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致命中微子 LETHAL NEUTRINOS

Q.一個人要離超新星多近才能受到致命劑量的中微子輻射?

——唐納德·斯佩克特博士


A.「致命劑量的中微子輻射」這一說法很奇怪,我腦子轉了好幾圈才反應過來。

如果你不是物理專業人士,你可能不覺得有什麼奇怪,所以我要給你科普一下為什麼這個說法讓人很摸不著頭腦:

中微子就像幽靈一般,它幾乎不與任何物質發生反應。看看你的手——每秒鐘有約1萬億個來自太陽的中微子穿過你的手掌。

好了,別一直看著你的手了。

那麼你為什麼沒有感受到洶湧的中微子洪流呢?這是因為,這些中微子幾乎不與常見物質發生作用。平均來說,在這股中微子洪流中,每幾年才會有1個中微子直直「撞上」你身體中的某個原子。1

實際上,在中微子面前地球也幾乎是透明的,來自太陽的幾乎所有中微子都能絲毫不受影響地穿過地球。為了探測到中微子,科學家們建造了裝有數百噸物質的大箱子,希望能記錄到哪怕是一個來自太陽的中微子與這些物質發生碰撞的記錄。

所以說,如果一個粒子加速器(會產生中微子)想給世界其他地方的探測器發送中微子的話,它只需要直直地瞄準探測器就行了,即使探測器在地球的另一端也無所謂!

這就是為什麼「致命劑量的中微子輻射」聽起來很怪異——它把風馬牛不相及的數量級混在了一起。這就像說「用羽毛把你打倒在地」或者「裝滿了螞蟻的體育館」一樣,2如果你有數學背景,這有點類似於看到ln(x)e這樣的表達式——我不是說它字面上沒有意義,只是你很難想像哪裡會真的出現這種情況。3

同樣,你甚至都難以製造出足夠多的中微子讓它們中哪怕只有一個和物質發生反應,要想像在什麼樣的場景下會有足以對你造成傷害的中微子就更難了。

但超新星能夠提供這樣的場景。4問我這個問題的霍巴特和威廉姆史密斯學院的物理學家斯佩克特博士告訴我,他推測和超新星相關的數字時的經驗法則是:不管你認為超新星有多大,它們其實比你以為的更大。

讓我給大家直觀地比較一下。按照你的視網膜所接收到的能量來算,以下兩者哪個更亮:

在一個日地距離以外觀看一顆超新星,還是在你眼珠前爆炸的氫彈?

求你快點引爆這個炸彈吧,它太重了。

運用那位物理學家的經驗法則可知,超新星更亮一些。其實它們差了……整整9個數量級。

這也正是這個問題的優雅之處所在:超新星巨大到難以想像,而中微子又飄渺到難以想像。在哪個距離上這兩個難以想像的事情會相互抵消,並對人體產生影響?

輻射專家安德魯·卡拉姆的一篇論文給出了答案。這篇論文指出,在某些超新星核心坍縮成中子星的過程中會放出多達1057個中微子。(每個發生坍縮的質子都會放出一個中微子。)

卡拉姆計算出在1秒差距5距離上的中微子輻射劑量約為0.5納西弗,也就是吃一根香蕉所受輻射的1/500。6

致命劑量的輻射量約為4西弗。利用平方反比律,我們可以計算出輻射劑量:

2.3個天文單位比太陽和火星之間的距離要遠那麼一點。

發生核心坍縮的超新星此前都是巨大的恆星,因此如果你在那個距離觀看超新星,那麼你將位於恆星的外層內部。

GRB#0103898是觀測到的最為劇烈的超新星——尤其是對就飄在它旁邊的人來說

中微子輻射傷害的計算進一步加深了你對超新星究竟有多大的理解。如果你在一個天文單位外觀察超新星——並且通過某種手段你沒有燒起來,也沒有氣化,或是變成某種奇異等離子體——那麼單單是洶湧而來的幽靈般的中微子就足夠置你於死地。

如果速度夠快的話,一根羽毛也絕對能把你撞倒。

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1.如果你是個孩子的話頻率可能更低一些,因為你身體裡的原子也少嘛。從統計學角度來看,中微子第一次撞擊到我身體裡的某個原子應該是在我10歲左右的時候。

2.只佔全世界螞蟻的1%還不到。

3.如果你想為難剛學微積分的學生的話,問他們ln(x)e的導數是什麼。看上去應該是1或者其他什麼簡單的表達式,但其實不是。

4.拼成supernovas還說得過去,拼成supernovii就算了吧。

5.約3.262光年,或者說比地球到半人馬座α的距離略短一些。

6.輻射計量表:https://xkcd.com/radiation