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2018年,是改革开放四十周年,中国在过去四十年取得的经济成就举世瞩目.未来,我们期待更加了不起的成就,这些成就将不仅仅是经济的.那么,再过20年中国会是什么样子？中国的科学会是什么样子？很难预言,我不如谈谈和预言相关的另一件事.
人类在预言未来这个问题上,永远想象力不足.比如说,在蒸汽火车出现之后,有人曾经想象过,城市的街道上也将出现蒸汽机驱动的动力车,他们将街道上跑的这种动力车想象成火车的翻版.谁也没想到,出现的居然是汽车.2017年年底,《科学》杂志评选出全球十大科学突破,前三名和物理学与天文学有关.赫然排在第一位的,是美国科学设备LIGO对双中子星合并时辐射出的引力波的探测；而排在第三位的是,美国人用一种重量仅仅和一台微波炉相当的便携式探测器捕捉到了中微子.这项成就有多了不起？要知道,过去物理学家为了捕捉中微子,往往需要利用成千上万吨的水.比方说,中国大亚湾中微子实验每个探测器重110吨,这在同类实验中已经是很小的探测器了.为什么探测中微子这么难？因为中微子参与的物理过程都非常微弱,这类物理过程的专业术语叫弱相互作用,在地球的自然物质中,这些过程仅仅发生在原子核中.谁能够想到,物理学家们去年就能用一台微波炉大小的探测器探测到中微子呢？
其实,帮助物理学家们探测到中微子的物理学原理早在43年前就被理论家提出来了.本来,我们探测中微子的过程可以叫做反贝塔衰变,这是什么意思呢？原来,原子核释放出中微子的多数情况是通过贝塔衰变：原子核中的一个中子变成了一个质子加一个电子加一个中微子.那么,反贝塔衰变就是一个质子吸收了一个中微子后变成了一个中子加一个正电子.我们知道,水分子中的氢原子的原子核就是质子,所以,这个原子核吸收了一个中微子之后,变成了一个中子和一个正电子,正电子遇上电子就会变成光子,这些光子会被探测器探测到.以上描述的探测中微子的过程是多数中微子探测器的原理,那么,43年前提出的原理是什么？这个原理和反贝塔衰变完全不一样,在这个过程中,中微子根本没有被原子核吸收,只是通过某种过程轻轻地推动了一下原子核.说起来好像很简单,但是,在过去几十年中,没有人会想到这种方法能够实现.我说了《科学》杂志评选出来的第三大科学突破,也提到了第一大突破：LIGO探测到中子星合并发出的引力波.为什么我会同时提这两个突破？因为,我也期待有一天,人类会用很小的探测器探测到引力波,而不是像LIGO这样有几公里大小的庞然大物.
刘慈欣在他的科幻小说《三体》中幻想过引力波天线,他的引力波天线比LIGO还要厉害,不仅能够接收引力波,还能够辐射引力波,需要一个巨型星舰来运载.我在科普著作《三体中的物理学》中曾经预言过LIGO将在2016年探测到引力波,当然,我也讨论了刘慈欣的引力波天线是否可能.我当时的结论是,人类也许需要数百年才能积累足够的科学技术实现引力波天线.我在那本书中没有列出需要数百年的理由,但我确确实实通过材料科学以及引力波物理学粗略地估算过.
但是,去年探测中微子的突破让我重新思考这个预言,所谓“理性”的预测真的可信吗？也许我还是过于保守了,当我们利用已知的知识做预测的时候,这种预测往往是保守的,就像当年人们通过火车来想象汽车.
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