. F. von Weizsäcker，“Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne。”manbet手机版二。”manbet手机版物理Zeitschriftmanbet手机版，manbet手机版39manbet手机版633(1938)。manbet手机版CNO循环在第7节的最后一段进行了描述。

manbet手机版1.manbet手机版von Helmholtz和Mayer是能量守恒定律的两位共同发现者。manbet手机版这一定律指出，能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总量总是守恒的。manbet手机版能量守恒是现代物理学的一个基本原理，它被用于分析最小的(亚原子)域和已知的最大结构(宇宙)，以及介于两者之间的几乎所有事物。manbet手机版我们稍后将看到，爱因斯坦对能量守恒定律的概括是理解太阳辐射起源的一个关键因素。manbet手机版将能量守恒应用于放射性，揭示了中微子的存在。

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manbet手机版3.manbet手机版我们现在知道，伽莫夫因子对两个带电粒子的相对能量的敏感依赖，为恒星提供了温度“恒温器”。

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manbet手机版5.manbet手机版也许最有想象力的建议是斯蒂芬·霍金提出的，他认为太阳的中心区域可能包含一个小黑洞，这可能是观测到的中微子数量低于预测数量的原因。

manbet手机版* John N. Bahcall是新泽西州普林斯顿高级研究所自然科学Richard Black教授。

manbet手机版John Bahcall于1956年获得加州大学伯克利分校物理学学士学位，1961年获得哈佛大学博士学位。manbet手机版他是加州理工学院的教员，也是普林斯顿高等研究院的自然科学教授。

manbet手机版bacall博士的专业领域包括星系模型、暗物质、应用于天文系统的原子和核物理、恒星演化、类星体发射和吸收线。manbet手机版1964年，他与小雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis Jr.)合作，提出可以通过实用的氯探测器探测到来自太阳的中微子。manbet手机版在随后的三十年里，他完善了对太阳中微子探测器的理论预测和解释。

manbet手机版1999年，bacall教授因其在星系模型、类星体吸收光谱和太阳中微子方面的工作而被授予美国天文学会的终身成就奖——罗素奖。manbet手机版1998年，他被授予美国国家科学奖章和美国物理学会的汉斯·贝特奖;manbet手机版1994年美国天文学会和美国物理研究所的海涅曼奖，以表彰他在太阳中微子方面的工作;manbet手机版1992年NASA杰出公共服务奖章，表彰他使用哈勃太空望远镜进行的观测;manbet手机版以及1970年美国天文学会的华纳奖，以表彰他对类星体和太阳中微子的研究。

manbet手机版bacall教授于1990-1992年担任美国天文学会主席，并于1990年代担任国家天文和天体物理学学术十年调查委员会主席，该委员会成功地为研究项目设定了优先次序。

manbet手机版首次出版于2000年6月29日