2015 年诺贝尔物理学奖为什么授予「中微子振荡」？该发现对物理学界和普通人有什么影响？ 第1页

由于看的人多了我觉得还是要说明一句，本回答选择了一个比较偏的理论角度来讲述为什么一开始人们可以假设中微子没有质量和不能假设电子没有质量（虽然实验上一早就测到了电子质量，但不妨碍理论家事后诸葛亮），关于中微子振荡的实验、历史和原理细节请参考其他几位答主的答案，本答案可最为一些知识补充来看待。

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谢邀（我还是第一次接受邀请，因为很多其他邀请我并不了解）。

首先是对于学界的影响，中微子振荡的发现太重要了，过去的标准模型里，中微子是没有质量的，而中微子振荡正说明了中微子必须要有质量。关于为什么一开始认为中微子没有质量并不是想当然的，而是有实验和理论两方面的原因。

原因之一，实验上的：很简单的，那时候人们并没有中微子有质量的证据（或许实验上还有更复杂的原因，我了解不多）。然后我们会说其他轻子或者夸克都有质量，凭什么中微子没有？可不可以有？

所以原因之二，是理论上的（抱歉，这个故事会有点长）。首先要问的是，夸克和带电轻子为什么要有质量？夸克和带电轻子获得质量的机制我们已经清楚，和13年诺贝尔奖有关，就是Higgs场获得非零真空期望值，然后通过Yukawa相互作用使得这些费米子有质量，这个Yukawa相互作用是同时涉及费米子的左手部分(Weyl旋量)和右部分的，换句话说，我们知道标准模型是有手征性的，费米子的左手场和右手场分别在弱相互作用下的表现是不同的，而Yukawa相互作用是把两种场“捆绑起来”的某种相互作用。

在标准模型中，手征的、具有弱相互作用的偶数维表示(比如左手上夸克和左手下夸克构成的双重态)的费米子会导致几种叫做“反常”的问题(具体的有手征反常、Witten全局反常、引力反常等)，这个东西解释起来复杂，反正如果模型里面有反常，这个带有这种费米子的相互作用理论就是不自恰的。这种模型能够存活的条件是：所有手征费米子贡献的反常的量相互之间正好完全抵消。在标准模型里一共6个反常相消的条件给出6条独立的关于费米子的数量、种类以及它们在各种相互作用中的“荷”的方程，在标准模型里把我们已知的所有粒子的荷带进去，我们发现这些方程正好都成立，非常漂亮。那么如果我们去掉一些粒子会怎么样呢？比如去掉一代轻子，或者去掉一个右手电子单态，会发生什么呢？首先，去掉右手电子单态会使得电子的Yukawa相互作用无法写出来，因此电子无法通过Higgs获得质量，这样电子就没有质量了，但是这样可行吗？答案是否定的，因为你把这个单态去掉了之后，前面那6个方程就无法成立了，所以反常相消的条件要求了这个模型里要有这个电子单态的存在，从而从另一个理论上的要求：所有被对称性允许的可重整化的相互作用都要被包含在模型中，于是电子的Yukawa耦合也要存在，于是电子就会获得质量。

那么这关中微子什么事呢？忧伤就忧伤在，反常相消只限制了电子这些粒子必须存在而且必须携带什么荷，但是却不限制右手中微子单态的（假如存在的话）。因为就算不加入右手中微子，那6个方程本身就成立，而加入随便多少个不带任何标准模型荷的右手中微子并不影响反常相消条件的方程，因为相当于在方程中加上一堆0，并没什么影响。所以一开始人们出于简单性，直接假设没有右手中微子，那么当然也就没有中微子的Yukawa相互作用，于是也就没有中微子质量了。

中微子振荡正是粉碎这一简单原则的一大现实，假如中微子如前面那一大段所说的，没有右手场于是没有质量，那么它就不会有振荡现象，因为发生振荡现象的基本条件是：粒子同时参与电弱相互作用和Yukawa相互作用，而且Yukawa相互作用产生了粒子的质量后，要求粒子的质量本征态与电弱相互作用的本征态不同。 这是一个量子力学问题，而如果质量为0，那么中微子的质量本征态简并，就随便怎么混合都依然是质量本征态，那么我们总可以选择一组基底，使得电弱相互作用被对角化，那么它就同时是质量以及电弱相互作用的本征态，不会有振荡现象出现了。那么为何两个本征态不同了就会有振荡呢？因为产生中微子的过程一般是弱相互作用，所以一开始制备出来的中微子是弱相互作用本征态，然而粒子在传播过程中是由质量本征态描述的，于是你化到质量本征态去看它们的传播就会发现制备出来的中微子其实是不同质量的中微子的叠加态，然而传播过程中它们的频率和它的能量有关，于是质量不同的中微子能量不同，传播时的频率也不同，经过一定的时间后它们的相位就错乱了，最终，你的探测器要探测它们又是只能通过弱相互作用，这时相位不同的物质波无法完全构成相互作用本征态时应有的相位，于是当你的探测器就只能探测到一部分粒子，比如测到第一代相互作用本征态的中微子的信号时，就表现为这种中微子的通量相比于一开始产生的时候减少了，因为它们一部分转化为了其他类型的中微子(弱作用本征态下)。

所以中微子如果有振荡现象，必定表示中微子至少有2代是有质量的（为什么至少是加入2代而不是1代？或者3代？这是另一个话题），总之，有振荡就有质量(反过来不一定，因为质量兼并时不会震荡)，这是个非常重要的证据，它表明，我们原本的不包含中微子质量的标准模型并不完善！

那么好啊，有质量的话我们往模型里加呗，但是要怎么加？最简单的办法是直接加至少两代右手中微子单态，其他的还有加三重态费米子(中性部分作为右手中微子)、加新的标量场...一大堆模型，但是它们哪个是对的，我们不知道，反正标准模型是不够完善的，这是我们最确定的。

前面说了那么多，还要回答对普通人有什么影响。我不知道，我可以谈点间接的影响，就是我们中国正在推行着关于中微子的重要实验，比如现在的江门中微子实验，以及之前取得重大成功的大亚湾中微子实验。这样的实验会推动很多技术产业的发展，比如光电倍增管，比如有机玻璃等的生产，有着大量这样的需求势必会推动这些产业的突破和进步，然后或许有什么生产这些东西的公司的股价就蹭蹭蹭网上涨，或者提供了好多就业岗位给普通人，诸如此类。不要小看了大型实验对社会的贡献，科学家们想的是兴趣，是真理，是现象，可能并不太关心能为社会带来什么经济上的好处，但是这样的好处自然而然的存在着，因为实验不是纸上谈兵，它需要物质，需要技术的支持。

我的答案大概不太好看，看到是中微子振荡拿奖有点激动（又不是我拿，激动个屁啊），于是心血来潮来答一下，也没仔细查什么资料，相信会有很多更好的答案出现的。