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莱因斯（Frederick Reines，1918—1998）原本是测试核武器的专家，也许是干腻了，1951年他提出申请，转行去搞与物理理论相关的课题。有一次因为飞机延误，他在堪萨斯机场候机时遇见了科温（Clyde Cowan，1919—1974），两人半开玩笑地聊起来，由于核爆炸时会产生大量中微子，如果在离核爆中心很近的地方挖一口井，让一个探测器在爆炸开始的瞬间自井口下落，有可能通过费米在1933年设想的反β衰变（质子在吸收一个中微子之后，释放出一个正电子而变为中子）而观测到中微子。他们一拍即合，很快成为合作伙伴。不过他们真正设计的实验是利用核子反应堆而不是在核爆炸现场。1953年，莱因斯和科温开始在一座功率较小的反应堆上进行实验，未能得到令人满意的结果。但他们并没有放弃，1955年又将实验搬到萨凡纳河国家实验室的大功率反应堆。这一回结果极佳，每小时可以观察到两个中微子。在进行了反复实验及核查后，他们最终确信中微子真的被观测到了，并在1956年6月14日公布了实验结果。莱因斯和科温在第一时间给泡利发去了电报，“我们非常高兴地告诉你，我们终于观测到了中微子，……测到的散射截面与理论一致”。泡利的回电虽只有干巴巴的两句，“谢谢来电。懂得等待的人，终会得到想要的东西”。不过他和朋友们喝了整整一箱香槟酒来庆祝。莱因斯因发现中微子而获得1995年诺贝尔物理学奖，科温却由于早逝而未能分享此一殊荣，成为一大憾事。
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莱因斯和科温的实验开启了进一步研究中微子特性的大门。大量的实验揭示出中微子的另一怪异特点—具有与众不同的手征性。手征性可以用陀螺作为一个简单的例子来粗略说明：陀螺一头尖一头平，以尖的一端作为参照，就可以定义旋转的陀螺的转动方向（即手征性）—顺时针或逆时针。基本粒子也具有手征性。不过在粒子物理中不说顺时针与逆时针，而说左旋与右旋。对大多数粒子来说，左旋与右旋是对称的，即如果存在具有左旋的某种粒子，就一定存在具有右旋的同种粒子。假如一个具有左旋的粒子去照镜子，镜子里看到的就是一个具有右旋的同种粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同种的右旋粒子而结果不变，这种相互作用就具有手征对称性。然而令人费解的是，实验中观测到的中微子都是左旋的（反中微子则都是右旋的），世上似乎根本不存在右旋中微子。没有右旋中微子的一个直接结果是，如果能让一个中微子去照镜子，镜子里就将什么都没有！有人怀疑中微子的这种不对称性也许与宇宙的形成有关，可能是揭开宇宙中物质与反物质高度不对称之谜的关键。
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莱因斯和科温在汉福德中微子实验控制中心（1953）
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首次探测到中微子靠的是核子反应堆。其实太阳就是一个超大型的反应堆，它所发出的光和热是产生于发生在其核心的热核反应。由于需要穿过厚厚的等离子体，在核心产生的能量要经过上百万年才能到达太阳表面。也就是说，我们现在沐浴的阳光是产生于百万年之前的。但是热核反应中产生的大量中微子却可以几乎不受阻滞地直达表面、飞离太阳。这就意味着，通过研究目前收到的太阳中微子，人们可以了解一些百万年后太阳能的状况。20世纪60年代末，巴赫恰勒（John Bachall，1934—2005）借助基本的核物理和天体物理知识，从理论上计算了来自太阳的中微子流量。为了核实他的计算结果，巴赫恰勒建议他的朋友、实验物理学家戴维斯（Raymond Davis，1912—2006）进行一项测量太阳中微子的实验。为了排除其他外界因素的干扰，戴维斯将实验室设在美国南达科他州的一个一千多米深的废弃矿井里。根据巴赫恰勒的计算，戴维斯应该每星期观测到大约10个太阳中微子，然而实际观测到的仅3个左右（这项实验后来为戴维斯赢得了2002年的诺贝尔物理学奖）。不少核物理学家用不同的模型对太阳的中微子流量进行了反复的计算，得出的结果都与巴赫恰勒的结果一致。然而戴维斯的实验也无懈可击，他有一条非常过硬的论据：如果是外界的其他来源造成了“污染”，观测到的中微子数目只会比理论上的更多而不是更少。理论与实验的巨大差异不但在物理界引起轩然大波，就连大众媒体也掺和进来了，诸如“太阳病了”之类的文章随处可见。
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其实解开这个谜团的钥匙在几年前就已经被庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo，1913—1993）打造好了，只不过在当时没有引起多少人的重视。庞蒂科夫是出生在意大利的犹太人，曾在费米领导的著名研究小组中工作过，一直从事核物理方面的研究。“二战”时为了躲避纳粹的迫害，流亡到美国，后来去了英国并参与过英国的原子弹计划。可他同时又是苏联克格勃的间谍，1950年叛逃去了苏联。在60年代初，物理学家们就已经知道中微子应该不止一种。常见的中微子是与电子相关联的电子中微子，此外还有与另两种轻子µ子和τ子相关联的µ中微子和τ中微子。这三种中微子在物理上可以用具有不同的“味”来加以区分。庞蒂科夫在1967年提出了一个大胆的设想：如果中微子的静止质量不为零，中微子就可能“变味”，即电子中微子可以自动变成µ中微子、µ中微子可以自动变成τ中微子、τ中微子又能自动变成电子中微子，循环往复—这就是著名的中微子震荡。然而物理界普遍相信中微子是以光速运动的，根据相对论，以光速运动的粒子其静止质量只能为零。这也是庞蒂科夫的理论无人问津的根本原因。有意思的是，庞蒂科夫的理论却为太阳中微子的难题提供了一种非常自然的解释：太阳的核反应中产生的中微子虽然只有电子中微子（为此戴维斯设计的实验只探测电子中微子），但如果它们在飞往地球的旅程中不断重复电子中微子→ µ中微子→τ中微子→电子中微子的循环，那么实际到达戴维斯的探测器时，就是三种中微子，而不是单一的电子中微子。因而测到的电子中微子数量当然就只有出发时的1/3了。由此看来，巴赫恰勒的计算和戴维斯的实验都没有错。为了证实来自太阳的中微子真的是三种“味”的混合体，1999年在加拿大萨德伯里一个三千多米深的矿井里安排了可以同时探测三种“味”的中微子的精密实验，此次实验测到的中微子总流量与理论计算值完全吻合，从而给“太阳中微子丢失”之谜画上了一个完美的句号。庞蒂科夫若不是具有上面所说的那种复杂背景，他应该有可能因提出中微子震荡理论而获得诺贝尔奖。
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自70年代以来，为了研究中微子震荡，进行了大量的科学实验。其中最典型的是一系列测量不同“味”的中微子之间振荡概率（用来决定一种中微子转换成另一种中微子之可能性的大小）的实验。振荡概率一共有三种，其中两种的数值已经被准确测定，分别为0.861和0.97。还剩一种，由于其数值比较小，因而难以测定。确定第三种振荡概率正是目前中微子实验的热点。
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OPERA大概可以算是目前规模最大的中微子实验。它运用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织（CERN）超级质子同步加速器产生的高强度、高能量的µ中微子束向730公里之外、位于意大利中部的格兰沙索国实验室传送，其目的是观测µ中微子与τ中微子间的振荡现象。2010年5月31日OPERA公布了从µ中微子束中探测到的τ中微子现象，为中微子振荡提供了相当过硬的证据。一年多之后，OPERA又在物理学界投下了一颗新的巨型震撼弹。在一篇由174名科研人员署名的论文里，他们宣称实验中所测到的中微子速度比真空中的光速还快了6米/秒。这自然立即成了科学界的头号新闻，因为此一结果如若真的属实，则将动摇作为近代物理学两大基石之一的相对论，整个物理学就可能发生翻天覆地的变化。尽管绝大多数物理学家都对这项实验结果持怀疑态度，有些理论物理学家却已经开始筹谋为相对论寻找出路了。他们希望在现有的相对论框架下（即仍然保持真空中光速不可超越），为OPERA的这项实验提供一项合理的理论解释。比如有人提出，按照流行的宇宙学理论，在构成宇宙的全部物质中，暗能量占73％，暗物质占23％，真正能“看到”的物质仅占4％。假设暗物质真的无所不在，如果它与光子间有哪怕极微弱的一点相互作用（这是一个很强的假设，因为到目前为止还没有什么证据显示暗物质能与任何其他物质发生相互作用），那么我们所测量到的光速或中微子的速度就不是真空中的速度，而是它们在介质（暗物质）中的速度。在介质中出现超光速现象是不足为奇的，也不会动摇相对论的理论基础。正当这些理论物理学家们摩拳擦掌准备抢占新的理论制高点时，2012年2月突然又从圈内传出让人瞠目结舌的消息：OPERA公布的实验结果也许是个超级大乌龙！测到的中微子超光速数据可能只是由于电脑光纤的接头松动而导致的误读。科学实验就是这样，有时候会让人空欢喜一场。
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尽管OPERA闹了一个大笑话，中微子震荡依然是物理学界的热门话题。不久之前，从我国大亚湾核电站传出一个振奋人心的消息，由250名来自六个国家的科研人员组成的大亚湾中微子实验国际合作组获得了中微子第三种振荡概率的可靠数据。在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了六个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、标度、修正和数据分析。结果表明中微子第三种振荡概率为0.092、误差0.017，从而首次证实了这种新的中微子振荡模式的存在（在此之前，日本、美国和法国的实验室也曾测量过这一振荡概率，但由于误差较大，无法给出决定性的结论）。不少权威人士认为，如果最终证实实验结果准确无误，它有可能成为首个在中国国内完成的获得诺贝尔物理学奖提名的科研成果。
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从泡利预言中微子的存在到今天，八十多年已经过去了，人们对中微子的认识与那时已不可同日而语。然而仍然有一些根本性的问题有待从理论上和实验上加以解决和证实。一个例子是，目前有两种比较完备的中微子理论，一个由狄拉克提出，另一个来自物理奇才马约拉纳，二者都可以对现存的所有实验给出完美的解释。如果中微子的静止质量为零，则这两个理论永远分不出优劣。然而一系列有关中微子震荡的实验，基本肯定了中微子是有质量的，因而对这两个理论的最终判定也许已为期不远了。八十多年来，中微子不时给物理学界制造些“麻烦”，有时也带来些意外的惊喜。我们对它的认识也在不断深入。今天已经有人开始从技术层面上考虑如何利用中微子的特性来造福人类，比如中微子可以穿透几乎任何物体，如果能对它的发射和接收有效掌控，它可能成为长程通讯的理想载体。总之，中微子的故事仍在继续，而且还会持续很久。
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三汤对话 哥白尼原则之争
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哥白尼原则是由数学家兼天文学家邦迪在20世纪中期提出来的一种哲学陈述：在宇宙间，地球并不处于中心的优越地位，人类也不具有一个特殊观测者的身份。这个概念后来被进一步扩展为在宇宙间没有一个观测者占有特别的位置。哥白尼原则这个名词虽然在六十多年前才开始使用，但其思想早在哥白尼于1543年发表日心说（地球围绕太阳运行，而不是太阳围绕地球运行）的时候就已经诞生了，而且自那时起就一直是天文学和宇宙学的一条重要指导原则。哥白尼的日心说把地球的地位从宇宙的中心降为太阳系中的一颗普通行星，伽利略的望远镜又进一步发现太阳也不过是银河系里数不胜数的恒星中的普通一员。
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不过，对哥白尼原则的质疑和挑战也从来没有停止过。且不说来自宗教方面的强力抵制，单在科学方面它也遭遇过一次又一次的冲击。在20世纪初，著名荷兰天文学家卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851—1922）根据当时所掌握的天文观测结果，推论出太阳系位于银河系的中心，而银河系则是孤悬于宇宙中的一个“宇宙岛”。这就赋予了太阳系一个特殊地位，以致很多人都以为哥白尼原则从此被打破了。然而，仅仅十几年之后，大量新的观测结果就显示出太阳系不但不在银河系的中心，而且像银河系这样的星系在宇宙中比比皆是。
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另一次对哥白尼原则的严峻挑战也发生在1900年左右。当时流行的一种关于行星形成的理论认为，只有在另一颗恒星曾经非常接近太阳的情况下，围绕太阳运行的行星才有可能生成。尽管宇宙中类似于太阳的恒星多如牛毛，但由于两颗恒星非常接近的概率极低，因此伴有行星的恒星可能只太阳系一家，也就是说太阳系具有其独特的地位。要想推翻这一理论，就必须找到太阳系外的行星。这可比否定前面提到的卡普坦理论难得多了。虽然科学界多年来一直普遍相信应该存在太阳系外行星，但相信与证实之间是有一条巨大鸿沟的。这主要是因为天文望远镜的分辨率有它的极限。分辨率就像尺子上的刻度，我们无法拿尺子去量一个比其刻度小很多的东西。如果用d表示某个行星与它所围绕运行的恒星之间的距离，用R表示该恒星到地球的距离，要想在天文望远镜里将这个行星与对应的恒星区分开来，望远镜必须大体上能分辨到d/R（以弧度角为单位）的精度。以地球到太阳的距离作为d的估计值，即使是离地球最近的恒星（太阳除外），其d/R的数值也只有大约0.000004。再加上恒星很亮而行星要暗得多，这就使直接“看”到太阳系以外的行星极为困难。证实在太阳系之外存在行星，是最近十几年的事（首例是在1992年）。它们中的绝大部分是靠观测恒星的运动或亮度变化而推断出来的。真正能“看”到的太阳系外行星只有屈指可数的几颗。
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到目前为止，已经观测到了五百五十多颗太阳系外行星。毋庸置疑，今后被观测到的太阳系外行星的数量还会以更快的速度增加（据估计，光是我们所在的银河系里就有大约500亿颗行星）。人们现在最感兴趣的已经不是找到多少行星，而是寻找具备生物生存条件的行星。最近，法国科学家利用极复杂的计算机模拟方法，论证了距地球20光年的Gliese 581d（围绕恒星Gliese 581运行的一颗行星）具有潜在的可居住性。它的轨道离Gliese 581不远不近，拥有大气层，表面温度可允许液态水存在。这些都是能够产生和维持生命的有利条件。当然，这仅仅是推断。以现有的技术，要想直接知道太阳系外行星上的确切状况，是完全不可能的。主要原因之一是行星围绕运行的恒星所发的光太亮。所以有些科学家建议用火箭及一种尚属保密的技术，将一块足球场大小的“遮阳板”放到太空里去。利用这块“遮阳板”挡住来自恒星的光，就有可能直接观察到行星表面的情况（比如是否有山川、河流），以及分析大气层的成分和构成该行星的物质。不过这项计划是否真能付诸实施尚在未定之天，主要是经费问题，少说也得十几亿美元。
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虽然已经证实了太阳系外行星的大量存在，但围绕哥白尼原则的争论并没有因此而止息。随着越来越多太阳系外行星被发现，争论的主战场已经从寻找行星转移到了是否存在地球外生命等方面。应运而生的天体生物学就是对地球外生命进行综合研究的一个新学科。
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以现有的技术水平，不要说去太阳系之外的行星，就是想登上太阳系的其他行星去寻找生物也不是件容易的事。不过有一点是不难想象的，就是这些行星上的自然环境可能会比地球表面要恶劣很多倍。根据美国国家航空航天局火星探测器发回的资料，基本上可以肯定生物不能在火星表面生存。但这并不意味着在火星表面之下的岩层深处生物也不可能生存。尤其是有迹象显示火星上曾经有过水及现在在表面之下还存有大量的冰，这就更增加了在岩层里发现火星生物的可能性。尽管现在还无法到火星上去挖掘，但先看看地层深处的岩石中是否有生物生存却是可能的，也是很有意义的。2007年被《时代周刊》列为世界上最具影响力的100人之一的普林斯顿大学教授斯托特（Tullis Onstott）是这方面的先驱。但在90年代中期，当他首次提出到南非金矿中距地面之下数公里深处去寻找可能存在的生物时，整个科学界都认为这是异想天开。他甚至连资助这项研究的基金都申请不到，因而不得不自掏腰包，拿出6000美元，来开始他的导致划时代发现的“地下之旅”。幸运的是，他很快就发现了能在地下5公里深处生存的微生物。这些微生物生活在我们通常认为生物根本无法生存的环境之中，它们不但能“动”，而且还能分裂。虽然这种分裂可能一个世纪才发生一次，但毕竟说明它们可以复制自己，这是生物体的关键特征之一。几年之后，斯托特和他的同事们又在地下深处的岩层里找到了一种奇特的细菌，它们在暗无天日的环境中可能已经生存了300万至4000万年，仅靠周围岩石放射性衰变释放的辐射能量、极少量的矿物质和从岩缝中渗漏下来的一点点水分来滋养。它们不仅有DNA、能够“传宗接代”，而且明显还活着！斯托特的研究团队给这种了不起的细菌起了一个具有特别含义的名字：Desulforudis audaxviator（拉丁文，意思是嗜热且大胆的旅行者。出自凡尔纳的著名科幻小说《地心游记》中李登布罗克教授得到的一张羊皮纸上所写的一句话，这张羊皮纸是引导他进行地心探险的指南）。
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像斯托特这样到地球上那些环境极差的角落去搜寻生物，一直是天体生物学的一项重要课题。除了岩层里，人们在南极的冰层之中和碱性极高的荒漠土壤里都发现有微生物可以生存。这些发现从侧面支持了地球外可能存在生物的看法。不过，不论是在地下深处的岩层里还是南极的冰层中找到的生物，它们毕竟是地球上的生物。最有希望发现真正地球外生命的地方，还是大家都熟悉的火星。在孩童的时候，很多人大概都听过或看过有关火星人的科学幻想故事。遗憾的是，现在已经百分之百地证实了火星上没有火星人。不过，火星上还是可能存在或存在过生命的。几十年来，关于火星上是否有生物的论争已经反复了好几次。第一次高潮是1976年7月及9月美国的海盗1号和2号探测器在火星着陆，由天体生物学的先驱者莱文（G. V. Levin）设计的一项实验“证实”探测器挖到的火星土壤样本中有某种生物体。这在当时是爆炸性的新闻。可没过多久，这一结论就被一些别的科学家推翻了，因为莱文的实验结果也可以用样本中存在某些其他非生物体的物质来解释。第二次高潮则是在1996年，美国国家航空航天局的麦凯（David McKay）等人在最权威的科学期刊《科学》上发表了一篇关于在编号为ALH84001的火星陨石里发现生命迹象的文章。其实麦凯在该文中还是比较留有余地的，他只说发现了可能是来自微生物的残留物，并没有说发现了微生物的化石。不过在媒体的炒作下，这一研究结果很快被外界解读为“火星上有生命的证明”，其震撼效应可想而知。连美国前总统克林顿都在演讲中专门提及此事，“如果这一发现被确认，它将肯定是有关我们宇宙的最惊人的科学发现之一”。与莱文的命运颇为相似，麦凯的发现不久就受到了科学界的质疑，至少有8篇论文指出这些残留物可以产生自其他非生物的过程。不过麦凯和他的支持者们并没有投降，这方面的争论起起伏伏一直持续到今天。
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两次大起大落之后，相关领域里的科学家们都意识到在这个问题上下结论必须慎之又慎。一项甚至某一方面的孤立证据是远远不够的。近年来最受人关注的新发现是在火星的大气层里观测到大量的甲烷。在地球的大气层里，90％的甲烷都产生自生物体。因而这一发现很可能意味着火星上有或有过生物体。这方面研究的重量级人物之一是美国国家航空航天局的马马（Michael Mumma）。他所领导的研究组对火星大气层中甲烷含量的分布做了系统的测量，这项工作目前还在进行中，他们希望绘制出尽可能完整的火星甲烷分布图，然后用这张图与已知的火星表面上可能有过水或表层之下可能有冰的区域进行对照（生物体与水密不可分），以期能定位出几个最有可能存在生物的地方。这对将来发射探寻生物的火星探测器具有重要意义，因为探测器的活动范围有限，能否降落在“正确”的地区是极为关键的。
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马马和他的同事们所进行的工作非常烦琐和细致，需要极大的耐心。这不是大多数急功近利的人愿意干的。马马这个人也确实与众不同，他能成为一名科学家这件事本身就有点不可思议。马马的家庭属于福音联合弟兄教会的基本教义派，换句话说，就是出身于一个宗教信仰极强的家庭。然而他从小喜欢独立思考，11岁时就用在学校学到的科学知识来质疑牧师关于上帝创造世界的说法。他的家族自1731年移居美国后，一直生活在宾夕法尼亚州乡间的农场里。马马是第一个离开农场出去闯世界的。他不仅选择了科学研究作为自己的职业，而且目前所致力的工作更直接挑战宗教的一个基本观点—地球是唯一有生物的地方。
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要想最终给火星上是否有生命这个问题画下句号，必须靠登陆到火星上的实地考察。计划于今年年底发射的“火星科学实验室”比以前在火星上着陆的各种探测器都先进很多倍，它上面有一套叫做火星样品分析的仪器，目的就是对火星的大气、水文、土壤、岩石等等进行精确和系统的分析，希望能发现生命存在的蛛丝马迹。不过，美国国家航空航天局这回刻意避免使用“探测生命”之类的字眼，生怕再一次误导民众。另外，欧洲空间局与美国国家航空航天局还联手制定了新一代火星生物探测计划（ExoMars）。其中预定于2016—2018年发射的探测器可能会携带把样品送回地球的装置，如果真能实现，对火星的研究将进入一个新纪元。
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