摘 要 研究了諾貝爾獎(jiǎng)得主小柴昌俊的科學(xué)貢獻(xiàn)，并從中總結(jié)了若干成功經(jīng)驗(yàn)。還介紹了鮮為人知的與中日歷史問(wèn)題有關(guān)的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 諾貝爾獎(jiǎng) 小柴昌俊 實(shí)驗(yàn)高能物理 中微子 中日歷史

中圖分類號(hào) N09∶O4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

2020年11月12日，日本實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家小柴昌俊去世。

小柴昌俊生于1926年，因?yàn)閷?duì)“宇宙中微子探測(cè)”的貢獻(xiàn)，與戴維斯（Ray Davis Jr.）分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半，另一半授予了對(duì)宇宙X射線探測(cè)做出重要貢獻(xiàn)的賈科尼（R. Giacconi）①。

小柴昌俊是一位杰出的科學(xué)家，對(duì)中微子實(shí)驗(yàn)物理作出了重大貢獻(xiàn)，神岡和超級(jí)神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)都源自他的想法和努力。他也培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的學(xué)生，其中梶田隆章因超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩而分享2015年物理諾獎(jiǎng)。我們對(duì)小柴昌俊的科學(xué)活動(dòng)和科學(xué)貢獻(xiàn)非常尊重，將進(jìn)行詳細(xì)研究和介紹。

另一方面，小柴昌俊的父親是留下惡名、逃脫制裁的侵華日軍軍官。我也讀到過(guò)小柴昌俊本人關(guān)于中日歷史的一些謬論，對(duì)此十分反感。他也說(shuō)他表達(dá)的某些觀點(diǎn)是大多數(shù)日本人的觀點(diǎn)，所以這更值得關(guān)注和警惕。在本文后半部分，我們將談?wù)匁r為人知的、與中日歷史問(wèn)題有關(guān)的內(nèi)容。

一 神岡和超級(jí)神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)

中微子是很重要的基本粒子，1930年首先由泡利（W. Pauli）預(yù)言 [1]，1956年萊因斯（F. Reines）和科萬(wàn)（C. Cowan）最早在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。1967年，在美國(guó)南達(dá)科他州的霍姆斯特克（Homestake，South Dakota）金礦，戴維斯探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子，但是發(fā)現(xiàn)中微子數(shù)量只是理論預(yù)期的大約1/3[2]。

小柴昌俊認(rèn)為，戴維斯的工作代表中微子天體物理的概念形成，而他本人領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)代表了中微子天體物理的開(kāi)始[小柴昌俊，“諾貝爾演講”，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/uploads/2018/06/koshiba-lecture.pdf。]，因?yàn)榇骶S斯只是探測(cè)到中微子，而小柴得到更具體的信息，比如方向、時(shí)間等等。這強(qiáng)調(diào)了小柴昌俊工作的創(chuàng)新意義。我們也要看到，畢竟是戴維斯首次探測(cè)到來(lái)自宇宙的中微子。

小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的這兩個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)，都在神岡礦（Kamioka Mine）的地下1千米進(jìn)行，位于不同的礦井里，分別叫做神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)（Kamioka NDE）和超級(jí)神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)（Super-Kamioka NDE），其中NDE現(xiàn)在理解為Neutrino Detection Experiment的縮寫(xiě)，意為中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)。但是NDE原本代表Nucleon Decay Experiment，意為核子衰變實(shí)驗(yàn)。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。

神岡礦為三井公司經(jīng)營(yíng)，20世紀(jì)上半葉采礦活動(dòng)大量排放鎘，造成附近水流污染，引起周圍很多居民患上痛痛病。后來(lái)停止采礦，但是冶煉廠還生產(chǎn)鋅、鉛和銀。1982年，小柴昌俊在此領(lǐng)導(dǎo)建造神岡探測(cè)器。

建好的神岡NDE探測(cè)器，表面有1/5覆蓋了光電倍增管（將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)），里面有3千噸水，造價(jià)3.5億日元;超級(jí)神岡NDE探測(cè)器的表面有2/5覆蓋了光電倍增管，里面有5萬(wàn)噸水，造價(jià)100億日元。

二 始于尋找質(zhì)子衰變

最近，在我組織的一個(gè)演講和對(duì)話中，諾貝爾獎(jiǎng)得主溫伯格（Steven Weinberg）說(shuō)：“繼續(xù)安靜模式的實(shí)驗(yàn)物理也是很重要的，我們可以尋找質(zhì)子衰變那樣的稀有事例，因?yàn)槲艺J(rèn)為質(zhì)子衰變甚至有可能在我的有生之年發(fā)現(xiàn)，我希望，人們?cè)谏顚拥叵履托牡却淮笙湟后w中發(fā)現(xiàn)稀有事例的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚶^續(xù)?！盵3]

質(zhì)子衰變超越了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，是大統(tǒng)一理論的預(yù)言，但是沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如果質(zhì)子真的衰變，那么普通物質(zhì)，包括我們?cè)趦?nèi)，或者說(shuō)構(gòu)成我們這些普通物質(zhì)的質(zhì)子，終將在宇宙中消失。

神岡NDE原本就是這樣一個(gè)尋找質(zhì)子衰變的“安靜實(shí)驗(yàn)”。神岡NDE使用了大量的純水。每個(gè)水分子中有兩個(gè)質(zhì)子，如果質(zhì)子衰變，會(huì)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，速度甚至超過(guò)水中的光速。這就會(huì)產(chǎn)生光的沖擊波，叫做切倫科夫輻射，類似超音速飛機(jī)產(chǎn)生的聲爆。在這種情況下，切倫科夫輻射被認(rèn)為是質(zhì)子衰變導(dǎo)致的信號(hào)。因此神岡NDE用到大量的光電倍增管，來(lái)探測(cè)切倫科夫輻射。

神岡NDE籌建之時(shí)，美國(guó)在建 Irving-Michigan-Brookhaven（IMB）探測(cè)器，目的和方法都與神岡NDE一樣，但是用7倍的水和10倍的資金，由最早探測(cè)到中微子的萊因斯領(lǐng)導(dǎo)。

小柴昌俊想出一個(gè)可以與IMB競(jìng)爭(zhēng)的方法，就是讓每個(gè)光電倍增管對(duì)光信號(hào)特別敏感，從而可以探測(cè)到更多的質(zhì)子衰變模式。為此，濱松光學(xué)公司不惜虧損3億日元，將每個(gè)光電倍增管的直徑從通常的12.5厘米擴(kuò)大到50厘米，也就是擴(kuò)大到4倍。4的平方是16，因此每個(gè)光電倍增管敏感度是IMB的16倍，結(jié)果神岡NDE探測(cè)電子的能力比原計(jì)劃提高了千倍[4]。

為了將光電倍增管安裝到垂直的壁上，小柴昌俊等人也想出一個(gè)妙法，逐漸放水，安裝人員乘坐橡皮艇，從下向上依次安裝[5]。

三 改造成中微子探測(cè)器

1983年8月，神岡NDE完工后進(jìn)行校驗(yàn)，也就是將光子數(shù)與能量對(duì)應(yīng)起來(lái)。這是基于一種常見(jiàn)的宇宙線粒子，叫繆子，它進(jìn)入探測(cè)器后，衰變成電子，如果電子速度超過(guò)水中光速，就導(dǎo)致切倫科夫輻射。三個(gè)月后，神岡NDE探測(cè)到很多這樣的電子，最低能量只有12兆電子伏特。

于是小柴昌俊想到，這個(gè)探測(cè)器既然能夠探測(cè)這么低的能量，就應(yīng)該可以用來(lái)探測(cè)太陽(yáng)發(fā)出的中微子，因?yàn)槠淠芰坑?4兆電子伏特，高于12兆電子伏特。他說(shuō)，這樣擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)可能性，緩解了花費(fèi)納稅人錢(qián)的沉重[4]。

高速運(yùn)動(dòng)的中微子進(jìn)入探測(cè)器的水中，碰撞水中的電子，電子在水里會(huì)高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生切倫科夫輻射，這樣就可以探測(cè)中微子。與未知的質(zhì)子衰變相比，太陽(yáng)中微子總是存在的，因此只要適當(dāng)改造探測(cè)器，測(cè)出中微子到來(lái)時(shí)的時(shí)間、方向和能量，就能建立起中微子天體物理。

這需要安裝額外的裝置，特別是給每個(gè)光電倍增管加一個(gè)計(jì)時(shí)裝置TDC（time digitizing converter）。因此要追加1億日元。

1984年1月，在美國(guó)猶他的帕克城舉辦的“重粒子不守恒國(guó)際會(huì)議”上，小柴介紹了神岡NDE的運(yùn)行情況，以及觀測(cè)太陽(yáng)中微子的計(jì)劃，爭(zhēng)取到美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)曼恩（Alfred Mann）教授的合作，負(fù)責(zé)TDC。小柴還首次提出超級(jí)神岡NDE的可能性。

1986年底，升級(jí)改造后的神岡NDE開(kāi)始工作，英文簡(jiǎn)稱NDE保持不變，但是更多地理解為“中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)”。改造前后的階段分別叫做神岡I和II。1990年后，再次升級(jí)后叫做神岡III，1993年停止運(yùn)行。

1996年，在距離神岡NDE所在地150米處，超級(jí)神岡NDE建成并開(kāi)始工作。1991年，IMB停止工作，光電倍增管轉(zhuǎn)移到超級(jí)神岡NDE，包括萊因斯在內(nèi)的不少研究人員加入超級(jí)神岡NDE。

2002年4月，在原來(lái)神岡NDE所在的井里，建了第三代探測(cè)器KamLAND（Kamioka Liquid Scintillator AntiNeutrino Detector，神岡液體閃爍反中微子探測(cè)器），探測(cè)來(lái)自200公里外的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子。2002年初開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。他們還探測(cè)從筑波（Tsukuba）的質(zhì)子加速器射來(lái)的中微子，叫做K2K，運(yùn)行到2004年。后來(lái)又做T2K實(shí)驗(yàn)，探測(cè)從東海（Tokai）的質(zhì)子加速器射來(lái)的中微子，據(jù)稱運(yùn)行到今年底。

神岡NDE、IMB以及超級(jí)神岡NDE在主要探測(cè)中微子的同時(shí)，也繼續(xù)尋找質(zhì)子衰變，但是一直沒(méi)有探測(cè)到。這個(gè)負(fù)結(jié)果表明，質(zhì)子衰變的可能性比原來(lái)所知的還要小，因此，對(duì)質(zhì)子壽命的估計(jì)從至少1029年提高到至少1034年。

四 神岡NDE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.超新星中微子

1987年2月23日，天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到一個(gè)超新星爆發(fā)，代號(hào)1987A，位于17萬(wàn)光年外的大麥哲倫星云。25日，小柴團(tuán)隊(duì)得到消息。他們?cè)谟^測(cè)數(shù)據(jù)中找到了集中在13秒內(nèi)的11個(gè)中微子信號(hào)（原始論文[6]和諾貝爾獎(jiǎng)資料[2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方資料，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/summary/。]說(shuō)是12個(gè)，但是小柴的自傳和科普書(shū)說(shuō)是11個(gè)[4，5]，原因是其中有一個(gè)信號(hào)有很大可能是背景信號(hào)）。這證明了這個(gè)超新星是II型，因?yàn)镮型不發(fā)出中微子。

“中微子”一詞是統(tǒng)稱，其實(shí)包括“正”中微子和反中微子。太陽(yáng)中微子是“正”中微子。超新星發(fā)出的中微子是反中微子。反中微子與水中的質(zhì)子碰撞，產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的正電子，也發(fā)出切倫科夫輻射。

超新星爆發(fā)時(shí)，有巨量的反中微子產(chǎn)生，其中1億億個(gè)穿過(guò)了神岡探測(cè)器。短時(shí)間內(nèi)，這么多反中微子集中通過(guò)，能量又比日常的太陽(yáng)中微子大得多，所以神岡NDE會(huì)意外探測(cè)到11個(gè)超新星中微子[2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方資料，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/summary/。][5]。

這時(shí)神岡II剛開(kāi)始運(yùn)行兩個(gè)月，距小柴退休還有1個(gè)月[3]。最初，申請(qǐng)建神岡NDE來(lái)探測(cè)質(zhì)子衰變時(shí)，為了獲得盡量多的成果，申請(qǐng)書(shū)上用幾句話提到過(guò)探測(cè)銀河系內(nèi)超新星中微子的可能性。但是，銀河系內(nèi)上一次超新星爆發(fā)還是1604年，是開(kāi)普勒記載的。1987A位于銀河系外，因此探測(cè)到它發(fā)出的反中微子純屬意外。

得悉神岡NDE的結(jié)果后，IMB也在數(shù)據(jù)中找到8個(gè)超新星中微子的信號(hào)。在神岡之前，意大利的勃朗峰中微子觀測(cè)臺(tái)曾錯(cuò)誤聲稱，發(fā)現(xiàn)了超新星中微子，但是信號(hào)的時(shí)間早了幾個(gè)小時(shí)，后來(lái)又重新聲明，在神岡公布的信號(hào)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了5個(gè)中微子。

因此神岡第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了超新星中微子。因?yàn)樯駥鶎?shí)驗(yàn)俘獲到了超新星中微子，又得到中微子振蕩的初步結(jié)果，日本教育部愉快地支持了超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的上馬。

2.四個(gè)結(jié)果

根據(jù)小柴昌俊2002年的諾貝爾演講（即獲獎(jiǎng)演講）[2]，神岡NDE取得四個(gè)重要結(jié)果。

第一個(gè)結(jié)果是探測(cè)到太陽(yáng)發(fā)出的中微子[7]，驗(yàn)證了戴維斯的結(jié)果，而且更精確，特別是給出中微子的信息，包括到達(dá)時(shí)間、方向、能量分布[8]。時(shí)間精度達(dá)到10納秒[7]。這準(zhǔn)確表明，這些中微子確實(shí)來(lái)自太陽(yáng)。

第二個(gè)結(jié)果就是超新星中微子[6]。

第三個(gè)結(jié)果是大氣中微子反常[9]。來(lái)自太空的宇宙線粒子進(jìn)入地球大氣后，與大氣中的氮原子核和氧原子核碰撞，產(chǎn)生介子，介子再發(fā)生衰變，產(chǎn)生繆子和繆子型中微子。然后繆子又繼續(xù)衰變，產(chǎn)生電子、電子型中微子以及繆子型中微子。在這兩個(gè)相繼的過(guò)程中，都有繆子型中微子產(chǎn)生，而電子型中微子只在第二個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生。所以繆子型中微子數(shù)量應(yīng)該是電子型中微子數(shù)量的兩倍。

在探測(cè)器中，繆子型中微子和電子型中微子是可以區(qū)分的，兩種中微子的數(shù)量可以分別測(cè)量出。原因是，它們的產(chǎn)生過(guò)程伴隨著電子和繆子產(chǎn)生，而繆子比電子重兩百多倍，所以二者導(dǎo)致的切倫科夫輻射情況很不一樣。

但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者并不是兩倍關(guān)系，這叫做“大氣中微子反?！盵9]。在神岡實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)結(jié)果只有4個(gè)統(tǒng)計(jì)置信度，但是后來(lái)超級(jí)神岡將置信度增加到9個(gè)以上。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)“發(fā)現(xiàn)”通常需要5個(gè)以上置信度。

第四個(gè)結(jié)果是大氣中微子振蕩[10]。大氣中微子反常的原因是中微子振蕩，即不同種中微子之間的轉(zhuǎn)化。在此理論解釋下，小柴團(tuán)隊(duì)從繆子型與電子型中微子的數(shù)目之比，反推出大氣中微子振蕩的參數(shù)的取值范圍。這里的主要因素是繆子型中微子轉(zhuǎn)化成了第三種中微子，叫做陶子型中微子。

五 超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

小柴昌俊在諾貝爾演講中也介紹，超級(jí)神岡NDE改進(jìn)了神岡NDE的結(jié)果[小柴昌俊，“諾貝爾演講”，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/uploads/2018/06/koshiba-lecture.pdf。]。

一方面，對(duì)于太陽(yáng)中微子，更精確地知道不同能量的中微子各有多少。這叫做能譜，可以給出太陽(yáng)中微子振蕩的信息。而且還可以通過(guò)中微子的飛行方向，得到太陽(yáng)的中微子“透視”圖，就好比醫(yī)院里的X光機(jī)給出人體的X射線透視圖。

另一方面，關(guān)于大氣中微子，得到兩種中微子數(shù)量之比與飛行方向的詳細(xì)關(guān)系。中微子振蕩的情況依賴于時(shí)間，也就是中微子飛行的距離。大氣中微子來(lái)自探測(cè)器的上下兩個(gè)方向，分別從水面和水底進(jìn)入（中微子能穿透地球），所經(jīng)歷的路程大不一樣，上方只是穿過(guò)大氣層，下方經(jīng)過(guò)大氣層后，還要穿過(guò)地球。所以兩種中微子數(shù)量之比依賴于入射方向。由此可以推導(dǎo)出大氣中微子振蕩的準(zhǔn)確信息。就在小柴做諾貝爾演講的兩天前，KamLAND的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正反中微子的振蕩參數(shù)一樣[小柴昌俊，“諾貝爾演講”，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/uploads/2018/06/koshiba-lecture.pdf。]。

1988年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)繆子型中微子的萊德曼（Leon M. Lederman），施瓦茲（Melvin Schwartz）和斯坦伯格（Jack Steinberger）。小柴昌俊在自傳序言中說(shuō)，據(jù)說(shuō)宣布之前，1973年諾獎(jiǎng)得主江崎告訴記者，1988年諾獎(jiǎng)可能授予中微子的研究，結(jié)果從當(dāng)年開(kāi)始，直到2002年，每年都有記者到小柴家蹲守[4]。

六 2015年的諾獎(jiǎng)

2015年，因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，從而說(shuō)明中微子有質(zhì)量”，小柴昌俊的學(xué)生、領(lǐng)導(dǎo)超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的梶田隆章和領(lǐng)導(dǎo)薩德伯里中微子觀測(cè)臺(tái)（SNO）實(shí)驗(yàn)的麥克唐納（Arthur B. McDonald）分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的SNO的探測(cè)器使用重水（普通水當(dāng)中，氫原子的原子核就是質(zhì)子，而重水中，重氫原子的原子核由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成）。在這個(gè)探測(cè)器中，有的碰撞過(guò)程只能被電子型中微子引起，有的碰撞過(guò)程能被任何中微子引起。這樣就可以探測(cè)電子型中微子在太陽(yáng)中微子中所占的比例。2001年，SNO得到中微子振蕩的結(jié)果。一年后獲得KamLAND的證實(shí)。

而梶田隆章的獲獎(jiǎng)工作是超級(jí)神岡NDE獲得的大氣中微子中，兩種中微子數(shù)目之比，以及由此推論的中微子振蕩。2015年的諾獎(jiǎng)委員會(huì)關(guān)于獲獎(jiǎng)工作的科學(xué)背景（scientific background）資料表明：“中微子振蕩的有力證據(jù)由超級(jí)神岡合作組的梶田隆章在中微子98國(guó)際會(huì)議上給出?！盵2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方資料，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/。]然后引用了一篇關(guān)鍵論文[11]，最后明確將這篇論文列為梶田隆章獲獎(jiǎng)工作的關(guān)鍵論文。

可是，2002年，小柴的諾貝爾演講也介紹了這個(gè)工作，引用了這篇關(guān)鍵論文[11]，并展示了這篇論文所有作者的名字。那為什么梶田隆章還能以這篇論文再獲諾獎(jiǎng)呢？

這是因?yàn)樾〔癖救酥Z獎(jiǎng)的重點(diǎn)是太陽(yáng)中微子和超新星中微子的探測(cè)。在2002年諾獎(jiǎng)官方資料中，只是在最新信息（advanced information）的“展望”（outlook）部分，才提到大氣中微子振蕩。諾獎(jiǎng)網(wǎng)站上的小柴簡(jiǎn)歷里的重要論文也只列了超新星中微子和太陽(yáng)中微子各一篇。2015年的諾獎(jiǎng)官方資料中，并沒(méi)有提小柴，除了在提到戴維斯的時(shí)候，在括號(hào)內(nèi)說(shuō)他與小柴及賈科尼分享2002年諾獎(jiǎng)[2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方資料，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/。]。

事實(shí)上，梶田隆章是超級(jí)神岡NDE發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩的負(fù)責(zé)人。他從神岡NDE建成，就開(kāi)始研究大氣中微子[5]。在諾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站上，梶田隆章在自傳文章中寫(xiě)道：“經(jīng)過(guò)多年的計(jì)劃和建設(shè)，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地按照計(jì)劃，從1996年4月1日午夜開(kāi)始取數(shù)據(jù)。那時(shí)起，我是大氣中微子分析的召集人。在超級(jí)神岡數(shù)據(jù)分析的初期，有兩個(gè)組做獨(dú)立分析。在兩個(gè)組的分析結(jié)果被確認(rèn)類似后，我們決定將兩個(gè)組合二為一。從那時(shí)起，我和波士頓大學(xué)的科恩斯領(lǐng)導(dǎo)大氣中微子分析。”[2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方資料，見(jiàn)https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/2015/press-release/。]

梶田隆章在2015年諾貝爾演講最后表示：“特別感謝在我職業(yè)生涯中，小柴昌俊和戶冢洋二（Yoji Totsuka）的持續(xù)支持和鼓勵(lì)?！睉糈Ｑ蠖彩切〔癫〉膶W(xué)生，并幫助培養(yǎng)了梶田隆章。普遍認(rèn)為，如果戶冢洋二沒(méi)有因癌癥于2008年去世，肯定能獲得諾獎(jiǎng)。

1987年，探測(cè)到超新星中微子一個(gè)月之后，小柴昌俊退休，戶冢洋二接班[3]。神岡NDE的大氣中微子和大氣中微子論文都是在這之后發(fā)表的。后來(lái)戶冢洋二也領(lǐng)導(dǎo)了超級(jí)神岡NDE的建造和運(yùn)行。2002年，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的潘諾夫斯基實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)獎(jiǎng)授予小柴昌俊、戶冢洋二和梶田隆章師徒三人。

小柴昌俊培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的學(xué)生，建起了一個(gè)大團(tuán)隊(duì)。其中，須田英博被稱作最得力助手，幫助培養(yǎng)了戶冢洋二，折戶周治被稱作長(zhǎng)子[4]。這三人都是英年早逝。

七 核電站的反中微子

前面提到，來(lái)自太陽(yáng)的中微子是“正”中微子。神岡NDE也探測(cè)到了反中微子，來(lái)自超新星。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，核電站的核反應(yīng)堆也產(chǎn)生反中微子。萊因斯和科萬(wàn)最初發(fā)現(xiàn)的中微子就是來(lái)自核反應(yīng)堆的反中微子，當(dāng)時(shí)的探測(cè)方法基于反中微子與質(zhì)子反應(yīng)，產(chǎn)生正電子，與電子湮滅，發(fā)出光子，被光電倍增管探測(cè)[2]。KamLAND探測(cè)器以及中國(guó)的大亞灣核電站中微子探測(cè)器都是采用與萊因斯和科萬(wàn)類似的方法。

太陽(yáng)中微子的振蕩發(fā)生在電子型中微子和繆子型中微子之間，大氣中微子的振蕩發(fā)生在繆子型中微子與陶子型中微子之間。中國(guó)大亞灣核電站的中微子實(shí)驗(yàn)研究了第三種中微子振蕩，發(fā)生在電子型反中微子和陶子型反中微子之間。2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)以5.2的統(tǒng)計(jì)置信度確定了振蕩參數(shù)。2020年12月12日，在完成科學(xué)使命后，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置停止工作。

八 小柴昌俊的科研道路

2005年，小柴昌俊接受過(guò)一個(gè)訪談[12]，在這個(gè)訪談中，他介紹了自己的經(jīng)歷。

小柴昌俊從東京大學(xué)大學(xué)畢業(yè)時(shí)，還不確定是否要做物理科研。他在研究生二年級(jí)時(shí)，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)后來(lái)獲1965年諾獎(jiǎng)的朝永振一郎，得到他的推薦，去羅切斯特大學(xué)留學(xué)。一年零八個(gè)月后，得到了博士學(xué)位。他的博士論文是宇宙線研究，糾正了在芝加哥大學(xué)教授沙因（Marcel Schein）的結(jié)論。

1955年開(kāi)始，小柴昌俊在沙因?qū)嶒?yàn)室做了三年博士后。之后回日本，在東京大學(xué)核物理研究所做了兩年副教授。后又應(yīng)沙因之邀回芝加哥參加他的一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。幾個(gè)月后，沙因由于心臟病去世，小柴昌俊便接任項(xiàng)目負(fù)責(zé)工作。三年后回日本。一年后轉(zhuǎn)到東京大學(xué)物理系，開(kāi)始培養(yǎng)研究生。

1969年開(kāi)始，部分出于對(duì)學(xué)生就業(yè)前途的考慮，小柴的實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段從核乳膠轉(zhuǎn)到電子學(xué)探測(cè)器。他在神岡做了第一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)，探測(cè)繆子，期間培養(yǎng)了戶冢洋二。然后小柴去參加了俄國(guó)物理學(xué)家布德凱爾（G. Budker）領(lǐng)銜的位于新西伯利亞的正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。兩年后，布德凱爾得了心臟病。小柴昌俊便去參加德國(guó)漢堡的正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)DASP和JADE。

這時(shí)理論家菅原直孝建議小柴在日本進(jìn)行質(zhì)子衰變的探測(cè)。小柴想起在芝加哥時(shí)，曾將未用過(guò)的核乳膠膠片藏在一個(gè)巖鹽礦山洞里，以躲避宇宙線。當(dāng)時(shí)來(lái)芝加哥指導(dǎo)他們工作的意大利宇宙線專家?jiàn)W恰里尼（G. Occhialini）說(shuō)，如果在山洞里充滿水，用很多光電倍增管對(duì)著下面，總能發(fā)現(xiàn)點(diǎn)東西。雖然那時(shí)不可能有上萬(wàn)根光電倍增管，但這個(gè)想法在小柴腦里停留多年，后在神岡實(shí)驗(yàn)里得以實(shí)現(xiàn)。小柴曾經(jīng)說(shuō)，研究人員要考慮兩三個(gè)目前不能做，但將來(lái)能實(shí)現(xiàn)的“卵”。將暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)的想法儲(chǔ)存，條件成熟后再實(shí)現(xiàn)。這是科學(xué)研究中的一個(gè)方法。于是小柴開(kāi)始進(jìn)行神岡NDE的建造和實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也參加歐洲核研究組織（CERN）的OPAL實(shí)驗(yàn)。

小柴建造神岡NDE，在科學(xué)上的動(dòng)機(jī)是尋找質(zhì)子衰變，同時(shí)為了讓低年級(jí)研究生在沒(méi)有加速器的情況下，也能開(kāi)展粒子物理實(shí)驗(yàn)。這種兼顧科研與人才培養(yǎng)的策略值得借鑒。小柴從東京大學(xué)退休時(shí)，將CERN的實(shí)驗(yàn)和神岡實(shí)驗(yàn)分別交給兩位學(xué)生，又在日本的私立學(xué)校東海大學(xué)工作了9年。從小柴昌俊的科研經(jīng)歷，我們可以看到一些成功經(jīng)驗(yàn)。

他將質(zhì)子衰變探測(cè)器升級(jí)為以探測(cè)中微子探測(cè)器，而且能獨(dú)辟蹊徑，戰(zhàn)勝美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)者。因?yàn)樘綔y(cè)手段優(yōu)于戴維斯的放射化學(xué)方法，給出了太陽(yáng)中微子的更多信息。而且他一開(kāi)始就開(kāi)始計(jì)劃更大的超級(jí)神岡探測(cè)器。抓住機(jī)會(huì)，創(chuàng)造條件，及時(shí)調(diào)整方向，小柴昌俊樹(shù)立了一個(gè)很好的范例。

超新星中微子的探測(cè)有機(jī)遇和運(yùn)氣的因素，因?yàn)楫?dāng)時(shí)探測(cè)器剛開(kāi)始工作不久。但也因?yàn)樘綔y(cè)器建造成功，有所準(zhǔn)備，才能將機(jī)遇轉(zhuǎn)化為成功。

小柴昌俊喜歡以有限的資源獲得盡量多的研究結(jié)果。他將科學(xué)研究與人才培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，在課題選擇上也兼顧學(xué)生的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。這些也值得借鑒。

九 小柴昌俊的早期經(jīng)歷

小柴昌俊在2005年的訪談中，也介紹了自己的早期經(jīng)歷[12]。

小柴昌俊四歲時(shí)，他父親再婚，前后共有5個(gè)子女。他父親是侵華日軍軍官，曾經(jīng)將全家?guī)У街袊?guó)--除了小柴昌俊，因?yàn)橄Ｍ鳛殚L(zhǎng)子留在日本讀書(shū)，將來(lái)考進(jìn)軍校。后來(lái)未果，因?yàn)樾〔癫〉昧诵郝楸园Y。小柴昌俊也說(shuō)過(guò)他“上初中一年級(jí)時(shí)就確立了考取陸軍幼年學(xué)校，投身軍旅的人生目標(biāo)”[5]。

一段時(shí)間內(nèi)，美國(guó)駐軍禁止原日本軍官工作。小柴昌俊和他姐姐負(fù)責(zé)養(yǎng)活全家。所以他學(xué)生時(shí)代忙于打工，導(dǎo)致學(xué)習(xí)成績(jī)不佳。他準(zhǔn)備考東京大學(xué)時(shí)，偶然聽(tīng)到一位老師說(shuō)他物理不行，發(fā)奮考進(jìn)了物理系[4]。

小柴昌俊在中學(xué)時(shí)，擔(dān)任學(xué)生組織的副主席，校長(zhǎng)天野對(duì)他印象很好。雖然小柴昌俊以自謙的口氣回憶學(xué)生時(shí)代，但是從他后來(lái)的成功來(lái)看，大概當(dāng)時(shí)在某些方面已顯示出過(guò)人之處。天野后來(lái)做了日本的教育部長(zhǎng)。天野是學(xué)哲學(xué)的，導(dǎo)師叫朝永三十郎，是東京大學(xué)的物理學(xué)家朝永振一郎的父親。所以小柴昌俊進(jìn)入東京大學(xué)物理系后，拿著天野的介紹信去認(rèn)識(shí)了朝永振一郎。朝永振一郎后來(lái)分享了1965年物理諾獎(jiǎng)。

小柴昌俊從東京大學(xué)大學(xué)畢業(yè)時(shí)，還不確定將來(lái)是否從事科研。當(dāng)時(shí)美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理系缺乏優(yōu)秀生源，所以通過(guò)湯川秀樹(shù)和朝永振一郎的協(xié)助，每年在日本招研究生。小柴昌俊讀研究生二年級(jí)時(shí)，得到朝永振一郎推薦，去羅切斯特大學(xué)留學(xué)。后面的故事就是一名科學(xué)家的道路。

十 小柴昌俊的父親

小柴昌俊的父親名叫小柴俊男，是有一定級(jí)別的侵華日軍軍官[見(jiàn)https：//baike.baidu.com/item/%E5%B0%8F%E6%9F%B4%E4%BF%8A%E7%94%B7/4937363。]。

1940年，楊成武將軍領(lǐng)導(dǎo)的淶靈戰(zhàn)役（百團(tuán)大戰(zhàn)的一部分）中，小柴俊男轄下一支日軍部隊(duì)被殲滅。楊成武將軍回憶：“東團(tuán)堡的殲滅戰(zhàn)，使淶源警備司令小柴俊男不寒而栗，痛心疾首。后來(lái)日本侵略軍重占東團(tuán)堡，這位敗軍之將小柴俊男還大言不慚地立了一塊大石碑，兩面分別用中文和日文鍥下一首《長(zhǎng)恨歌》……這篇為日本法西斯匪徒歌功頌德的碑文，在敘述戰(zhàn)斗的慘烈情景時(shí)，卻也襯托出我三團(tuán)作戰(zhàn)的英勇，更流露出敵人對(duì)我們八路軍的刻骨仇恨?！盵13]

據(jù)媒體報(bào)道，淶源縣閣院寺內(nèi)，存有侵華日軍留下的三幢碑刻，一個(gè)是《長(zhǎng)恨歌》，一個(gè)叫《贊勛歌》，也是小柴俊男所寫(xiě)，還有一個(gè)叫《文廟碑》，同樣與小柴俊男有關(guān)[13]。后來(lái)，小柴俊男升任大佐，參加過(guò)對(duì)晉察冀根據(jù)地的掃蕩，也直接參與了1943年湖南的廠窖大屠殺[侵華日軍在中國(guó)的屠殺中，廠窖大屠殺鮮為人知，但單日內(nèi)屠殺人數(shù)最多，三天內(nèi)，三萬(wàn)余中國(guó)無(wú)辜百姓遭屠殺。見(jiàn)https：//baike.baidu.com/item/%E5%B0%8F%E6%9F%B4%E4%BF%8A%E7%94%B7/4937363。]。

有報(bào)道：當(dāng)時(shí)小柴俊男的支隊(duì)共3000余人，是包圍廠窖垸的日軍主力[5]，也是在廠窖直接行兇的4支日軍部隊(duì)之一。然而這些日軍的指揮官除了一個(gè)后來(lái)戰(zhàn)死的，都逃脫了制裁。小柴俊男在投降前已經(jīng)做到了華南派遣軍的師團(tuán)長(zhǎng)[見(jiàn)https：//news.sina.cn/2015-08-26/detail-ifxhcvrn0609890.d.html？from=wap。]。

小柴昌俊在自傳中提到，小柴俊男性格暴躁，愛(ài)打人，被俘后，如果不是收到小柴昌俊考取高中的消息，可能自殺[4]。戰(zhàn)后，小柴昌俊的父親坐了一年牢，便回到日本。為什么這樣一個(gè)雙手沾滿中國(guó)人民鮮血的日軍軍官，所受的“懲罰”只是坐了一年牢，便逃脫了制裁？日軍戰(zhàn)犯被釋放回到日本后，對(duì)戰(zhàn)后的日本社會(huì)（特別是對(duì)于侵略戰(zhàn)爭(zhēng)的態(tài)度）起了什么影響？

十一 小柴昌俊有關(guān)中日關(guān)系的一些看法

小柴昌俊2005年的訪談涉及了中日關(guān)系。小柴昌俊說(shuō)：“那個(gè)時(shí)候，有個(gè)國(guó)家叫滿洲，我父親作為軍官，必須去一陣滿洲?！盵原文：“In those days there was a country called Manjuria and as an army officer， my father had to go to Manjuria for a while.”][12]

小柴昌俊稱“滿洲”為“那個(gè)時(shí)候”的“國(guó)家”，這個(gè)說(shuō)法不對(duì)！1932年，日本扶持成立了傀儡政權(quán)偽滿洲國(guó)，但中國(guó)和國(guó)際社會(huì)均不承認(rèn)，而且“勢(shì)力”也只限于東北、蒙東和承德。事實(shí)上，他父親的活動(dòng)范圍包括晉察冀和南方。

被問(wèn)到：“您提到您父親二戰(zhàn)時(shí)期在部隊(duì)里。對(duì)于最近針對(duì)日本修改歷史教科書(shū)的抗議，在中國(guó)發(fā)生的抗議活動(dòng)，您有何看法？”小柴昌俊回答說(shuō)：“對(duì)于中日兩國(guó)之間的歷史，確實(shí)存在一些分歧，遺憾的是靖國(guó)神社也供奉了12或20個(gè)戰(zhàn)犯。這是中國(guó)提出批評(píng)的一個(gè)原因。我覺(jué)得靖國(guó)神社將這些頭頭與幾百萬(wàn)死亡的士兵放在一起是愚蠢的。但是中國(guó)政府也太過(guò)敏，因?yàn)槿绻粋€(gè)國(guó)家的首相參拜神社，不是他們的事情，而是那個(gè)國(guó)家的事情。這是大多數(shù)日本人的觀點(diǎn)?！盵原文：“It is true that there is some difference in understanding the history between the two countries and unfortunately there is a National Shrine， the Yasukuni Shrine in Tokyo that also honors about 12 or 20 war criminals. This is a reason for the Chinese attack. I feel that it is a silly thing that the Yasukuni shrine incorporated those generals together with the millions of soldiers who died in the past. But the Chinese government is also very neurotic in the sense that if another countrys minister pays a visit to such a shrine， this is not their affair， it is that other countrys affair. This is the opinion of the majority of the Japanese people.”]

小柴昌俊沒(méi)有正面回答關(guān)于教科書(shū)的問(wèn)題，但是他承認(rèn)對(duì)于中日歷史，存在分歧意見(jiàn)。雖然他認(rèn)為不應(yīng)該將十幾個(gè)戰(zhàn)犯供在靖國(guó)神社，但是他也認(rèn)為中國(guó)不應(yīng)該批評(píng)日本領(lǐng)導(dǎo)人參拜靖國(guó)神社，意思就是不關(guān)中國(guó)的事，而且他說(shuō)“這是大多數(shù)日本人的觀點(diǎn)”。持他這種看法的人可以想象一下，假如德國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人向納粹表示任何敬意，世界將發(fā)生什么？事實(shí)是，日本至今沒(méi)有徹底反省軍國(guó)主義對(duì)中國(guó)及亞洲各國(guó)犯下戰(zhàn)爭(zhēng)罪行，所以日本領(lǐng)導(dǎo)人參拜靖國(guó)神社并不只是日本自己的事情。

被問(wèn)到：“今天日本年輕人知道二戰(zhàn)時(shí)日本的歷史嗎？”小柴說(shuō)：“當(dāng)然，他們知道，二戰(zhàn)期間，日本軍隊(duì)干了很多壞事。但是如果我們談?wù)搼?zhàn)士做壞事，那每個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)士都這樣，比如美國(guó)駐軍在日本做了很多壞事。這是不合法的，但是他們對(duì)此保持沉默?！盵原文：“Of course， they learn that the Japanese army did many bad things during this period. But if we are talking about soldiers doing very bad things， that happened to every countrys soldiers， like the American occupation army did so many bad things in Japan， which can be criminalized but they kept quiet.”]將制造那么多屠殺事件的侵華日軍與戰(zhàn)后美國(guó)駐軍相提并論，這是為日本軍國(guó)主義反人類滔天罪行的開(kāi)脫和狡辯。

楊振寧先生1980年在東京大學(xué)訪問(wèn)時(shí)認(rèn)識(shí)了小柴昌俊，2009年邀請(qǐng)他來(lái)過(guò)清華大學(xué)。我將小柴昌俊去世的新聞以及他的上述言論轉(zhuǎn)告楊先生。楊先生說(shuō)：“我曾經(jīng)邀請(qǐng)他來(lái)清華做一個(gè)演講。他來(lái)了，然后我了解到，他非常非常反華?！盵原文：“I once had invited him to give a lecture at Qinghua. He came and I learned that he was very very anti-China.”]看來(lái)，小柴昌俊在科學(xué)研究上很杰出，但是不能正視中日歷史問(wèn)題。對(duì)于日本首相參拜靖國(guó)神社問(wèn)題，大多數(shù)日本人的觀點(diǎn)是否如其所說(shuō)，都值得我們注意。

戰(zhàn)后日本經(jīng)濟(jì)和科技崛起，也多次獲得科學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)，包括小柴昌俊師生關(guān)于中微子的這兩次。而中國(guó)的科學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)還寥寥。我和楊振寧先生談到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，楊先生提到，日本比中國(guó)至少早30年引進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)。

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Multidimensional World of Masatoshi Koshiba

SHI Yu

Abstract： This article investigates and introduces the scientific contributions of the Nobelist Masatoshi Koshiba， as well as some material in connection with Sino-Japanese history.

Keywords： The Nobel Prize， Masatoshi Koshiba， high energy physics experiments， neutrino， Sino-Japanese history

收稿日期：2020-12-27

作者簡(jiǎn)介：施郁，復(fù)旦大學(xué)物理系教授，研究方向?yàn)榱孔游锢砘A(chǔ)、凝聚態(tài)物理、量子信息等。Email： yushi@fudan.edu.cn。本文部分內(nèi)容見(jiàn)《諾獎(jiǎng)得主小柴昌俊如何成功探測(cè)到中微子》（施郁），載于《知識(shí)分子》2020年12月15日。