海底的巨型机器，正在捕捉来自宇宙的幽灵粒子海底的球形森林1×1:30中微子为什么像幽灵4:38为什么要把望远镜放进海里7:29中微子撞上水分子的瞬间10:06海底望远镜与南极冰立方11:50中微子已经让我们看见什么13:50机器是人的延伸0:0014:450:00主播如果你潜入西西里岛外海，突然会被九百多颗神秘的球包围。它们先被一颗颗串在绳子上，再卷成更大的球，放进海里。绳子展开后，整套结构的高度接近帝国大厦的两倍，一遍又一遍地铺开，最后变成一片漂浮球体组成的森林。0:20主播海面上，一座藏在废弃酒庄里的电脑一直盯着它们，等着信号。二〇二三年，它真的看到了某种东西：一个比电子还小得多的粒子，以接近光速的速度穿过这片森林，触发了一个信号。这个信号的强度，几乎是过去同类信号的三十倍。0:40主播这意味着，宇宙深处一定发生了非常巨大的事情。世界各地的望远镜都朝那个方向转过去，想看看那里到底是什么，却什么也没找到。科学家还在寻找答案，而这项疯狂的实验正在变得更大。0:56主播它也不是孤军奋战。在世界的另一端、南极冰层深处，还有五千多个这样的神秘球体。这里是 IceCube，那里是 KM3NeT。它们共同参与一项全球计划：用一种全新的方式，寻找并观察宇宙里最大、最极端的事件。1:14主播但要做到这一点，科学家得先捕捉物理学里最难捉摸的粒子。本期视频由 AT&T，也就是 HUGE If True 的官方连接合作伙伴提供支持。现在，我们从这种粒子本身说起。1:30主播想象一下，你和我登上一艘飞船，飞向距离我们最近的下一颗恒星。它大约在四十万亿公里之外。这个距离里，差不多能排下两千九百万个太阳。也就是说，我们要飞上七万五千年。这个距离，还只是银河系里恒星之间的平均距离。宇宙里的空间，确实多得离谱。1:54主播如果我们反过来缩小，缩到物理学中最微小的基本粒子那么大，那么恒星之间的距离，对我们来说就像原子核到我们现在的距离。换句话说，我们可以像在恒星之间飞行一样，直接穿过固体岩石里的原子。这就是中微子的感觉。2:12主播中微子是另一种基本粒子，和电子属于同一类基本构件，但它比电子小得多。假设把一个中微子放大到一毫米，人类就会像一整个星系那么大。很难真正想象，这些粒子到底有多接近「什么都没有」。2:30主播中微子的外号是「幽灵粒子」，因为它们几乎能穿过一切：恒星、行星、墙壁，甚至你的身体。每一秒钟，就有一百兆个中微子穿过你的身体。现在把拇指举起来，你那里正在发生的就是这件事。2:47主播但穿墙的能力，恰恰让中微子成为研究宇宙的好方法。因为到目前为止，我们用来理解遥远宇宙的东西，都有一个大问题：我们只能利用真正抵达地球的证据。3:00主播第一种选择是光。这里的光不只是肉眼可见的光，还包括所有由光子组成的东西：无线电波、红外线和伽马射线。第二种是宇宙射线，也就是能量极高、带电的粒子，科学家用它们研究深空的化学成分。第三种是引力波，也就是时空本身的涟漪。3:24主播这些方法已经告诉我们很多事情，但它们各自都有盲点。光会被挡住、反射，也会在途中变形；宇宙射线会被太空中的磁场抛来抛去；引力波只能告诉我们某个巨大的事情发生了，却不能告诉我们它做了什么，或者由什么组成。3:43主播所以，有些事情我们可能永远发现不了，因为证据在抵达地球的路上拐错了方向。中微子提供了第四种选择。它们的体积意味着，几乎没有东西能挡住它们；它们没有电荷，也就不会被电场或磁场扭曲。因此，中微子会以接近光速的速度，沿直线来到我们身边。4:05主播如果你能捕捉中微子，就能准确追溯它们来自哪里，甚至看见产生它们的东西内部发生了什么。可以把它想成医生给你做检查：可见光能让医生看见一些东西，但如果医生想看骨头——4:21现场嘉宾可以用 X 射线，对吧？X 射线之所以有用，是因为它和肌肉、组织、皮肤的相互作用，比普通光线小一些。4:32主播所以，捕捉中微子，就像给宇宙造出 X 射线视觉。4:38主播举个例子，宇宙里大约每十秒就有一颗恒星坍缩成超新星，释放出巨大的能量，把粒子以每秒四万公里的速度喷向宇宙。我们认为，这些爆炸是硅、氧和铁等元素的主要来源。这些元素组成了宇宙、行星，也组成了我们。你血液里的铁，就可以追溯到一颗超新星，所以这类事件被称作宇宙引擎。5:05主播科学家认为宇宙射线来自这些地方，但还不能确定，因为我们无法沿着宇宙射线的路径追溯回去。光可以显示超新星爆发后的景象，可是光要穿过核心周围那一大团致密物质，才能出来，需要很长时间。5:23现场嘉宾所以，如果你想知道超新星核心内部发生了什么，中微子就是你的信使。5:30主播等等。如果中微子之所以值得研究，是因为它们什么都能穿过，那你要怎么抓住其中一个？5:37现场嘉宾问题在于，中微子的相互作用太弱了。它们能穿过一切，这对它们来说很好，可它们也能直接穿过我们自己的探测器。5:48主播那要怎么研究一个几乎从来不和你发生作用的东西？答案是，造一台非常、非常巨大，也非常疯狂的机器。5:58主播我现在在意大利卡塞塔的实验室里。这里的人正在组装组成这项巨大海底实验的探测器。实验完成后，它会占据地中海里一立方公里的空间。它的名字就是「立方千米中微子望远镜」——KM3NeT。6:15主播严格说，这个项目由两台望远镜组成，我们现在重点看的是其中更大的这一台。每一颗球都叫作一个 DOM，里面装着大量精密设备，而且这些设备必须在深海里活下来。工作人员在这里手工组装每一颗球，一次装一半玻璃球壳。6:36主播先拿一块半球形玻璃，再放上眼前这块铝制部件，用一种特殊凝胶把它粘到位。要注意气泡。好了，装完了。工作人员让我在上面签名。6:49主播谢谢你！6:50现场嘉宾不客气。6:52主播这就是 HUGE DOM。接下来，HUGE DOM 还需要一个大脑：一台告诉它该做什么的微型电脑，以及三十一个这样的东西。它们是 DOM 的眼睛，也就是光电倍增管，要非常小心地装进这个三维打印框架里。7:09现场嘉宾考虑到这是你第一次做，总体来说，你做得不错。7:14主播这里最重要的一点是，这些光电倍增管对光极其敏感。每一根都足够敏感，可以探测到单个光子。这太夸张了，就像你站在飓风中，却能听见一滴雨落在一片叶子上的声音。7:29主播等一下，这是一台中微子望远镜，为什么我们要探测光？7:34现场嘉宾因为我们其实看不见中微子。7:37主播什么？7:38现场嘉宾即使今天每一立方厘米的空间里都有几百个中微子，我们也没有能直接看见它们的技术。7:45主播所以，科学家找到了一种很聪明的办法：去探测那些极其罕见的时刻——中微子真的撞上了某种东西。7:54主播从这个小小中微子的视角看，它诞生在某个巨大的宇宙事件里，比如超新星，或者喷出等离子体射流的超大质量黑洞。它逃出来之后，沿直线飞行十亿年。8:08主播它们并没有意识，也不是有意这样做的；如果它们有意识，这十亿年大概会非常无聊。然后有一天——它们来到这颗淡蓝色的小点，也就是地球附近。它们并不在乎地球在那里，毕竟它们已经穿过了很多东西。8:25主播但这一次不一样。这个中微子刚好穿过地球，又碰巧迎头撞上一颗质子。而那颗质子，恰好位于西西里外海的水分子里，或者南极的冰里。8:38主播听起来几乎不可能，可别忘了：每秒钟有一百兆个中微子穿过你的身体。从统计上说，总有一些会撞上什么东西。8:47主播当这种碰撞发生时，慢放来看：中微子撞上质子，把质子变成另一种更重的粒子。这个新粒子在水里的速度，比光在水里的速度还快。这也是 KM3NeT 位于水下三千五百米的原因之一。9:04主播没有东西能超过真空中的光速，但光在水里会大幅减速，所以某些粒子确实可以超过光在水里的速度。它们一旦这样运动，就会在身后制造出一个锥形的光波。9:17主播这有点像音爆吗？某个东西移动得比声音快，于是周围出现一个锥形的波？9:24现场嘉宾完全就是音爆。只不过这里不是超过声速制造爆炸声，而是超过光在水里的速度，制造出一道蓝色闪光。9:34主播这就是那些传感器能看到的东西。如果你睁大眼睛待在海水里，那确实是可见光，但这道闪光太微弱、也太快，你的眼睛很可能根本看不见。那些传感器就是为此制造的。9:49现场嘉宾这道光会被几百个，甚至可能几千个光学传感器接收到。9:54主播每一台探测器都必须完全相同，每一根光电倍增管也必须精准同步。实验完全建成后，地中海海底会有四千多个这样的探测器。10:06主播建造和测试十八个 DOM，也就是一整根探测串，大约需要一个月。然后，人们把这根探测串卷成它们所谓的 LOM，也就是这些巨大的球。它们会被投放到海里：顶部是负责把整套结构托住的浮标，底部是带着基座模块的锚。10:25主播从基座模块开始，一组粗大的橙色电缆一路连接到岸上，通往那座被改造成科学实验室的废弃酒庄。10:34现场嘉宾他们在那里把电脑都接到一起，然后某一天，科学家看着屏幕说：「等等，我觉得我们刚刚看到了一个中微子。」10:43主播但要确认电脑看到的只有这道特殊的蓝光，而不是别的东西，非常困难。海底的光虽然少，却不是零。生物发光的微生物会制造大量光子，还有各种从上方落到机器上的粒子。10:59主播为了把这些噪声筛掉，机器主要寻找那些小到能够穿过地球的粒子。所以，别把这个实验想成海里插着几百根绳子，探测器向上看着海面。更准确的想象是：它们组成了一台巨大望远镜的后端，而它的镜片是整颗地球。11:18主播KM3NeT 还要再过几年才会完全建成。它现在已经在运行，但还没有达到全部容量。南极地下有它的姐妹实验室 IceCube，也就是冰立方。冰立方已经运行了十多年。它不用海水，而是使用冰；单是把探测器放进冰里，本身就是一项巨大的工程。11:39主播两个实验主要都在观察穿过地球的中微子，但它们看到的方向不同。KM3NeT 看到的，和 IceCube 看到的，正好可以互相补足。11:50主播停下来想一秒：这件事本身有多不可思议。人类很厉害，但厉害的不只是这些基础设施，也包括我们已经用它们发现的东西。12:01主播二〇一七年，一个高能中微子穿过南极冰层，触发了 IceCube。科学家通知世界各地的团队，把望远镜转向那个方向。他们找到了一个正在爆发的活动星系，一个距离我们四十多亿光年的耀变体。12:17主播这个天体以前已经被可见光和伽马射线看见过，但直到中微子也被探测到，科学家才确认它是一台宇宙引擎：它是构成万物、包括我们在内的重元素来源之一，也是宇宙射线的来源之一。12:34主播那一刻开启了天文学的新阶段。我们可以同时使用四种信息：光子、宇宙射线、引力波，还有中微子，以一种完全不同的方式观察宇宙。为了得到这个结果，论文上有将近一千名科学家。12:51主播这是一件大事，但他们没有停下来。二〇二二年，IceCube 识别出了一个距离我们近五千万光年的活动星系。用普通望远镜，从地面上就能看见它，但它的核心完全被气体和尘埃遮住了，光线出不来，所以我们看不见内部。13:11主播中微子却能进去，也真的进去了。我们第一次看见了一台光线永远无法展示给我们的宇宙引擎内部。13:19现场嘉宾这是现代天文学里最令人兴奋的事情之一。它不只是中微子天文学的分水岭，也是整个天体物理学的分水岭。13:28主播而在二〇二三年，当那个穿过 KM3NeT 的最强信号出现时——科学家至今仍不知道它来自哪里——它告诉我们，中微子还藏着太多东西等着发现。13:40现场嘉宾它像是给了我们一只全新的眼睛，让我们看向宇宙。这是迄今为止人类经历过的真正独一无二的事件。13:50主播我们创造了一种观察宇宙内部的新方法。但我最喜欢这个故事的地方，不只是中微子能让我们发现什么，也包括这项努力说明了人类是什么样的生物。14:02现场嘉宾我以前是一名工厂工人。14:04主播你正在建造这样一件不可思议的东西，它会推动我们对宇宙的理解向前走。14:11现场嘉宾是的，我为此感到非常自豪。14:14主播这真的很棒。因为我们制造的机器，不就是自己的延伸吗？它们替我们充当大脑、眼睛和耳朵，把我们带到永远无法亲自抵达的地方，让我们看见永远无法亲眼看见的东西。14:29主播HUGE If True。如果你喜欢这期节目，想让生活里多一些乐观的科学和科技故事，可以订阅来支持我们的节目。别忘了，本期由 AT&T，也就是 HUGE If True 的官方连接合作伙伴提供支持。
