梶田教授二三事

翟向华

2015年度的诺贝尔物理学奖授予了日本科学家梶田隆章（Takaaki Kaiita）和加拿大科学家麦克唐纳（Anhur B.McDonald），以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。棍田隆章和他的团队在17年前发现了u中微子在穿越上千公里的地球大气层，最终到达位于日本本州岛中部的超级神冈中微子探测器（Super-Kamiokande）过程中，消失又再现。这提供了中微子振荡的确切证据，揭示出中微子质量虽小，但并不是无质量的。这是粒子物理学的一个历史性发现，改变了人类对组成物质的最小砖块的理解，并极大地提升了人类对宇宙的认知。

四年前，我们预言他将获奖

棍田隆章教授是日本物理学家、天文学家，现任东京大学宇宙线研究所所长。他与时任上海师范大学天体物理中心教授的倪维斗是好朋友。倪维斗教授是一位在国际引力学界享有盛誉的学者，一些著名学术刊物的编委。在倪维斗教授的建议下，我们中心邀请梶田教授来上海进行学术访问。这次访问的目的有四个。其一，请梶田教授介绍他所在的超级神冈中微子探测器如何发现大气中微子振荡的；其二，我们中心与东京大学宇宙线研究所签订合作协议，参与梶田教授领导的大型低温引力波望远镜（Kamioka Gravitational Wave Detector，KAGRA）项目；其三，由我们中心牵头，召开一次引力波探测学术讨论会，希望国内科研机构参加到KAGRA项目中去：其四，棍田教授有意赠送上海师范大学一套激光测距仪，以便开展激光测距实验工作。所以，棍田教授的访问日程排得很满，要确定的事情也很多，前三项工作都得到了落实，取得了完满的成果。而第四项由于种种原因没有变成现实。

早在1930年泡利（W.Pauli）在理论上提出中微子假设的时候，就认为中微子的质量很小或者无质量。1956年，莱因斯（F.Reines）和考恩（C.Cowan）发现了电中微子；1961年，莱德曼（L Lederman）、施瓦茨（M.Schwa～z）和施泰因贝格尔（J.Steinberger）发现了u中微子，这两次发现分别获得了1995年度和1988年度诺贝尔物理学奖。但是，当时的发现认为中微子是无质量的，因此在粒子物理的标准模型中，中微子是无质量的。粒子物理学家有句格言：凡是没有禁戒的就是存在的。没有什么物理定律不让中微子有质量。如果中微子有质量，那么中微子就会发生振荡。与别的基本粒子不同，u中微子可以由两个稍有不同的质量态混合组成。这两个质量态的频率不同，在飞行时它们之间的位相可以振荡。但是，我们无法在加速器上进行实验，因为振荡的距离太远了。加速器实验和运用反应堆的放射源的实验至今仅得到中微子质量的上限。

超级神冈探测器的前身是质子衰变探测器，位于飞觯市（Hida）神冈矿山的一个废弃砷矿的洞穴中。可惜科学家没有找到质子衰变的证据。这个巨大的探测器除了用于探测质子衰变外，只能用于研究中微子了。但是，失之东隅，收之桑榆。1986年底，经过改造的神冈探测器开始运行。幸运之神降临了，在翌年二月，大麦哲伦云的一颗超新星爆发，爆发释放出的一些中微子击中了神冈探测器。小柴昌俊因此而获得了2002年度的诺贝尔物理学奖。1996年神冈探测器再次改造升级，称为超级神冈探测器。它的目的是发现大气中微子振荡。实验是在5万吨纯水中进行的，用11000个大面积光探测器进行观测，终于发现了振荡现象。小柴昌俊曾说过，中微子振荡的发现一定会被授予诺贝尔奖。在棍田教授介绍了发现的艰辛历程后，我们曾对他说，他在中微子振荡方面的发现如此重要，将来一定会获得诺贝尔奖。梶田教授笑了笑，说：“谢谢你们大家的美好祝愿。”他沉思了一下又谦逊地接着说：“假如这项工作能获奖的话，更应该得奖的是我的恩师户塚洋二（Yoii Totsuka）教授，可是他已经离开我们了。”事实上，不仅是户塚，1960年代给出太阳中微子正确计算的巴考尔（John Bahcall）以及提出中微子振荡理论的蓬捷科尔沃（Bruno Pontecorvo）都更应该获得诺贝尔奖。然而，岁月无情，他们相继离世。蓬捷科尔沃于1993年逝世，遗憾地没有亲眼看到他的理论被证实。巴考尔也在2005年去世，不过他看到了自己的理论计算被棍田和麦克唐纳的观测所证实。

在引力波探测上的合作

棍田教授访问我们中心的第二个目的是我们中心与东京大学宇宙线研究所签订合作协议。协议规定，上海师范大学天体物理中心将参与KAGRA项目.双方人员定期进行学术交流，联合培养上海师大的研究生。

爱因斯坦预言了引力波的存在。但是迄今为止人类尚未探测到引力波，这是最大的科学未决问题之一。探测引力波的项目当然是一个有希望获得诺贝尔奖量级的项目。有一次笔者与棍田的助手宗宫健太郎教授谈论到大科学项目与发表文章的关系时，他十分惊讶中国学者为什么如此关心SCI文章的数量以及杂志的影响因子；我也十分惊讶。他居然不知道什么叫影响因子。联想到欧洲学术界也已经不再使用影响因子作为考核指标，笔者不得不感叹在科学研究上，不聚焦重大科学问题，只关心文章数量和杂志影响因子是没有出息的。

为了探测到引力波，应当建造出能感觉振幅为1/10的共振质量探测器。换句话说，对于一个一米长的棒来说，所探测的振动为10米量级。这样微小的距离能被测量到吗？从某种意义上讲，这是一个很容易回答的问题。因为测量的是上亿个原子的平均距离。作为一个类比，海浪可以高达数米乃至数十米，但是人造卫星可以将海平面的高度测量到1厘米的精度。目前的设备已达到非常可靠的地步，它们为世人提供了极佳的发现引力波信号的机会。

另一种设想是用激光干涉仪来探测引力波。分光器将光线分成两个路径，当引力波通过时，一个路径收缩，而另一个路径涨大。这样，我们就可以通过干涉仪在输出条纹图案上所形成的亮度变化探测到引力波的存在。通过量子力学的计算，要使激光干涉仪达到10的灵敏度，必须装备十万瓦的激光器和长达几千米的基线。

KAGRA是在建的一个3千米臂长激光干涉引力波探测设备，于2010年正式启动，目前正顺利推进，预计在2017年开始运行。项目的运行需要大量研究人员的投入，现在全球已有70多家科研机构的240多位研究人员参与，中国参与KAGRA项目的大学还有清华大学、中国科技大学、北京师范大学以及新竹清华大学等。

2011年8月上海师范大学天体物理中心主任李新洲教授与东京大学宇宙线研究所所长梶田教授签署了合作协议，开始了两校之间正式的合作研究。四年来，天体物理中心科研人员已有7人次赴东京大学进行合作研究，东京大学宇宙线研究所也有4人次来天体物理中心进行学术交流。上海师范大学天体物理中心的教授们还为KAGRA项目的一些设备采购陪同包括棍田本人在内的日方学者多次奔走于研究院所和工厂。

在梶田教授访问期间，还有一件趣事，他居然不知道鼎鼎大名的紫砂茶具有什么特殊功效。李新洲教授告诉他，用紫砂壶泡茶，久而久之，不放茶叶，壶中放清水也会发出茶香。当李新洲教授代表上海师大赠送一只上海师大特制紫砂杯时，他摩挲良久，叹日：“日中文化交流很有必要。”

梶田教授能再次获奖吗

当笔者获悉梶田教授得奖的消息后，立即发电子邮件祝贺棍田教授获奖并希望将来KAGRA项目也有如此的好消息。想想国内新闻界报道的莫言获奖后的忙碌，笔者原不期待这位新得主的回复，想不到百忙之中棍田教授居然及时回复了邮件，他写道：“谢谢你的祝贺。让我们共同努力，共同期待，在不久的将来，KAGRA会有好消息。”

KAGRA的好消息当然是指发现了引力波。这就圆了爱因斯坦百年前的梦。那么，梶田教授当然有望第二次获得诺贝尔奖。目前在地球上许多不同地方的天线几乎一刻不停地运转着，期待着某个超新星或银河系中心的看不见的引力坍缩出现。概率当然不大，但设备已达到非常可靠的地步，为世人提供了极佳的发现引力波信号的机会。通过测量脉冲星信号的残差来探测宇宙中的超大质量黑洞产生的引力波，目前做得最好的是澳大利亚PPTA（Parkes Pulsar Timing Array）组。我国在建的FAST（Fivehundred meters Aperture Spherical Radio Telescope）望远镜和参与的SKA（Square Kilometre Array）计划也在探测引力波的竞争行列。已经建成并运行的激光干涉仪引力波天文台主要有美国的LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）和欧洲的VIRGO，目前两者都在系统升级之中。在不久的将来，科学家期待它们看到中子星或者小黑洞并合所产生的引力波辐射。此外，还有欧洲的空间激光干涉引力波天文台LISAfLaser Interferometer Space Antenna），预计2020年或者更晚一些可以发射并投入运行。是KAGRA，还是别的团队胜出，我们不得而知。肯定的一点是，科学事业一定会不断进步，诺贝尔物理学奖也一定是授予勇于攀登科学高峰的人们。