捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子（一）

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1930 年 12 月，一群物理学家聚集在德国的图宾根（Tübingen），讨论学界的最新发展；于瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）工作的物理学家包立[1]因为无法抽身，委托同事带了封信给会议里的核子物理学家──这是核子物理发展史上最重要的信件之一，启发了后续无数研究、促成好几位诺贝尔奖得主。

甚至直到今天，科学家都尚未完全搞懂包立信中描述的粒子；最近的研究更显示，它或许可以帮助我们深刻理解宇宙的演化与组成。

量子力学的先驱：沃夫冈‧包立（图片来源）

「能量守恒」崩坏？贝他衰变引起的争议

在当时，学界已知三种主要的原子核衰变模式，并根据其放射线的穿透力，从弱到强分别以头三个希腊字母 α, β, γ 命名：

科学家观察到，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非常特定的能量出现，一如量子力学理论的预期；然而，贝他衰变放射出来的电子，却具有很宽广的能量范围，这相当地不寻常──电子的能量变动，意味贝他衰变后的总能量不是定值，完全违背了能量守恒定律！

经过漫长的科学发展，能量守恒在物理学家的心中，已成为最基本、最无可撼动的原则，而贝他衰变竟然违背了能量守恒！这只有两种可能：一是，我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]对于贝他衰变采取的观点就是后者。

尼尔斯‧波耳（图片来源）

波耳认为，能量和动量的守恒都是从古典物理学得来的原则，不见得能够套用在量子力学上；能量守恒可能只是统计上呈现出的结果──在单一贝他衰变过程中，能量可以不守恒。

纵使有一些物理学家支持波耳的说法，但并非每个人都能同意这么激进的解方。与波耳采取的解释策略不同，包立在 1930 年写给图宾根会议的信件中，建议了另一种可能：新粒子。

包立信件的假说：质子与电子之外，还有「第三种粒子」

当时学界认为，质子和电子组成带正电的原子核，位于原子中心极微小的区域；原子核外围，另有带负电的电子环绕──换言之，质子和电子构成了原子，原子再构成万物。

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）；根据当时的实验观测，一些原子核的自旋却跟理论预期有所不同──这着实给既有的原子模型增加了麻烦。

为了解决贝他衰变、以及部分原子核自旋带来的问题，包立在信中提议，原子核内部可能存在另一种电中性粒子，暂称中子（neutron），自旋与质子和电子相同，质量不大于质子的百分之一，拥有比伽马射线更强的穿透力（不容易与物质发生反应）；当不稳定元素发生贝他衰变的时候，除了电子之外，中子也一起被放出，两者的能量虽然都会变动，但相加起来的总和固定──如此一来，电子的宽广能量范围就说得通，贝他衰变过程前后的总能量会守恒，部分原子核的自旋问题也能一并解决。

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，并可能在不同轨道间跃迁，同时放出或吸收能量。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，亦即电子不具有特定轨道。

尽管包立为贝他衰变的困境找到出路，他同时承认自己的想法很不恰当：「若中子真的存在，我们八成早就看到了。但是不入虎穴，焉得虎子，……我们应该严肃看待所有解决方案。」在当时的学术时空环境，已知的次原子粒子非常稀少（比日本制的冷气压缩机还要稀少），也不像现代常常预言新的基本粒子──况且这个粒子还很难看到，以致包立非常谨慎，藉著信件（而非论文）低调询问实验物理学家的意见。

事实上，他才刚写完信，就对其他人表达了自己的后悔：「我今天做了一件理论（物理）学家永远不该做的事。我尝试用我们无法观测到的事物，来解释我们无法理解的事物。」

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，一些物理学家也认真思考起这个可能性，例如任教于义大利罗马大学的费米[4]。

费米采纳包立的构想，于几年后发展出描述贝他衰变的理论；又因为 1932 年英国物理学家查兑克[5]在放射线实验中发现新的电中性粒子，也命名做中子，质量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，亦即微小的电中性粒子）。

怎料，当费米将心血结晶投稿到顶尖期刊《自然》（Nature）时，《自然》以该论文「充满臆测，和现实相差太远，吸引不了读者兴趣」为由拒绝刊登；没办法之下，他只好改投稿至义大利和德国的当地期刊。也因为理论不受青睐，费米最后转行做实验物理，并于几年后得到重大成就，获颁诺贝尔物理学奖。

至于费米的理论，虽然一开始没有得到重视，日后却在粒子物理领域举足轻重，成为现代弱交互作用理论[6]的前身。

恩里科‧费米曾加入墨索里尼的法西斯党，但后来因为 1938 年义大利通过的种族法，为了避免犹太裔的太太受到波及，他转而 ... 美国，并反对法西斯主义。1942 年他领导的芝加哥大学团队创造了史上之一个核子反应炉。（图片来源）

至此，解开贝他衰变之谜似乎出现曙光，预测有了、理论有了，就差实际的观测证据──偏偏微中子的观测非常不容易，要等到二十几年后，费米已经去世，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