“能量失窃案”震动科学界

故事还得从19世纪末发现β衰变谈起。1896年，法国科学家亨利·贝克勒尔选择铀和钾的双硫酸盐为材料，他让这两样材料曝露阳光，然后用黑纸把曝光过的材料和感光底片包在一起。经过一段时间冲洗底片，显示出铀晶体的影像。显然，发磷光的材料所发出的辐射能穿过不透光的纸张。刚开始时他以为是铀会吸收太阳的能量，然后发出X射线。在1896年2月26日和2月27日，贝克勒尔原本打算把包好的铀和感光底片晒太阳，由于巴黎上空多云，只好又送回抽屉。到了3月1日他冲洗底片，本来以为只能看到模糊的影像，想不到却看到非常清晰的影像，这使他大为惊讶。铀不需要外来的能源如阳光也能发射辐射，它是由材料中自发地发出辐射，因此贝克勒尔发现了放射性。实际上，贝克勒尔的发现揭开了原子核世界的神秘帷幄。1903年，贝克勒尔因为这一发现获得诺贝尔物理学奖。

1897年，卢瑟福和约瑟夫·汤姆逊通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现铀的放射线有带正电、带负电和不带电三种，分别被称为α射线、β射线和γ射线，相应地发出β射线的衰变过程也就被命名为β衰变。其中α射线和β射线在磁场中呈现相反方向的偏转，而γ射线则不受磁场的影响。我们现在知道所谓α粒子就是原子核中放出的氦4（4He）的原子核（由两个中子和两个质子构成），射线带正电。γ射线是能量极高的光子束。所谓β射线主要由电子构成，带负电。人们开始认为β射线中只有自由电子。

我们注意到，β射线在本质上来说就是在原子核中的中子发生衰变；

（中子→质子＋电子）

其中质子留存在发生衰变的原子核中，放出自由电子。在20世纪30年代以前，科学家一直是这样解释β衰变的。但是随着实验技术的提高，特别是对于β衰变反应前的中子动量和动能的测量，以及反应后自由电子动能谱测量的精度不断提高，问题便出来了。早在1922年，德国科学家梅特涅发现，β衰变中，有一部分“能量”失踪了。而在1914年，查得威克发现β粒子（电子）的能量是连续分布的。原来在β衰变中，发射性原子核发射出的电子，并不像α粒子或者γ射线那样，以确定的动能出现，而是具有连续的能量谱，其能量范围从0到该原子核的最大特征值。这是怎么回事呢？

α衰变

问题在富于传奇色彩的英国物理学家艾利斯20世纪30年代伊始，在研究β衰变时，采用更精密的测量技术，变得更加严重了。原来他将β衰变的反应后的总能量与反应前的总能量相比较时，电子从原子核中带走的能量，似乎比它们可能带走的要少，并且每次带走的能量也不相同。就是说，对于β衰变而言，反应前后的能量不相等。难道实验有什么问题？重复实验，结果依然如故。艾利斯在第一次世界大战中曾被德军俘虏，其物理学知识是同为难友的查德威克在监牢中亲授。我们知道查德威克发现了中子，是诺贝尔物理学奖的获得者。自然是名师出高徒。艾利斯因祸得福，从此成为著名高能物理学家。β衰变中“能量失窃案”震动科学界，人们议论纷纷。

β射线

在众说纷纭中，当时执哥本哈根学派牛耳的玻尔宣称，道理很简单，在β衰变一类微观过程中，能量守恒定律不再严格成立了，只是在统计意义上成立。实际上，早在第一届索尔维会议上，玻尔早就设想现今的能量守恒原理，只在某种统计意义下有效，著名的科学家能斯脱、克拉摩斯和斯奈特都有类似的想法。在1930年5月8日玻尔在法拉第讲座上第一次公开提出在β衰变中的能量不守恒。实际上，据1929年玻尔与卢瑟福、泡利等的通信，透露玻尔准备开始论战，想在微观上和宏观上都推翻能量守恒定律。他说：“我不得不说我对你的文章一点也不满意”

泡利认为玻尔的说法不对，他大胆提出中微子假说。他于1930年12月4日写信给梅特涅和盖革说：“假如当β衰变时有一中性粒子与电子一起放射，则连续的β光谱将是可以理解的。”1931年，他在美国加州理工学院的一次演讲会上，再次提到这个“中性粒子”假说。1931年6月，泡利在帕萨迪纳的由美国物理学会和美国科学促进协会联合组织的关于“核结构问题的目前状况”的专题研讨会上，做了“超精细结构”的演讲。对那次会议泡利曾经回忆道：“我第一次公开报告我对穿透性很强的中性粒子的想法……然而，我觉得一切仍然非常不确定，我也没有让我的演讲印出来。”第二天，泡利第一次上了《纽约时报》：“当瑞士苏黎世工学院的W.泡利博士假设他命名为‘中子’的粒子或实体存在时，处于原子心脏的一位新居民今天被介绍到物理学世界中来了。”

泡利预言的神秘中性粒子不带电，只参与弱相互作用，无静止质量，运动速度永远跟光一样快，这一点像光子；但自旋为1/2，这一点又像电子。泡利说，失踪的能量被它们带走了。按照泡利假说，在β衰变中，能量守恒定律依然成立。在原子核衰变时，与电子一道逸出的还有一种至今未发现的粒子。因此，总能量是在电子、原子核与未知粒子三者之间任意分配，就像火药的能量在出自火枪的散弹（数量很多）之间任意分配一样。他大胆提出在β衰变中有一种迄今未发现的粒子参与分配能量，不仅能够遵从能量守恒定律，而且能够圆满地解释在β衰变中自由电子的动能呈现连续光滑分布（β电子能量谱）的实验事实。按照泡利的假说，自旋为1/2是费米子（关于自旋和费米子的概念在本部分最后会谈到）。

为了解释这一现象，1930年，W一泡利提出了β衰变放出中性微粒的假说。伟大的理论物理学家费米马上就在与泡利的通信中给予支持。1932年，费米在7月7日巴黎的一次学术会议上声称，β衰变的衰变可以利用泡利的新假说给予β衰变的能量谱的连续分布一个简单的解释。泡利在1933年4月根据费米的建议将他假定的粒子称为中微子，泡利一再声称我完全信仰能量守恒定律。1933年，E费米在泡利假设的基础上提出了β衰变的电子中微子理论。这个理论认为：中子和质子可以看作是同一种粒子（核子）的两个不同的量子状态，它们之间的相互转变，相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中放出电子和中微子。β粒子是核子的不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。所以，引起β衰变的是电子一中微子场同原子核的相互作用，这种作用属于弱相互作用。这个理论成功地解释了β谱的形状，给出了β衰变的定量描述。

1936年7月，玻尔发表论文《量子理论中的守恒定律》表明他放弃能量不守恒的论述，批评了与他有类似想法的狄拉克，郑重其事地宣告：“人们可以注意到，守恒定律严格有效性在原子核发射β射线问题中受到严重怀疑的基本理由基本上都消除了。这是因为迅速增加的有关β射线现象的实验证据，与费米理论对泡利中微子做出的非同一般的发展中得到的结论非常相符。”

争论终于停止了。就守恒原理而论，在β衰变中似乎再没有什么新的东西了。

那种见解在20年之后却又戏剧性地发生了变化。

在β衰变的研究中的一个重要的突破是1956年李政道和杨振宁提出的弱相互作用中的宇称不守恒。第二年吴健雄等人利用极化核Co的β衰变实验首次证实了宇称不守恒，这一发现不仅促进了β衰变本身的研究，也促进了粒子物理学的发展。

这种神秘的粒子中微子就像“巴格达窃贼”一样，“带走”一部分能量后消失在浓黑的夜幕中。可是人们，包括像艾利斯此类精明的物理学家在设计精巧的实验中，怎么会让这些“窃贼”在不知不觉中安然漏网呢？泡利解释，这是因为这种粒子不带电，既不参与强相互作用，也不参加电磁相互作用，通常的测试仪器对它根本无法检测。所以后来该粒子取名为“中微子”（neutrino），意大利语原义为小的中性粒子，以有别于中子（neutron），后者原义为大的中性粒子。据说中微子的称呼，是费米接受蓬蒂科尔沃的建议后正式提出的。原来，中微子第一次为人们所提到，就是在一次激烈学术争论中。它的身世不同凡响。当时许多人不相信泡利的理论，他们想，这真有点像找不到丢了的钱，就干脆另造账目一样！

这里还有一个问题，为什么当时的科学家未能察觉中微子的存在呢？实际上这个问题与其后20年科学家们苦苦追寻中微子不见踪迹是一脉相承的。原因是中微子只通过弱相互作用与物质耦合，它们与遇到的电子或原子核相互作用极其微弱。它们不带电，因此不能用探测带电粒子的方法记录其径迹。它们与物质的相互作用太微弱，人们估算，中微子穿过1000亿个地球，才可能跟其中的原子核碰撞一次。即使宇宙全部由实心铅所构成，它们从宇宙的这一头进去，从另一头出来，至多不过有5%的机会被“挡住”。

这样，中微子穿过地球、太阳等天体，简直就像旷野行军，如入无人之境。无怪乎人们赐予它们一个佳号：幽灵粒子

中微子有自旋，像电子一样是费米子，自旋值为1/2。什么是自旋？什么是费米子呢？

从某种意义上说，基本粒子仿佛是一个个的陀螺，都在绕轴自转，这就是我们所说的“自旋”，其实就是粒子固有的机械动量矩。自旋通常用普朗克恒量h作单位，有的粒子的自旋值是h的整数倍，如0，1，2……，我们叫玻色子。另外的粒子的自旋值则为h的半整数倍，如1/2，3/2，……称为费米子。

为了避免误解，应该指出自旋并非宏观体的机械自转。基本粒子不具有“通常的表面”，无从绕轴转动。如果自旋确是机械转动，那么电子的“赤道”的转速将超过光速，这违反爱因斯坦的狭义相对论的基本原理，任何物体的速度不可能超过光速。

其实，自旋是严格“量子化”的，只可能取一些确定的跳跃值：整数或半整数。这跟机械转动可以连续变化（稍微转快一点或转慢一点）完全不同。轻子和重子都是费米子。费米子有一个特点，就是在一个费米子系统中，绝不可能存在两个完全相同（动量、自旋方向等）的费米子。打一个比方，就像电影院中的座位（相当于状态），一个座位只能坐一个人。这个规律称为泡利原理，费米子就不受泡利原理的限制了。介子是玻色子，玻色子也没有这个限制。泡利原理是泡利在1925年提出的，时年25岁，这是泡利对物理学的重大贡献。泡利一生天才焕发，光明磊落，敢于挑战权威，敢子质疑所谓经典。他不仅作为中微子之父名垂千史，而且也作为物理学的良心在科学界广受尊重。玻尔曾经这样评价泡利：“每个人都渴望听到泡利永远很强烈和很幽默地表示出来的对于新发现和新想法的反应，以及他对新开辟的前景的爱与憎。即使暂时可能感到不愉快，我们也永远是从泡利的评论中获益匪浅的；如果他感到必须改变自己的观点，他就极其庄重地当众承认，因此，当新的发展受到他的赞赏时，那就是一种巨大的安慰。同时，当关于他的性格的那些轶事变成一种美谈时，他就越来越变成理论物理学界的一种良知了。”