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耸人听闻的中微子武器 精选

已有 20082 次阅读 2014-4-17 16:50 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

菅原宽孝(Hiritaka Sugawara)曾是日本颇有名气的粒子物理学理论家,在上世纪九十年代担任过日本高能加速器研究机构(KEK)的总主任,为推动亚洲高能物理学实验的发展做出了贡献。2003年春天,刚刚退休的菅原与两位日本学者合作,在网上贴出了一篇别出心裁、震惊世界的奇文,题目是“利用超高能中微子束流摧毁原子弹”(arXiv:hep-ph/0305062)。

 

在这篇旨在献给日本中微子之父小柴昌俊的学术论文中,菅原等人提出了一个能让核武器持有者身处险境的想法:制备能量高达一千万亿电子伏(1000 TeV)的中微子束流,然后将它射向地球上任何一个地方的核武库,摧毁或引爆核弹头,从而达到阻碍各国发展核武器和实现核裁军的目的。这种假想的中微子武器采用的基本原理是中微子的弱相互作用性质:一方面,中微子可以轻易穿越地球屏障,并穿透核武库的所有保护层;另一方面,超高能量的中微子束流在传播过程中与周围的物质发生相对较强的相互作用(其反应截面正比于中微子的能量),沿途产生大量强子,这些高能强子(尤其是中子)打到核弹头内的钚或铀元素后会触发核裂变反应,起到点燃核弹头的作用,从而使之熔化、蒸发或爆炸。

 

毫无疑问,上述想法是目前的实验技术根本无法实现的。首先,要产生1000 TeV中微子束流,需要更高能量的质子打靶,产生带电p介子,后者衰变成m子,而m子在储存环中发生衰变可以产生中微子。其次,实现上述过程需要建造周长至少1000公里的超级加速器,而目前正在运行的大型强子对撞机(LHC)的环形隧道周长仅为27公里。第三,这样一个超级加速器依赖一个10特斯拉左右的超级磁场的存在,以便通过控制带电粒子的方向来对伴随的中微子作定向聚焦。而要产生如此高强度的磁场,需要至少花费上千亿美元先制备一个超大磁铁。第四,要使超级加速器得以运行,消耗的总电功率将超过500亿瓦,相当于甚至超过整个英国的总耗电功率。此外,这样一个庞然大物的运行对周围环境所造成的辐射危害也是难以估量的。

 

菅原等人的论文出台之后虽然被广泛报道并引起了轩然大波,但他们的想法因不具备现实可行性而在学术界内却没有得到重视。20085月,工作单位飘忽不定的华人物理学家阿尔佛雷德·唐(Alfred Tang)在网上贴出了一篇关于中微子武器的新论文,题目是“中微子反核武器”(arXiv:0805.3991)。该论文几年之内四易其稿,最新版本出现在20136月。唐与菅原等人的动机相同,就是要利用高能量的中微子束流实现远程摧毁核弹头的军事目的。他的具体想法如下:首先利用加速器制备出能量约为45兆电子伏(45 GeV)或高于此数值的正反中微子束流;然后使之聚焦到某处核武库,让束流对撞得以发生在Z粒子共振峰上,这样反应截面会很大;最后Z粒子的衰变产物(如伽马射线)会点燃或引爆核弹头。

 

唐所设想的中微子反核武器装置虽然要求的中微子束流能量较低,但也很难实现。一般说来,从两个加速器中引出的中微子和反中微子束流具有固定的方向,要想让它们恰好在地球另一端的核武库中实现有效对撞并产生足够数量的Z粒子,操纵者必须精确知晓三者的方位,并保证高强度束流的准直性。这使得该想法的技术难度大增而实用性大打折扣,核弹头通常是可移动的,但加速器的位置却必须固定。能量处于45兆电子伏附近的中微子束流也会和大气中微子发生反应而损耗,原因在于后者的能量在很大程度上处于10100千兆电子伏的范围。

 

所以我们有理由相信,开发中微子武器仍旧只是一个遥不可及的梦想,而且利用它来摧毁核武库的后果很可能是灾难性的。除非中微子束流的远程攻击能够保证核弹安全地分解并失效,否则一旦引发任何形式的核爆炸,其后果都与常规的核打击没有本质区别,而且从根本上背离了核裁军的目的。

 

事实上,“中微子技术”是一部分物理学家近年来特别关注的研究课题。他们的出发点很简单,就是期待在可望的将来像应用光子技术那样实现中微子技术的广泛应用。目前已经被探讨的可能性包括利用中微子勘探油田、发展针对地球和恒星内部结构的中微子断层摄影术、利用中微子预测地震、利用中微子探测器监视有效距离内的核试验、通过中微子实现远程通讯(例如与外星人的交流,以及与深水潜艇的秘密通讯),等等。所有此类研究都基于中微子的极强穿透性、直线传播特点和振荡效应,但是它们都无一例外地需要建造超级加速器或者大型探测器。也许有一天,中微子技术的突破能够让科学家们实现这些梦想。

 

       本文已正式发表在《科学世界》2014年第四期。



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