一 捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子

1930 年 12 月,一群物理学家汇集在德国的图宾根(Tübingen),探讨学界的最新开展;于瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)上班的物理学家 包立 [1]由于不可抽身,委托共事带了封信给会议里的核子物理学家──这是核子物理开展史上最关键的信函之一,启示了后续有数钻研、促进好几位诺贝尔奖得主。

甚至直到当天,迷信家都尚未齐全搞懂包立信中形容的粒子;最近的钻研更显示,它或容许以协助咱们深入了解宇宙的演变与组成。

量子力学的先驱:沃夫冈‧包立(图片起源)

「能量守恒」崩坏?贝他衰变惹起的争议

在过后,学界已知三种关键的 原子核衰变形式 ,并依据其喷射线的穿透力,从弱到强区分以头三个希腊字母α, β, γ 命名:

迷信家观察到,在阿尔法衰变和伽马衰变中,做为产物的阿尔法粒子和伽马射线都以十分特定的能量出现,一如量子力学实践的预期;但是,贝他衰变喷射进去的电子,却具备很广阔的能量范围,这相外地不寻常──电子的能质变化,象征贝他衰变后的总能量不是定值,齐全违反了能量守恒定律!

经过漫长的迷信开展,能量守恒在物理学家的心中,已成为最基本、最无可撼动的准则,而贝他衰变居然违反了能量守恒!这只要两种或者:一是,咱们对贝他衰变的认知有误;二是,能量并不真的总是守恒──1922 年诺贝尔物理学奖得主波耳[2]关于贝他衰变采取的观念就是后者。

尼尔斯‧波耳(图片起源)

波耳以为,能量和动量的守恒都是从古典物理学得来的准则,不见得能够套用在量子力学上;能量守恒或者只是统计上出现出的结果──在繁多贝他衰变环节中,能量可以不守恒。

纵使有一些物理学家允许波耳的说法,但并非每团体都能赞同这么保守的解方。与波耳采取的解释战略不同,包立在 1930 年写给图宾根会议的信函中,倡导了另一种或者: 新粒子

包立信函的假说:质子与电子之外,还有「第三种粒子」

过后学界以为, 质子 电子 组成带正电的原子核,位于原子中心极庞大的区域;原子核中心,另有带负电的电子盘绕──换言之,质子和电子导致了原子,原子再导致万物。

另一方面,在量子力学底下,每个粒子都带有自身的角动量,称为自旋[3](spin);依据过后的试验观测,一些原子核的自旋却跟实践预期有所不同──这着实给既有的原子模型参与了费事。

为了处置贝他衰变、以及局部原子核自旋带来的疑问,包立在信中提议,原子核外部或者存在另一种电中性粒子,暂称中子(neutron),自旋与质子和电子相反,品质不大于质子的百分之一,领有比伽马射线更强的穿透力(不容易与物质出现反响);当不稳固元素出现贝他衰变的时刻,除了电子之外,中子也一同被放出,两者的能量虽然都会变化,但相加起来的总和固定──如此一来,电子的广阔能量范围就说得通,贝他衰变环节前后的总能量会守恒,局部原子核的自旋疑问也能一并处置。

在二十世纪早期的波耳氢原子模型,电子以特定轨道绕行原子核,并或者在不同轨道间跃迁,同时放出或排汇能量。到了1920年代末至1930年代初,电子的轨道(orbit)逐渐被轨域(orbital)概念取代,亦即电子不具备特定轨道。

虽然包立为贝他衰变的困境找到前途,他同时抵赖自己的想法很不失当:「若中子真的存在,咱们八成早就看到了。但是不入虎穴,焉得虎子,……咱们应该轻薄看待一切处置打算。」在过后的学术时空环境,已知的次原子粒子十分稀少 (比日本制的冷气紧缩机还要稀少) ,也不像现代经常预言新的基本粒子──况且这个粒子还很美观到,致使包立十分审慎,藉著信函(而非论文)低调征询试验物理学家的意见。

理想上,他才刚写完信,就对其他人表白了自己的悔恨:「我当天做了一件实践(物理)学家永远不该做的事。我尝试用咱们不可观测到的事物,来解释咱们不可了解的事物。」

就算包立小心翼翼不敢冒进,他的提案还是很快就传遍了狭小的学术圈,一些物理学家也仔细思索起这个或者性,例如任教于义大利罗马大学的费米[4]。

费米采用包立的设想,于几年后开展出形容贝他衰变的实践;又由于 1932 年英国物理学家查兑克[5]在喷射线试验中发现新的电中性粒子,也命名做中子,品质却比包立的中子重得多,费米于是改称包立预言的粒子为 微中子 (neutrino,亦即庞大的电中性粒子)。

怎料,当费米将心血结晶投稿到顶尖期刊《人造》(Nature)时,《人造》以该论文「充溢臆测,和理想相差太远,吸引不了读者兴味」为由拒绝刊登;没方法之下,他只好改投稿至义大利和德国的外地期刊。也由于实践不受青眼,费米最后转行做试验物理,并于几年后获取严重成就,获颁诺贝尔物理学奖。

至于费米的实践,虽然一开局没有获取注重,日后却在粒子物理畛域无足轻重,成为现代 弱交互作用实践 [6]的前身。

恩里科‧费米曾参与墨索里尼的法西斯党,但起初由于 1938 年义大利经过的种族法,为了防止犹太裔的太太遭到涉及,他转而 ... 美国,并推戴法西斯主义。1942 年他指导的芝加哥大学团队发明了史上之一个核子反响炉。(图片起源)

至此,解开贝他衰变之谜仿佛出现曙光,预测有了、实践有了,就差实践的观测证据──偏偏微中子的观测十分不容易,要等到二十几年后,费米曾经逝世,其踪影才首度被人类补捉。这是另外的故事了。

注释

参考资料

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