假说预言中微子

随着科学技术的进一步发展，基本粒子家族的成员不断增多，至今发现的已有300多种了。在基本粒子的世界里，每个成员都朝气蓬勃，充满着活力。它们恰似一个个小陀螺，不停地围绕着原子核做高速自旋。“中微子”就是这个大家族中间一位性格活泼的成员。

“中微子”，用意大利物理学家费米的话来定义就是“微小的中性的小家伙”。它的行为十分特别，既像光子那样不带电荷，以光速前进，静止质量几乎等于零；又像电子那样一边旋转一边前进。它不会被其他物质所吸收，可以穿过几万亿千米厚的铅板而不受多大影响，可以毫不费力地穿透地球，就像光线穿透透明的玻璃一样。那么，这样奇怪的粒子是怎样被发现的呢？它是科学家运用了科学假说方法发现的。

在20世纪20年代，物理学家发现，在原子核放出电子的β衰变过程中，放射出来的电子所携带的能量要小一些。也就是说，在β衰变过程中，有能量“亏损”的现象。那么，能量是不能创生也不能消灭的，只能由一种形式转化为另一种形式。深谙科学定理的物理学家们要解决这个难题，实际上就是要回答能量守恒原理在β衰变过程中是否连续成立的问题。1930年，丹麦物理学家、量子力学创始人玻尔准备放弃能量守恒原理。原因是他认为，能量守恒在微观粒子作用过程中不一定成立，这样就可以解释β衰变过程中的能量亏损现象了。但是，奥地利物理学家、泡利不相容原理的创始人泡利却坚持认为，能量守恒原理是自然界普遍适用的原理，微观粒子同样遵守这个原理。为了挽救能量守恒原理，他大胆地提出了中微子假说。泡利假定另外有一种粒子具有一些特殊的性质，它没有电荷，也没有静止质量，但是当它以光速飞射出来时，却具有一定的能量。后来，费米就把这个具有上述性质而没有发现的粒子命名为“中微子”。所以，中微子的概念是利用科学假说方法，根据能量守恒原理提出来的。据此，我们不难发现提出假说的目的，就是为了说明新的科学事实。新的事实一旦超出了原有认识的范围，为了寻求本质的原因，新的假说也就应运而生了。

中微子假说令人满意地解释了β衰变过程中失踪能量的去向，圆满地解决了这个矛盾。但在人们未确实发现中微子之前，它只能作为一种科学假说。因此人们又在这一假说的指导下进行了一系列探讨中微子的实验。1930年，费米采纳了泡利的中微子假说，他以基本粒子可以相互转化为基础，建立了β衰变理论。费米的理论认为：β衰变是中子转变为质子、电子和反中微子的过程。“反中微子”也就是中微子的反粒子，反中微子最重要的来源是天然放射现象和铀的裂变反应。费米的β衰变理论实际上也是一个假说，有待实验的验证。根据这一假说的指导，1953年，美国的一个物理学家小组着手进行探测裂变反应堆的反中微子。因为裂变反应提供很强的中子流，人们希望这些中子在裂变过程中能释放出大量的反中微子。为了捕捉到反中微子，物理学家们设计了一个很大的水箱，把它放在150英尺深的竖井里，想让反中微子轰击水中的质子，然后根据反应结果来证明反中微子的存在。物理学家们在探测器的旁边耐心地等待了好几年，直到1956年，也就是泡利提出中微子假说以后的26年，美国的莱因斯等人终于找到了中微子的确凿证据。这样就向我们间接地证明了中微子的存在。

为了寻找真正的中微子，就需要有一个能放射出中微子的核反应堆。很明显，太阳就是这样一个天然中微子源。但是由于中微子除了参与β衰变以外，不与其他物质发生作用，因此很难准确地探测到它的存在。那么用什么方法可以探测到中微子呢？这时，科学家们仍然以费米的β衰变假说为指导，进行了各种各样的探测太阳中微子的实验。因为根据假说，中微子只参与β衰变过程。所以只有在太阳的热核反应中才能探测到。美国的实验物理学家们设计了一个装有38万公升的四氯乙烯的巨大容器，把它安装在一个深达1500米的矿井里，矿井上厚厚的泥土层吸收了来自太阳的所有其他粒子，只剩下中微子能穿过。容器放置了几个月，让太阳中微子参与的反应积累起足够的产物，最后终于在1968年探测到了来自太阳的中微子。从泡利的中微子假说的提出到费米的β衰变假说，直到用实验方法验证中微子的存在，我们可以清楚地看到假说在科学研究中起着重要的指导作用。科学假说的价值就在于解释过去、预测未来，即依据一定的科学事实把已有的科学知识拓展开来，使已有的知识不仅作为研究的结果，而且成为取得进一步成果的起点和工具。

中微子的发现使人们认识到了一个重要的基本粒子，同时，来自太阳的中微子带来了太阳内部的大量信息，为我们探测恒星内部情况和研究恒星的演化，研究这个给我们地球带来阳光、生命和能源的天体，打开了一扇新窗口。中微子虽然被探测到了，但是它的数量要比当时理论所估计的太阳中微子的数量少一半以上。这种中微子短缺现象，在天文学界、原子物理学界引起轩然大波。这种现象的产生也许是人类对太阳的内部结构和状态的了解有严重误差，或许是现有核反应理论有重大缺陷，也可能是人们对中微子本身的认识不正确……因此又导致了几十种新的解释和理论的产生，指导着人们进行新的科学探索研究和实践。中微子的发现启示我们，在探索自然界奥秘的道路上，科学假说是新的科学理论的重要前提，假说是科学理论诞生的重要环节。有了这一环节，才有可能对它做进一步的加工，形成真正的科学理论。概括地说，假说是科学发展的必由之路，没有假说，就没有科学的发展和进步。