雷蒙德·戴维斯

雷蒙德·戴维斯 - 基本简介

雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis Jr., 1914-)和小柴昌俊(Masatoshi Koshiba, 1926-)因在宇宙中微子探测方面所作的贡献，里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi, 1931-)因发现宇宙X射线源，共同分享了2002年度诺贝尔物理学奖。

探索宇宙的奥秘，预测宇宙的未来，这是人类千百年来的梦想。2002年诺贝尔物理学奖表彰的就是这一领域的两项重大成果。瑞典皇家科学院将2002年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼，称他们“在天体物理学领域做出的先驱性贡献”打开了人类观测宇宙的两个新“窗口”。

这两项成果一项是戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就，这一成就导致了中微子天文学的诞生；另一项是贾科尼在“发现宇宙Ｘ射线源”方面取得的成就，这一成就导致了Ｘ射线天文学的诞生。

雷蒙德·戴维斯 - 科研背景

中微子是宇宙间的“隐身人”，是一种非常小的基本粒子，几乎不与任何物质发生作用，因此尽管每秒有上万亿个中微子穿过人们的身体，但人们很难发现它的踪影。早在1930年著名物理学家泡利（1945年诺贝尔物理学奖获得者）就预言了这种神秘粒子的存在，但科学家用了25年的时间才证实了这一预言。证实这一预言的是美国科学家弗雷德里克·莱因斯，他在20世纪50年代利用一个核反应堆制造出大量中微子。他因此获得1995年诺贝尔物理学奖。

中微子还和太阳有着密切联系。太阳到底靠什么发光？19世纪，科学家认为它靠的是太阳内物质相互吸引而形成的能量，但科学家计算发现，这种能量只能供太阳燃料200万年，这显然与实际情况不相符，因为太阳的实际年龄已经有50亿年了。1920年，科学家发现，由2个质子和2个中子及4个电子组成的氦原子质量要略小于4个由1个质子和1个电子组成的氢原子的质量。英国科学家爱丁顿根据爱因斯坦的质能互换公式推测，缺少的质量转变成能量释放出来，这就是核聚变，太阳发光靠的就是核聚变。后来科学家预言，在太阳内每聚变形成一个氦原子就会释放出2个中微子。

雷蒙德·戴维斯 - 观测微子

由于中微子几乎不与任何物质发生作用，因此，尽管每秒有上万亿个中微子穿过人们的身体，但是人们很难发现它的踪影。25年之后，考恩(C.L.Cowan)和莱因斯(F. Reines)领导的小组第一次通过实验直接证实了中微子的存在。戴维斯和小柴昌俊的工作是进一步证实了太阳中微子的存在。元素核合成理论预言，太阳的能量来自于核聚变反应。在核聚变反应过程中，会放出大量中微子。戴维斯通过n + 37Cl ? 37Ar + e-反应来探测中微子的，他的实验装置是一个埋在胡姆斯塔克(Homestake)1500米深矿井中的装有615吨C2Cl4液体的大容器。当中微子与液体中的37Cl碰撞而放出电子时就转变为37Ar，只要探测到37Ar 的存在，就能证实中微子的存在。戴维斯持续了30年时间，才探测到约2000个中微子。观测到太阳中微子就直接证明了太阳内部确实进行着核聚变反应。但是，实验测得的太阳中微子流的强度仅为标准太阳模型预期值的一小半，这就是30多年来人们一直在谈论的“太阳中微子失踪之谜”。小柴昌俊在日本神冈建造了另一台大型中微子探测器，是一个装有2140吨水的大容器，在水箱的周围装有上千个光电倍增管。中微子有可能与水中的电子或质子相互作用，产生一个高能电子，这个电子可引起微弱的闪光，探测这种微弱的闪光就可证实中微子的存在。小柴昌俊的探测器探测到了来自太阳的中微子，并证实了戴维斯的实验结果。另外，小柴昌俊的探测器还探测到了1987年2月23日在大麦哲伦星云中爆发的那颗超新星所释放出的中微子。这是人类第一次观测到太阳以外的宇宙中微子。

雷蒙德·戴维斯 - 科学研究

科学家认为，探测太阳中微子几乎是不可能的。诺贝尔奖委员会称戴维斯是20世纪50年代唯一一位敢于探测太阳中微子的科学家。后来科学家发现，中微子可能与氯原子核发生反应生成一个氩原子核和一个电子，探测是否生成氩原子核就可证实中微子的存在。但这种可能性非常小，诺贝尔奖委员会称这“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找一粒沙子”。为了捕获中微子，戴维斯领导研制了一个新型探测器，它的主体是一个注满615吨四氯乙烯液体的巨桶，埋藏在美国的一个矿井中。在30年的探测中，他共发现了来自太阳的约2000个中微子，并证实了太阳是靠核聚变提供燃料的。

中微子有可能与水中的氢和氧原子核发生反应，产生一个电子，这个电子可引起微弱的闪光，探测这种微弱的闪光就可证实中微子的存在。小柴昌俊在日本领导研制的另一个中微子探测器利用的就是这一原理。他除了证实太阳中微子的存在外，还在1987年2月23日发现了一处遥远的超新星爆发过程中释放出的中微子。在那次爆发过程中，估计有1亿亿个中微子穿过了探测器，科学家捕获了其中的12个。

雷蒙德·戴维斯 - 成果作用

包括太阳在内的所有恒星都在不断地发射各种波长的电磁波，不仅有可见光而且还有人们肉眼看不见的X射线、g射线等。由于X射线很容易被地球的大气层吸收，所以要探测来自宇宙空间的X射线，就必须把探测器放入太空中。贾科尼领导研制了世界上第一个宇宙X射线探测器“爱因斯坦X射线天文望远镜”并首次获得了精确的宇宙X射线图像，第一个探测到了太阳系以外的X射线源，第一个证实了宇宙中存在X射线辐射背景，第一个探测到了可能来自黑洞的X射线。另外，他还倡导研制了“钱德拉X射线望远镜”并于1999年送入太空，这对探测星系、类星体和恒星以及寻找黑洞、暗物质的踪迹有着非常重要的意义。

戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就导致了中微子天文学的诞生；贾科尼在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就同样导致了X射线天文学的诞生。

雷蒙德·戴维斯 - 贡献价值

2002年诺贝尔物理学奖表彰的另一项成果与Ｘ射线有关。包括太阳在内的所有恒星都发射电磁波，其中包括可见光和人们看不见的其他电磁波，比如Ｘ射线。其实，每时每刻都会有大量的宇宙射线到达地球，但包括Ｘ射线在内的多数宇宙射线都被大气层吸收了，因而在地面上很难发现它们的踪影。为了揭开宇宙Ｘ射线之谜，必须向太空发射探测器。贾科尼领导研制了世界第一个宇宙Ｘ射线探测器——爱因斯坦Ｘ射线天文望远镜。这一探测器于1978年进入太空，它首次提供了精确的宇宙Ｘ射线图像，在此基础上科学家获得了大量新发现。此外，贾科尼在世界上第一次发现了太阳系外的Ｘ射线源，第一次证实宇宙存在着Ｘ射线背景辐射，他还探测到了可能来自黑洞的Ｘ射线。1976年，贾科尼倡议研制更为强大的钱德拉Ｘ射线望远镜。这一探测器直到1999年才进入地球轨道。耗资15亿美元的钱德拉Ｘ射线望远镜计划在太空至少运行5年，对星系、类星体和恒星进行探测，寻找黑洞和黑暗物质的踪迹。天文学家希望借助钱德拉Ｘ射线望远镜，能够加深对暗物质和黑洞的认识。

获奖的两项成果均涉及对宇宙未来的研究。中微子有没有质量，暗物质到底有多少，这关系到宇宙总质量的大小。科学家认为，如果宇宙总质量大于某个数值，宇宙将在自身引力作用下停止膨胀，并开始“大坍塌”；如果小于或等于某个数值，则宇宙将一直膨胀下去。由这两项成果开拓的科研新领域必将揭示更多的宇宙奥秘，这些新答案将直接补充甚至改写现有的基本理论。