也许，在比星星更遥远的地方还存在着什么东西吧！而星星离开我们又如此之远，从距离我们最近的（当然，我们不把太阳系的星星包括在内）一颗星星发出的光线，要经过四年才能到达地球表面。但是早在数千年前，就有一种神秘的力量把人类的注意力吸引到那个遥远的地方去了。也许正因为这个缘故，人们产生了通观宇宙全貌的奢望。
宇宙是一个整体，这是不言而喻的。一切似乎都有它的组成：宇宙——银河系——星体——原子——核子——基本粒子——夸克。这就是物质结构深处从宏观到微观的一个阶梯。人类还只是在原子和星星之间踟蹰，对这两个终端还远未搞清，而且也很难说这两个就是终端。
宇宙学和基本粒子物理学是研究宇宙结构及其发展的科学。这是两个不同的课题。星体和基本粒子对于我们来说都是如此深渊莫测，可见这两门学科相互之间的关系又有多远了。但是人们还是试图搞清它们之间在物理范畴中的相互关系。这类相互关系是不难显示出来的。如，为了了解粒子的结构，可把它们加速到很高的速度，并使其互相撞击，实验者往往期待着在巨大的能量作用下会出现许多理论家所预言的某种不寻常的奇迹。只是，可惜我们的技术条件受到限制。又如随宇宙射线带到地球的粒子能量，超过了地球上所能达到的最大值约数百万倍乃至数十亿倍。只是，粒子太小，很难测得它们的能量。然而，这是我们通向那个至今还没有其它办法认识到的、来自宇宙的能量世界的唯一途径。
让我们先从历史入手，来寻找微观世界和宏观世界的交叉点吧！
遥远的过去（基本粒子物理学）
五十多年前，瑞士物理学家泡利（W. Pauli）就提出了存在中微子的设想。我们能从基本粒子的家族中发现中微子，这并不是偶然。在微观世界物理学的历史上，曾不断有新的成员进入主要角色，如：‘夸克’、‘奇异粒子’、‘粲粒子’、‘中间玻色子’等。近二、三年来，中微子成了物理学家们思索，议论的中心。Я.Б. 泽尔道维奇院士把这个时期称之为“中微子革命时期”。
中微子——顾名思义是‘微小的中子’——它的存在和出现似乎是为了保持中子β -衰变中被破坏的能量守恒。在中子衰变成为质子和电子时，精确计算其质量和能量，可以发现已失去了平衡。泡利（W. Pauli）却认为能量守恒定律并没有被破坏，只是有一部分能量被一种非常轻的中性微粒子所带走了。这种轻微的中性粒子很不容易被人发觉。的确，直到二十五年前，中微子才被人们在实验中发现。
中微子很不喜欢与物质发生相互作用，它可以穿透数百光年*厚的物质而不与它们发生任何相互作用。这就是中微子的踪迹如此难以捕捉的原因了。除了不喜欢与其它物质发生相互作用外，它的另一个特点是质量非常之轻。泡利认为中微子的质量比质子的质量还要小一百倍。最近的实验又把这个限量降低到十万倍。人们多次寻找中微子的质量都没有成功。只是在一些实验终结报告中写上了一些“小于一千个电子伏特……”、“不超过数百电子伏特”……等不肯定的语句。在70年代中叶，瑞典和苏联的实验又得出了这样的结论：“小于50电子伏特”。
这些年来，也不乏如下的论调：“如果说测不出中微子的质量，那么，也许它压根就没有质量”。每次在质量界限以下的试验，也都引诱着人们倾向于中微子没有质量的理论。
宇宙学
大部分天文物理学家现在都赞同有关“热宇宙”的设想。其基础有二：首先，宇宙空间在膨胀，这可以用从遥远的银河系光谱中的红移来证实。其次，宇宙中充满了所谓的残余射线的单一底色。
红移——这是多普勒现象，假如星体会放出电磁波，并且是在渐渐远离我们，则我们接收到的辐射将向小频率方面位移；而如果星体在向我们靠近的话，则其辐射将向大频率方面位移。
残余辐射是光子气体冷却的结果。如果宇宙是在膨胀，那么我们应该设想，它在某一个时期曾经是很热、并且处在压缩状态下。100~200亿年以前曾经出现过一次大爆炸，宇宙膨胀时，物质和射线的混合物温度很高。一开始光子的能量很大，以至光子会转化。宇宙一面膨胀、一面冷却，三十万年后光子的能量就衰减到再也不能与其它物质相互作用的程度。从此：光子气体一面冷却，一面按理想气体规律膨胀。这时粒子的能量，正好使电子落在原子中自己的轨道上。同时宇宙处于正常状态，即目前人类所适应的状态：原高温下物质和射线的混合物变成了独立存在的射线和物质。就这样，到了我们的年代就成了非常冷的射线了。它是均匀和同向的。
在这些东西里面有没有我们提到的中微子呢？的确，那时温度很高，光子能量已足以产生电子-正电子、中微子- 反中微子偶——产生能量粒子。当温度下降时，电子集中到原子中去了，而中微子则留下来了。随着温度的下降（这意味着能量也在下降）中微子与物质之间的相互作用强度也在减弱。宇宙对于中微子来说，已成为可以通行无阻的“透明体”，中微子气体与宇宙一起膨胀，就像残余辐射一样，一直存在到现在。
当宇宙对于光子和中微子来说成为透明的时候，光子和中微子的数量大体相等，这种等量一直保持到现在。一立方厘米的空间中约有五百个光子和与此等量的中微子（此浓度比原子的浓度大五十亿倍。如果所有的物质在宇宙中都是平均分布的话，每一个原子将占很大的空间——10立方米）。显然，中微子是无所不在的；整个宇宙充满着中微子。曾经有人提出这样的设想：宇宙的结构和性质取决于存在于其中最多的是什么。对中微子的这一新的兴趣，使我们不得不回到第一个题目上来。
中微子的质量
现在再来谈一谈基本粒子问题。70年代中期，由于物理学家们企图测出中微子质量的一切努力全都落空了，许多物理学家都认为中微子是没有质量的时候，大家对继续坚持探索中微子质量的人感到奇怪。但莫斯科物理研究所却发出了有关中微子具有质量的消息。
经过反复的实验和对造成测试误差的一切因素进行细致的分析后，得出：中微子的质量值在15~45电子伏特之间，平均值为30电子伏特。比电子（是目前已知基本粒子中，除中微子之外最轻的基本粒子）的质量小一万倍。
某种物理实验往往会引起轰动和震动，但是这里却没有这样的反应，其原因大概有二，其一，人们已习惯于把中微子看成是没有质量的东西，故关于中微子具有质量的消息，只是使人惊奇；其次，在寻找这样小质量的精细实验中，人们往往要担心和怀疑是否受到了干扰，怀疑测量结果没有把所有的干扰都估计在内，故大家还期待着有其它实验室的类似实验结论，或者在相同设备上重新测试的结果来肯定或否定。然而，莫斯科实验室在苏联是实验精确度最高纪录持有者，故只有等待着再次进行的新实验结果。大家都估计中微子是有质量的，但也还有少数人不以为然。因此，在遵循科学的精确性原则下，所有进一步的基于中微子有质量的讨论，应该说，都还仅仅是设想。
宇宙
关于宇宙物质的平均密度问题，很早就是一个重要问题了。宇宙未来的状态可能因为密度值的变化而发生各种各样的变化。如果密度大，震动力将阻止宇宙膨胀，同时地球也将牵制在一个点上。相反，如果密度小，膨胀将无限制地进行。如何测定宇宙的质量？到目前为止天文学家们还没有掌握新的方法，唯一的方法是统计银河系及它们的质量。在计算过程中产生了一种奇怪的现象。近年来发现银河系中星星的质量总和与按星星及中性氢原子云旋转时测得的银河系质量之间有差额。这个问题也即所谓的“潜在质量”问题。这个质量的分布极不均匀，在银河系中心此质量的比重小，边缘处此质量的比重增大。正是这种不均匀分布的现象否定了潜在质量是那些光线很弱、不易被人发现的星星所引起的解释。但是搞不清楚为什么这种星星在银河系中心数量如此小，而类似的质量差额在银河星团中也仍然存在。
“潜在质量”问题使天文学家们伤透了脑筋。1980年有一个科学家提到这个问题时说：最好能发现一种又很少与其它物质和辐射发生作用又能形成质量的东西。
也许读者已经猜到这个神秘的重量载体很可能就是中微子。说到这里，我们叙述问题的两条思路终于汇合到一起来了。
现在（中微子和宇宙）
叙述过程中遇到了如下一些数量概念：首先，宇宙中中微子的浓度比原子浓度大50亿倍；其次，中微子的质量比电子质量小10000倍~15000倍，故比氢原子质量小3000万倍。比较这些简单的数字即可看出，宇宙质量的99%都集中在中微子身上了。因此，我们可以说是生存在中微子宇宙之中！
中微子质量的发现，使好多问题迎刃而解，例如30个电子伏特，使“潜在质量”的“无头案”有了着落。现在，再让我们回过头来谈谈具有质量的中微子帮助我们解决的有关难题。
关于银河系的形成过程，大部分科学家认为：在膨胀初期，宇宙是均质和同向的，尔后渐渐产生不同程度的不均质——密度的波动，因而产生银河星团，最终形成了银河系本身。这种物质密度的变化也不可避免地要反映到辐射上来。可以预计，我们今天所观察到的残余辐射的不均匀度应该有多大。可是我们记录下来的残余辐射图像却出乎意料地均匀。这个矛盾可能破坏热宇宙的结构图像，由于中微子具有质量，这个矛盾又迎刃而解了。
现在，可以认为：当宇宙对于辐射来说是透明的时候、物质的浓度变化是很小的，因此，我们在剩余辐射中没有看到这种变化。银河系是由于中微子物质密度波动而形成的。这些中微子物质是较早形成的，而且已经达到了一定的规模，但没有影响光子。
我们这个世界的基本质量集中于中微子的事实也有助于说明宇宙中氘含量不多的现象，因为它也笨拙地躲藏在“中微子无质量”的背后。
在宇宙膨胀的最初三分钟里，进行着热核反应过程。其中间阶段是氘的形成阶段。而后，大部分氘在热核反应过程中过热到更重的分子。宇宙物质密度越大，过热的氘量越大，留下得越少。天文学家们现在观察到的氘量只相当于可见星星的物质密度。那么，上面提到的“潜在质量”又如何解释呢？唯一可资以解释的是：全部潜在质量集中在中微子上。因为中微子不会影响高温热核反应，也不会影响氘量。
中微子质量即使在遥远的星体中——其它银河系的星体中，也不会影响其它的物质。仅拿我们居住的地球作例子，就可以说明这个问题。大家都知道，太阳上正进行着热核反应，中微子在热核反应过程中产生，可以精确地计算出散落到地球上的微粒流。而记录太阳中微子的实验得出的结果，却比理论值小2/3。
在类似这种科学上的死胡同里，在既没有根据怀疑理论计算，也没有根据怀疑试验结果的情况下，一般都将引起最意料不到的，甚至近乎幻想的预测。曾经有人设想：太阳里有黑洞根据这种模式作凿的观点认为从太阳到地球的能量中只有1/3是由热核反应释放出来的，因此，中微子也很少，其余能量来源于太阳的“黑洞”对其余物质的引力，使它们加速到高速度而放出大量的能。这种设想是动人的，但要解释所出现的差额时，它又与许多其它结论相矛盾了。或者设想为：太阳中心存在着一个强大的磁场。但又搞不清楚磁场是如何产生的。可是有磁场就可以解释中微子差额的存在。曾经有人假设，太阳内部具有另二种组成，或者说太阳最里面的部分温度不一样，可能低于热核反应所需要的温度，有一个学者提出太阳等离子体中的粒子按速度分布的方法与地球上不一样。所有这些假想的模式，有一个共同的目的：为解释从太阳发出的中微子数量不足部分。同时，即使他们能够解释这个事实，他们的代价太高，因为这中间又要碰到其它需要解释的矛盾和问题。
在这里中微子带质量的概念又可以发生作用了。但在解释过程实质以前，不得不先谈一谈基本粒子世界。实际上，中微子可分为三种：电子型中微子、μ介子型中微子和τ -轻子型中微子。电子、μ介子、σ -轻子都是基本粒子，它们与其它基本粒子的区别在于它们不参与核子的强相互作用，所以被列入“轻子”。每一种轻子都有自己的中微子，它在任何反应过程中都伴随着自己的轻子。如果这三种中微子都没有质量的话，那么它们就不可能互相变化。如果有质量的话，才谈得上中微子之间的相互转变。这可以通过下文来说明：如果粒子没有静止质量，那么它只能以光速进行运动（例如光子——电磁量子）。而根据相对论理论，在这种粒子系统中，时间将停止，从此，不可能发生任何变化，直到该系统与其它物质发生相互作用为止。
现在再回过头来谈太阳中微子问题。太阳在热核变化过程中产生电子型中微子。我们在地球上为检测和记录它们的来临，设置了专门的试验装置。但是如果电子型中微子有质量的话，那么在从太阳到地球漫长的路程上某一部分粒子完全有可能转变成另一种中微子。这个过程称之谓中微子振盈，因为再经过一段旅行，中微子又可能重新变成电子型。振盈周期取决于不同类型中微子的质量比。
莫斯科实验室测得的正是电子型中微子的质量。另两种中微子的追踪研究工作要复杂得多。目前他们的质量界限要比所获得的电子型中微子高上数千倍。
作者希望，他已经使读者们深信，宇宙物理和中微子物理学之间有许多交叉点。很难设想，它们之间可以独立存在。现在让我们来谈谈这方面的研究工作现状及其发展前景。
明天
如上所述，我们处在中微子气体的包围之中，可是这种低能量的中微子就像剩余辐射一样，已在宇宙膨胀过程中“冷却”了。看来，这种中微子与其它物质的相互作用或然率很大，就以一个多孔体作比方，其孔径相当于中微子的波长（波长与各种基本粒子相应，相当于分隔粒子脉冲的固定“隔板”），则粒子将与它发生相互作用，并对它传递脉冲。Я.Б. 泽尔道维奇，M.Ю. 赫洛波夫在“物理学成就”杂志上发表评论说：“中微子海洋之波冲击着物质”。中微子加速度估计为10-19厘米/秒2。有朝一日我们将能亲眼看到这个神奇而微小的作用力。因为当前计量精确度的水平，仅低于此水平的数千倍，更主要的是在发展这方面精确度的道路上没有什么重大的障碍和阻力。可能在最近十年以内我们就可以观察到中微子的这种微小的压力作用了。而这正是“潜在质量”的最直接和雄辩的见证。
中微子的穿透性能特别强，这是来自太阳和星体核心的射线的唯一特征。天文学家们的传统计量工具是望远镜，学者们在光学波长范围内观察宇宙。仅数十年前，才开阔了新的领域——射电天文学，不难理解，在无线电波下的宇宙图像与光学下的已大不相同了，已经是从另一个角度来观察宇宙了。现在又出现了中微子天文学，迄今为止还只能记录部分从太阳、本银河系、超新星体来的粒子，而对于来自其它银河系的超高能中微子的探测，将需要制备深水检测器来检测。
“中微子革命”将牵涉到我们所生活的这个世界的一些基本原理。难以捉摸的基本粒子中的中微子，将是我们宇宙中的“大鲸”。这个革命也具有哲学方面的意义。苏联科学院主席团的科学通报中Я.Б. 泽尔道维奇曾经指出：“近年来我们对基本粒子的哲学态度大大改变了。10~15年以前总的概念是这样的：未被证实的东西，就是不存在的东西。根据奥卡姆（Okkam）原则，应该把一切未被实验直接证实的东西从现实中清除掉。”现在，当我们对基本粒子有了进一步了解的时候，对另一个口号就会持同意态度了：一切未被列入认识界限内的东西，也许是存在着的。我们对待中微子的质量问题也应该如此，应该去探索它的存在。并搞清楚对天文现象有什么影响。今天，我们对自然界的统一性、自然界与各科学领域的密切关系的感受，已经达到空前！
看来物理界科学革命的时代还没有过去，也许我们还有幸看到其中之一的开端。在这条道路上我们将会创造多少惊人的发明，这是很难预言的。也许将在中微子的帮助下，观察到宇宙最遥远的深处，看到最遥远的银河系——宇宙边缘银河系的背后。也许我们还可以搞清楚我们的世界在生命的最初时刻里发生了一些什么事情。看吧，这个基本粒子的威力是多么神奇和惟妙惟肖啊！它被物理学家们温存亲昵地称之谓“中微子”、“微小的中子”。
[Знαнuе-сuлα，1982，第5期]
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*光年——光线走一年经过的路程（距离）。按光在真空中每秒走约30万公里计，一年走94608×108公里。——译注。