抱歉，物理学家说这种中微子激光行不通！

中微子是无处不在却又难以捉摸的粒子，它们充斥整个宇宙，每秒有数万亿个中微子穿过行星、恒星和我们的身体。这类基本粒子因其质量近乎为零、行踪飘忽不定，几乎不与普通物质发生相互作用，常被形容为“幽灵般的”粒子。

自1956年被发现以来，中微子不断以其出人意料的性质和行为让物理学家感到惊讶。例如，这类粒子有多种“味”，并且能像亚原子层面的变形者一样从一种味转变成另一种。中微子还可能是自身的反粒子，呈现出一种类似化身博士的量子二象性。而它们极其微弱的相互作用使其几乎无法被探测到。

去年，科学家提出了一个中微子激光的概念，似乎为这种粒子增添了更多神秘色彩。他们提出，可以将一团放射性原子云冷却到纳开尔文温度——只有星际空间温度的十亿分之一——从而产生一束集中的中微子束。

当原子被减速到近乎冻结的爬行状态时，它们会形成玻色-爱因斯坦凝聚体，并应作为一个量子相干整体行动，从而加速并放大其放射性衰变。物理学家当时认为，中微子作为放射性衰变的天然副产物，也应该被放大，这一过程应该能发射出一束类似激光的幽灵粒子束。

但麻省理工学院物理学家最新的工作表明，中微子激光概念以及一个类似的伽马射线方案都是不可能实现的。

在今天发表于《物理评论快报》的两篇配套论文中，麻省理工学院John D. MacArthur物理学讲席教授Wolfgang Ketterle与博士后研究员Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu共同给出了一项分两部分的论证，证明这两个概念在物理上从根本上就是不可能的。更具体地说，他们指出，中微子激光概念之所以站不住脚，是因为“反冲”（即反应产生的动能）以及中微子本质上的“费米子”特性。

Ketterle说：“这两篇论文可以说是第一拳和第二拳，每一篇都足以否决这个提议。”

麻省理工学院物理学教授乔·福马焦曾与本·琼斯（时任德克萨斯大学阿灵顿分校物理学副教授）共同提出中微子激光设想。他认为这些新结果是一个令人信服且具有建设性的挑战。

Formaggio说：“当一个新想法——比如我们提出的那个——被分享出来时，科学界的职责就是仔细审视它。这就是科学过程，事实上，很高兴看到我们的论文引发了超出最初设想的许多思考。我们猜想这种情况还会继续。”

量子放大器

中微子激光的设想建立在“超辐射”概念之上——这是一种此前只在光子中观察到的量子放大效应。

超辐射的一种形式发生在原子云被冷却到接近绝对零度时，此时原子的运动不再由热效应决定，而是纯粹由量子不确定性决定。在这种近乎静止的状态下，即所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚体”（BEC），原子作为一个量子关联整体同步运动。

如果光子以激光束的形式被泵入凝聚体，原子会同步地将光子沿同一方向散射回去。相比之下，室温下的原子云只会将光子向随机方向散射，最多产生微弱的辉光。当光子从原子上散射时，原子应当反过来“反冲”，就好像被撞击得向后退一样。

在玻色-爱因斯坦凝聚体中，由于原子同步反冲，它们沿同一方向散射光子的速率会呈指数增长。这种放大效应会产生光子的“超辐射”激光，科学家已经观察到了这一现象。

福马焦和琼斯（现就职于曼彻斯特大学）在他们的设想中提出，同样的超辐射效应或许也适用于放射性原子，因为这类原子在衰变时会自然发射中微子。如果将一团放射性原子云冷却形成玻色-爱因斯坦凝聚体，类似的放大效应应该会出现，并在原子同步衰变时产生一束集中的中微子束。

为了说明他们的观点，他们描述了一种情形：一团放射性铷原子云一旦被冷却成玻色-爱因斯坦凝聚体，其放射性衰变半衰期将从86天加速到1分钟。

迄今还没有人用放射性原子制造出玻色-爱因斯坦凝聚体。但如果能够做到，那么理论上这种量子态应该能产生中微子激光。

瞬时反冲

对Ketterle来说，这个想法好得令人难以置信。Ketterle是玻色-爱因斯坦凝聚体领域的顶尖专家，他在1995年共同发现了这一现象，并因此在2001年分享了诺贝尔物理学奖。他和他在麻省理工学院的团队揭示了玻色-爱因斯坦凝聚体及其他超冷物质中许多令人惊讶的性质，在这些物质中，原子能量处于最低状态。

Ketterle说：“我的经验一直是，凝聚体在低能量下能做出奇妙的事情——超流、涡旋——如果你在一个充满凝聚体的房间里说话，你要过一个小时才能听到我的声音。凝聚体就是这么慢，而且我一直得出的结论是，对于像核反应这样剧烈的事情，凝聚体不会起任何作用。”

与能量为1电子伏特的可见光子相比，原子衰变时自然发射的中微子能量要高出一百万倍。当中微子从原子中冲出时，这种发射会使原子产生比可见光子强一百万倍的反冲。

Ketterle说：“只要反冲原子留在凝聚体中，它就能使凝聚体产生超辐射，但当中微子以一百万电子伏特的能量发射时，原子的反冲速度相当于10马赫，比战斗机还快。如此之快，原子几乎会瞬间消失。”

即便如此，中微子激光的设想仍假设，逃逸的原子会在凝聚体中留下某种量子印记，告诉整个凝聚体沿着相同的类激光方向发射未来的中微子。

但在两篇新论文的第一篇中，克特勒及其团队通过理论分析表明情况并非如此。他们考虑了一个描述超辐射的模型，该模型决定了导致光子超辐射的条件。克特勒将这个模型应用于放射性原子和中微子的情形，考虑了粒子发射的能量范围，以及衰变原子产生的反冲和整个凝聚体的动力学过程。

这些计算表明，在团队考虑的所有情形中，超辐射都不可能发生。原子反冲得太快，无法形成任何量子印记。这就好像凝聚体瞬间失去了对所发射中微子的“记忆”，因此会继续像普通原子那样发射中微子，而没有任何增强。

反记忆

在第二篇论文中，麻省理工学院的研究人员指出，中微子激光概念不仅因物理反冲效应而不可能，还因为中微子的基本性质而存在缺陷。

他们发现，即使反冲原子确实在凝聚体中留下量子印记，这个印记也不是关于接下来发射什么，而是关于不发射什么。换句话说，对所发射中微子的记忆会告诉凝聚体向任何其他方向发射下一个中微子，从而阻止形成有方向性的中微子束。研究人员指出，这种相反的“记忆”，或者说“反关联”，源于中微子本质上是一种费米子。

费米子和玻色子是构成宇宙中所有物质的两类基本粒子。玻色子是自旋为整数的粒子，例如光子。相比之下，费米子（如电子和中微子）具有半整数自旋。粒子具有整数还是半整数自旋，决定了它在量子层面上如何与其他粒子相互作用。

Ketterle解释道：“超辐射涉及的是凝聚体中的记忆效应，或者说量子关联。在这种背景下，人们原本以为，无论从凝聚体中发射出的是玻色子还是费米子，都无关紧要，但我们分析了之后发现，如果正确描述发射出的费米子，你会得到一种反记忆，它使凝聚体不会以超辐射形式加速，反而具有不去那样做的记忆。”

克特勒、福马焦和琼斯曾多次会面，详细讨论最初的中微子激光设想以及克特勒对此提出的质疑。

Formaggio说：“我猜想总有一天会有人做这个实验，一如既往，大自然才是这类事情的最终仲裁者。在这里，我必须指出，此前所有关于中微子的预测都是错的。中微子有一点从不令物理学家意外，那就是它们从不缺少意外。”

Ketterle部分赞同：“要发现大自然的惊喜，需要科学家之间提出创造性的想法并进行讨论，但就中微子激光而言，这个惊喜好得令人难以置信。”

DOI：10.1103/8x7k-rwx2、10.1103/rnx6-wqpf