梶田教授二三事

翟向華

2015年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予了日本科學(xué)家梶田隆章（Takaaki Kaiita）和加拿大科學(xué)家麥克唐納（Anhur B.McDonald），以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩方面所作的貢獻(xiàn)。棍田隆章和他的團(tuán)隊(duì)在17年前發(fā)現(xiàn)了u中微子在穿越上千公里的地球大氣層，最終到達(dá)位于日本本州島中部的超級神岡中微子探測器（Super-Kamiokande）過程中，消失又再現(xiàn)。這提供了中微子振蕩的確切證據(jù)，揭示出中微子質(zhì)量雖小，但并不是無質(zhì)量的。這是粒子物理學(xué)的一個歷史性發(fā)現(xiàn)，改變了人類對組成物質(zhì)的最小磚塊的理解，并極大地提升了人類對宇宙的認(rèn)知。

四年前，我們預(yù)言他將獲獎

棍田隆章教授是日本物理學(xué)家、天文學(xué)家，現(xiàn)任東京大學(xué)宇宙線研究所所長。他與時任上海師范大學(xué)天體物理中心教授的倪維斗是好朋友。倪維斗教授是一位在國際引力學(xué)界享有盛譽(yù)的學(xué)者，一些著名學(xué)術(shù)刊物的編委。在倪維斗教授的建議下，我們中心邀請梶田教授來上海進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。這次訪問的目的有四個。其一，請梶田教授介紹他所在的超級神岡中微子探測器如何發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩的；其二，我們中心與東京大學(xué)宇宙線研究所簽訂合作協(xié)議，參與梶田教授領(lǐng)導(dǎo)的大型低溫引力波望遠(yuǎn)鏡（Kamioka Gravitational Wave Detector，KAGRA）項(xiàng)目；其三，由我們中心牽頭，召開一次引力波探測學(xué)術(shù)討論會，希望國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)參加到KAGRA項(xiàng)目中去：其四，棍田教授有意贈送上海師范大學(xué)一套激光測距儀，以便開展激光測距實(shí)驗(yàn)工作。所以，棍田教授的訪問日程排得很滿，要確定的事情也很多，前三項(xiàng)工作都得到了落實(shí)，取得了完滿的成果。而第四項(xiàng)由于種種原因沒有變成現(xiàn)實(shí)。

早在1930年泡利（W.Pauli）在理論上提出中微子假設(shè)的時候，就認(rèn)為中微子的質(zhì)量很小或者無質(zhì)量。1956年，萊因斯（F.Reines）和考恩（C.Cowan）發(fā)現(xiàn)了電中微子；1961年，萊德曼（L Lederman）、施瓦茨（M.Schwa～z）和施泰因貝格爾（J.Steinberger）發(fā)現(xiàn)了u中微子，這兩次發(fā)現(xiàn)分別獲得了1995年度和1988年度諾貝爾物理學(xué)獎。但是，當(dāng)時的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為中微子是無質(zhì)量的，因此在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是無質(zhì)量的。粒子物理學(xué)家有句格言：凡是沒有禁戒的就是存在的。沒有什么物理定律不讓中微子有質(zhì)量。如果中微子有質(zhì)量，那么中微子就會發(fā)生振蕩。與別的基本粒子不同，u中微子可以由兩個稍有不同的質(zhì)量態(tài)混合組成。這兩個質(zhì)量態(tài)的頻率不同，在飛行時它們之間的位相可以振蕩。但是，我們無法在加速器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檎袷幍木嚯x太遠(yuǎn)了。加速器實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用反應(yīng)堆的放射源的實(shí)驗(yàn)至今僅得到中微子質(zhì)量的上限。

超級神岡探測器的前身是質(zhì)子衰變探測器，位于飛觶市（Hida）神岡礦山的一個廢棄砷礦的洞穴中。可惜科學(xué)家沒有找到質(zhì)子衰變的證據(jù)。這個巨大的探測器除了用于探測質(zhì)子衰變外，只能用于研究中微子了。但是，失之東隅，收之桑榆。1986年底，經(jīng)過改造的神岡探測器開始運(yùn)行。幸運(yùn)之神降臨了，在翌年二月，大麥哲倫云的一顆超新星爆發(fā)，爆發(fā)釋放出的一些中微子擊中了神岡探測器。小柴昌俊因此而獲得了2002年度的諾貝爾物理學(xué)獎。1996年神岡探測器再次改造升級，稱為超級神岡探測器。它的目的是發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩。實(shí)驗(yàn)是在5萬噸純水中進(jìn)行的，用11000個大面積光探測器進(jìn)行觀測，終于發(fā)現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。小柴昌俊曾說過，中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)一定會被授予諾貝爾獎。在棍田教授介紹了發(fā)現(xiàn)的艱辛歷程后，我們曾對他說，他在中微子振蕩方面的發(fā)現(xiàn)如此重要，將來一定會獲得諾貝爾獎。梶田教授笑了笑，說：“謝謝你們大家的美好祝愿。”他沉思了一下又謙遜地接著說：“假如這項(xiàng)工作能獲獎的話，更應(yīng)該得獎的是我的恩師戶塚洋二（Yoii Totsuka）教授，可是他已經(jīng)離開我們了?！笔聦?shí)上，不僅是戶塚，1960年代給出太陽中微子正確計算的巴考爾（John Bahcall）以及提出中微子振蕩理論的蓬捷科爾沃（Bruno Pontecorvo）都更應(yīng)該獲得諾貝爾獎。然而，歲月無情，他們相繼離世。蓬捷科爾沃于1993年逝世，遺憾地沒有親眼看到他的理論被證實(shí)。巴考爾也在2005年去世，不過他看到了自己的理論計算被棍田和麥克唐納的觀測所證實(shí)。

在引力波探測上的合作

棍田教授訪問我們中心的第二個目的是我們中心與東京大學(xué)宇宙線研究所簽訂合作協(xié)議。協(xié)議規(guī)定，上海師范大學(xué)天體物理中心將參與KAGRA項(xiàng)目.雙方人員定期進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，聯(lián)合培養(yǎng)上海師大的研究生。

愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在。但是迄今為止人類尚未探測到引力波，這是最大的科學(xué)未決問題之一。探測引力波的項(xiàng)目當(dāng)然是一個有希望獲得諾貝爾獎量級的項(xiàng)目。有一次筆者與棍田的助手宗宮健太郎教授談?wù)摰酱罂茖W(xué)項(xiàng)目與發(fā)表文章的關(guān)系時，他十分驚訝中國學(xué)者為什么如此關(guān)心SCI文章的數(shù)量以及雜志的影響因子；我也十分驚訝。他居然不知道什么叫影響因子。聯(lián)想到歐洲學(xué)術(shù)界也已經(jīng)不再使用影響因子作為考核指標(biāo)，筆者不得不感嘆在科學(xué)研究上，不聚焦重大科學(xué)問題，只關(guān)心文章數(shù)量和雜志影響因子是沒有出息的。

為了探測到引力波，應(yīng)當(dāng)建造出能感覺振幅為1/10的共振質(zhì)量探測器。換句話說，對于一個一米長的棒來說，所探測的振動為10米量級。這樣微小的距離能被測量到嗎？從某種意義上講，這是一個很容易回答的問題。因?yàn)闇y量的是上億個原子的平均距離。作為一個類比，海浪可以高達(dá)數(shù)米乃至數(shù)十米，但是人造衛(wèi)星可以將海平面的高度測量到1厘米的精度。目前的設(shè)備已達(dá)到非?？煽康牡夭剑鼈?yōu)槭廊颂峁┝藰O佳的發(fā)現(xiàn)引力波信號的機(jī)會。

另一種設(shè)想是用激光干涉儀來探測引力波。分光器將光線分成兩個路徑，當(dāng)引力波通過時，一個路徑收縮，而另一個路徑漲大。這樣，我們就可以通過干涉儀在輸出條紋圖案上所形成的亮度變化探測到引力波的存在。通過量子力學(xué)的計算，要使激光干涉儀達(dá)到10的靈敏度，必須裝備十萬瓦的激光器和長達(dá)幾千米的基線。

KAGRA是在建的一個3千米臂長激光干涉引力波探測設(shè)備，于2010年正式啟動，目前正順利推進(jìn)，預(yù)計在2017年開始運(yùn)行。項(xiàng)目的運(yùn)行需要大量研究人員的投入，現(xiàn)在全球已有70多家科研機(jī)構(gòu)的240多位研究人員參與，中國參與KAGRA項(xiàng)目的大學(xué)還有清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、北京師范大學(xué)以及新竹清華大學(xué)等。

2011年8月上海師范大學(xué)天體物理中心主任李新洲教授與東京大學(xué)宇宙線研究所所長梶田教授簽署了合作協(xié)議，開始了兩校之間正式的合作研究。四年來，天體物理中心科研人員已有7人次赴東京大學(xué)進(jìn)行合作研究，東京大學(xué)宇宙線研究所也有4人次來天體物理中心進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。上海師范大學(xué)天體物理中心的教授們還為KAGRA項(xiàng)目的一些設(shè)備采購陪同包括棍田本人在內(nèi)的日方學(xué)者多次奔走于研究院所和工廠。

在梶田教授訪問期間，還有一件趣事，他居然不知道鼎鼎大名的紫砂茶具有什么特殊功效。李新洲教授告訴他，用紫砂壺泡茶，久而久之，不放茶葉，壺中放清水也會發(fā)出茶香。當(dāng)李新洲教授代表上海師大贈送一只上海師大特制紫砂杯時，他摩挲良久，嘆日：“日中文化交流很有必要?！?/p>

梶田教授能再次獲獎嗎

當(dāng)筆者獲悉梶田教授得獎的消息后，立即發(fā)電子郵件祝賀棍田教授獲獎并希望將來KAGRA項(xiàng)目也有如此的好消息。想想國內(nèi)新聞界報道的莫言獲獎后的忙碌，筆者原不期待這位新得主的回復(fù)，想不到百忙之中棍田教授居然及時回復(fù)了郵件，他寫道：“謝謝你的祝賀。讓我們共同努力，共同期待，在不久的將來，KAGRA會有好消息。”

KAGRA的好消息當(dāng)然是指發(fā)現(xiàn)了引力波。這就圓了愛因斯坦百年前的夢。那么，梶田教授當(dāng)然有望第二次獲得諾貝爾獎。目前在地球上許多不同地方的天線幾乎一刻不停地運(yùn)轉(zhuǎn)著，期待著某個超新星或銀河系中心的看不見的引力坍縮出現(xiàn)。概率當(dāng)然不大，但設(shè)備已達(dá)到非?？煽康牡夭?，為世人提供了極佳的發(fā)現(xiàn)引力波信號的機(jī)會。通過測量脈沖星信號的殘差來探測宇宙中的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的引力波，目前做得最好的是澳大利亞PPTA（Parkes Pulsar Timing Array）組。我國在建的FAST（Fivehundred meters Aperture Spherical Radio Telescope）望遠(yuǎn)鏡和參與的SKA（Square Kilometre Array）計劃也在探測引力波的競爭行列。已經(jīng)建成并運(yùn)行的激光干涉儀引力波天文臺主要有美國的LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）和歐洲的VIRGO，目前兩者都在系統(tǒng)升級之中。在不久的將來，科學(xué)家期待它們看到中子星或者小黑洞并合所產(chǎn)生的引力波輻射。此外，還有歐洲的空間激光干涉引力波天文臺LISAfLaser Interferometer Space Antenna），預(yù)計2020年或者更晚一些可以發(fā)射并投入運(yùn)行。是KAGRA，還是別的團(tuán)隊(duì)勝出，我們不得而知。肯定的一點(diǎn)是，科學(xué)事業(yè)一定會不斷進(jìn)步，諾貝爾物理學(xué)獎也一定是授予勇于攀登科學(xué)高峰的人們。