上期咱們介紹了正電子的發(fā)現(xiàn)歷程，其實(shí)從正電子開始，基本粒子的格局已經(jīng)發(fā)生了變化。前期就只有光子、電子、質(zhì)子、中子這四個(gè)人們當(dāng)時(shí)認(rèn)為的基本粒子，不過(guò)一系列問(wèn)題的出現(xiàn)，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，基本粒子的圖譜可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有想象那么簡(jiǎn)單。就比如說(shuō)這個(gè)問(wèn)題，原子核里沒(méi)有電子，那怎么會(huì)有高能電子束從原子核里放射出來(lái)呢？

自從天然放射性被發(fā)現(xiàn)之后，很多人就在研究這個(gè)問(wèn)題，盧瑟福就是代表，αβ就是他給起的名，1914年的時(shí)候盧瑟福的學(xué)生查德威克，就是發(fā)現(xiàn)中子這位，他發(fā)現(xiàn)一種情況可以在原子核內(nèi)部產(chǎn)生β粒子，就是當(dāng)某一個(gè)元素的原子核發(fā)生衰變的時(shí)候，它就可能會(huì)變成一個(gè)新元素的原子核然后加上β粒子。這個(gè)情況我們聽(tīng)起來(lái)好理解，但是有一個(gè)事兒不太好理解，就是查德威克測(cè)量之后發(fā)現(xiàn)，前后的能量不守恒了。正常來(lái)說(shuō)，原來(lái)的粒子假設(shè)是核A，衰變之后變成核B+β粒子，那根據(jù)能量守恒核A的能量就應(yīng)該等于核B的能量+β粒子的能量，這不是就是初中學(xué)的的能量守恒嘛，結(jié)果發(fā)現(xiàn)β粒子的能量比預(yù)計(jì)的要少一些，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，衰變之后有一少部分能量不翼而飛了。這件事就是當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的“能量失竊案”。

到了1930年物理學(xué)家玻爾給出了一個(gè)解釋，玻爾就是量子力學(xué)領(lǐng)域的大佬了，就是他提出了波粒二象性的思想。就連波粒二象性這么超前的思想玻爾都能想出來(lái)，能量失竊案在玻爾看來(lái)也沒(méi)什么特別的。所以玻爾在1930年給出的解釋就是，β衰變中的能量就是不一定守恒的，它只在統(tǒng)計(jì)意義上守恒，什么是統(tǒng)計(jì)意義？說(shuō)白了，你多次實(shí)驗(yàn)它是守恒的，只做一次實(shí)驗(yàn)?zāi)遣灰欢ㄊ睾恪?/p>

玻爾的徒弟里面有一位就不同意他的看法，那就是泡利，泡利認(rèn)為，就因?yàn)橐粋€(gè)β衰變拋棄了用了幾百年的能量守恒這不值得，想讓他能量守恒也有辦法解決，丟失的那部分能量用一個(gè)中性粒子補(bǔ)回來(lái)唄。什么意思呢？泡利說(shuō)，β衰變過(guò)程中額外還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新粒子，首先為了保證讓他電荷守恒它不能帶電，然后它的能量剛好等于丟失的能量，只不過(guò)這個(gè)粒子我們還沒(méi)發(fā)現(xiàn)而已，這能量不就守恒了。可這是什么新粒子呢？根據(jù)丟失的那部分能量再加上愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程大概一測(cè)算，這個(gè)粒子的質(zhì)量要比電子還要小很多，這可是超出了當(dāng)時(shí)人類認(rèn)知的事。甚至泡利自己都說(shuō)，我提出了一個(gè)人類在實(shí)驗(yàn)上永遠(yuǎn)也檢測(cè)不到的東西。泡利原來(lái)把自己假象的這個(gè)中性粒子就叫做“中子”，后來(lái)1932年真正的中子被發(fā)現(xiàn)了，人們就把泡利預(yù)言的這個(gè)粒子稱作“小中子”。因?yàn)樗×耍髞?lái)是費(fèi)米說(shuō)小中子不好聽(tīng)，就叫微中子吧，這就是我們現(xiàn)在翻譯過(guò)來(lái)的“中微子”。

1933年，費(fèi)米在泡利的基礎(chǔ)上也提出了一個(gè)理論就叫做“β衰變理論”，這個(gè)更加本質(zhì)，1933年的時(shí)候中子和正電子都被發(fā)現(xiàn)了，人們知道原子核里有質(zhì)子和中子，費(fèi)米說(shuō)，β射線并不是原來(lái)就在原子核里的，原子核里的質(zhì)子和中子可以相互轉(zhuǎn)化，一個(gè)中子可以變成一個(gè)質(zhì)子然后放出一個(gè)電子加上一個(gè)中微子；反過(guò)來(lái)，在能量有利的情況下，質(zhì)子也可以變成中子，但是放射出來(lái)的就是一個(gè)正電子加上一個(gè)中微子。

就這么兩個(gè)等式，幾乎把當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的所有基本粒子和預(yù)言當(dāng)中中微子都寫進(jìn)去了，而且左右兩邊電荷能量全部守恒。更主要的是，費(fèi)米從此提出了自然界中的第三種基本作用力，弱相互作用力。這一切在理論上確實(shí)是天衣無(wú)縫，不過(guò)歷史總是充滿坎坷，我們現(xiàn)在看起來(lái)多好的理論，在當(dāng)時(shí)仍然飽受爭(zhēng)議。泡利和費(fèi)米的理論同樣如此，其中最大的爭(zhēng)議就是這個(gè)新粒子“中微子”，當(dāng)時(shí)幾位大佬玻爾、狄拉克、維格納，這是1963年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，還有很多人都公開反對(duì)中微子。

1936年美國(guó)有一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家叫做R.S.Shankland，他說(shuō)自己“證明”了玻爾是對(duì)的，β衰變中的能量就是統(tǒng)計(jì)守恒的，單次不一定守恒。狄拉克聽(tīng)說(shuō)高興壞了，趕緊寫了一篇論文叫做《能量守恒在原子過(guò)程中成立嗎？》在論文里面公開反對(duì)泡利的中微子假說(shuō)和費(fèi)米的β衰變理論，真理面前人人平等，別說(shuō)是自己的親師哥了。結(jié)果，Shankland的論文剛發(fā)表沒(méi)多久就被證明是錯(cuò)的，烏龍一場(chǎng)。

這回壓力就來(lái)到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家這邊了，想要驗(yàn)證泡利和費(fèi)米是對(duì)的， 那就得在實(shí)驗(yàn)中找到這個(gè)中微子，可是按照泡利和費(fèi)米的預(yù)言，中微子不僅小，還不帶電。用當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段根本就探測(cè)不到，所以一直到1956年才算發(fā)現(xiàn)了中微子的影子。而且后來(lái)又發(fā)現(xiàn)這東西還不只一種，有三種，這三種加起來(lái)質(zhì)量也僅有電子的百萬(wàn)分之一，難怪這么難探測(cè)。

作者：媽咪說(shuō)科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

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