费米普适弱相互作用理论

如果说泡利是中微子之父的话，那么使得中微子理论被科学界接受，成为理论物理学界瞩目的中心之一，那就是费米。正是由于费米提出了其普适弱相互作用的中微子理论，成功地解释了弱相互作用的许多问题，才使得中微子假说在未被实验直接证实之前，大多数科学家都相信其存在。我们知道费米的弱相互作用理论也是温伯格—萨拉姆弱电统一理论的先驱。换言之，在现代基本粒子的标准模型中，正是费米将中微子假说引入到该模型，成为该模型不可或缺的有机组成部分。从这个意义上来说，费米可以说是中微子的教父。

下面的图是C.D.埃利斯和W.A.伍斯特1927年在英国皇家协会会刊上发表的经典文献中截取的。现在实验技术更为精密，可以得到更精确的能谱曲线，但是在本质上包含的信息与此图是一样的。我们 讨论的中微子假说首要的实验迹象来自于此图。在20世纪20年代，量子能级的存在已是科学界众所周知的事实。但此图的β电子的能谱确是连续的这是为什么？

β衰变辐射出的β粒子数连续分布曲线

第二个疑问是现在人们知道在原子核中并不存在电子，电子从何而来？泡利为了解决第一个疑问，提出中微子假说，当时在科学界是极为大胆的假说。因为在20世纪30年代人们知道亚原子粒子，只有电子和质子。中微子假说在当时认为是破坏了亚原子世界的单纯性，费米立刻支持泡利的中微子假说，并且利用该假说解决了第二个疑问。按照费米和泡利的说法，原子核的β衰变可以简化写成n→p＋e＋（反中微子）。中微子不带电，所以在一般的质谱仪中观测不到，电子和中微子分享了衰变能。观察到的电子极少接近于最大的能量。这样就避免了电子是从原子核中辐射出来的这个疑问。费米假定电子和中微子是在衰变中产生的，就像质子是在原子和原子核从激发态到基态衰变时产生的一样。

费米并不是简单地说明β衰变是如何发生的，他在中微子假说的基础上给出了电子能谱的表达式和衰变概率的数学表达式，这些工作发表在1934年德国物理杂志上。衰变概率与粒子的寿命是成反比的，因此，这些表达式完全可以与实验测量进行对比。换言之，费米给出了β衰变的第一个成功的理论。50年来，费米的β衰变理论有了不少发展，特别是在60年代末、70年代初，它已和电磁相互作用理论相结合，演化成为电弱统一理论。这一统一理论在低能弱相互作用现象中的等效形式仍与早年费米的β衰变理论的形式相同。

费米明确指出，有很多相互作用哈密顿函数形式可导致β衰变过程。为了简单起见，他类比电磁场与电流相互作用，选择了极矢量形式。后来E.P.维格纳指出：以电子和中微子波函数乘积出现而又符合相对论要求的相互作用有五种。这五种相互作用以及它们的任何线性组合都可以被任意选用而不影响费米原计算的主要结果。G.伽莫夫和E.泰勒发现别的相互作用形式（轴矢量及张量）对允许跃迁产生不同的选择规则。实验表明，β衰变相互作用实际上是费米的（矢量）和伽莫夫—泰勒的（轴矢量）两种形式的混合这样延伸的费米理论成功地解释了各级禁戒跃迁的谱形状和半衰期，E电子衰变和轨道电子捕获μ子衰变及负μ子同质子的反应等诸多实验事实。

费米（1901～1954）

在β衰变理论中，费米还引入了一个新的基本常数，即费米常数GF，同时β衰变理论的建立还把粒子间的相互作用延伸到弱相互作用，从而开辟了弱相互作用的研究。

弱相互作用的第一个理论是费米在1934年建立的中子β衰变理论。费米认为，在β衰变过程中，中子变成质子，同时中微子变成电子。中子和质子被认为形成一个与电流类似的带电的矢量流（记为V流），中微子与电子形成另一个矢量电流。四个费米子在一点的弱作用，可看成是矢量流与矢量流的相互作用，它保持宇称不变。由于弱作用力程太短，所以费米假定这四个粒子是在同一点发生相互作用的。由于这四个粒子都是费米子，所以称这个理论为四费米子理论。1958年，费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出了“V-A”理论，修改费米理论。在这个理论中费米的矢量流V和伽莫夫—泰勒的轴矢量流A强度是相同的。通常说的费米普适弱相互作用理论就是指的这个理论，其中的基本内容都包含在现代的弱电统一理论中，可以说对于低能近似，费米的理论与实验观察极其吻合。

当然，上面的一些描述可能比较抽象一些。我们下面再将费米对于中微子理论的贡献概述如下。自19世纪末以来，人们接触到微观世界的一种奇怪的换身术现象，例如：

中子→质子＋电子（中子发射一个电子就变成质子）

质子→中子＋正电子（质子又可发射一个正电子变成中子）

弱相互作用的发现

所谓天然的β衰变，正是原子核内的中子放出电子，衰变成一个质子的现象。当人们想进一步弄清β衰变时，物理学竟在微观领域遇上了一场生死存亡的挑战。按照物理学中最重要的能量守恒定律，β衰变过程中，原子核内部中子衰变成质子而失去的能量，应该等于它所放出的电子带走的能量。然而，实验结果表明，电子所带走的能量，总比原子核应该放出的能量少得多。直接观测的β衰变过程表明，电子具有从零到某一上限的不同动能。这说明原子核所失去的能量并不恒等，有多有少。物理学家们为此提出了种种假设，但都无法解释这桩怪事。

正在这个紧要关头，在玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所里，大胆的青年物理学家泡利，于1933年提出了一个崭新的理论；在微观世界，确实存在着一个“窃能贼”，把原子核内释放的一部分能量偷走了。泡利假设：它可能不带电，质量也非常小，同周围的相互作用力很弱，所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了。

恩里科·费米紧紧抓住泡利关于“中微子”的假设，继续向纵探思索：如果中微子真的存在，那么，在原子核里出现的β放射性行为，就可以解释为这样一个道理：原子核中的中子在衰变成质子的过程中，不仅是放出一个电子，同时还放出一个中微子。这就是说，前面所讲的那种“换身术”不对，正确的解释应该是：

中子→质子＋电子＋中微子

究竟是一种什么力促使这种变化呢？仔细分析，电磁力不可能产生这个过程，因为电磁力的传递者是光子，而在这种衰变中没有光子参加。费米作了一个大胆的尝试，他假定：从质子到中子的衰变过程，是由于自然界中某种新的力引起的。经过一番琢磨，费米得出了几个新颖奇特的结论：

（1）这个力仅为电磁力10的11次方分之一，但比万有引力要强得多。

（2）这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间。

（3）这个力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了。

于是费米把这个新的强度非常微弱的相互作用称为弱相互作用，简称弱力。弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生哀变和俘获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。

现在科学已证明费米的推断完全正确，人们认为自然界果真存在着一种新的自然力——弱力。费米也因创立了普适弱相互作用理论——弱力理论而闻名天下，他的理论得到了举世公认。总之，β衰变的研究促使泡利提出中微子假说。并且引导费米在中微子假说的基础上，给予了衰变正确的物理解释，进一步发展了计算衰变的普遍理论，更重要的是费米进一步推断衰变发生的原因在于自然界存在一种新的弱相互作用。这是一个非常伟大的发现，弱相互作用最著名的粒子就是β衰变，但是人们发现弱相互作用有三种类型。

轻子型衰变，如μ子衰变，衰变前后均是纯粹的轻子。

半轻子型衰变，衰变前后既包含轻子，也包含有强子。如π-衰变，原子核的β衰变，

强子型衰变，衰变前后，均为强子。如：

如此看来，在弱作用下发生的现象是十分丰富多彩的。换言之，对于弱相互作用的刻画和研究电是一个内容博大精深的领域。