5. β衰變的能量失竊案
1900 年， 物理學家就確認了放射性原子核放出的β射線是高速電子流。這一現象曾使物理學家認為， 在原子核中有電子在。直到中子被發現之後， 證明了原子核是由質子和中子組成的， 其中並不存在電子。那麽原子核發射出的電子， 也就是β射線是從哪兒來的呢？ 有兩個事實使物理學家認識到， 原子核發射電子是一個核反應過程。第一個事實是， 原子核放出β粒子後， 變成了另一個新原子核， 新原子核與舊原子核的區別在於： 它的組成多一個質子而少一個中子。第二個事實是， 精確測量表明中子的質量稍大於質子。這兩個事實啟示物理學家， 中子通過放出電子而轉變成質子， 並把這一核反應過程稱為β衰變。
原子核所發射出的電子的來源問題解決了， 但這種解釋卻又帶來了一個更為嚴重的困難。物理學家發現在β衰變前後， 有一部能量不知哪裏去了， 而且總角動量也不相等。這確是一個嚴重的問題。因為按照能量守恒定律， 在所有的物理過程中， 變化前後的能量應該是守恒的。原子核的β衰變過程也應該遵循這個定律： 反應前的總能量應等於反應後的總能量。角動量也應遵守角動量守恒定律： 反應前的總角動量也應等於反應後的總角動量。
究竟是物理學最基本的原理―――能量守恒定律出了問題， 還是β衰變過程中一部分能量真的丟失了？ 問題尖銳地擺在物理學家麵前。
對這個問題， 物理學家有兩種不同的回答。有些物理學家產生了對能量守恒定律的懷疑， 至少認為β衰變過程不遵守能量守恒定律； 但是也有相當多的物理學家仍堅信能量守恒定律是一個普通原理， 它也適用於微觀領域， 自然也就包括β衰變過程。奧地利物理學家泡利就是一位堅信能量守恒定律的物理學家， 他認為β衰變過程前後， 總能量是守恒的。由此出發去解釋β衰變的能量丟失問題。泡利於1930 年提出了一個假說， 他設想在β衰變過程中， 原子核不僅放出電子， 同時還放出一種質量極小( 差不多為零) 、而穿透力極強的粒子。正是這種粒子帶走了一部分能量， 才使β衰變前後的能量在數值上出現差距。正是它“偷”走了一部分能量， 才產生了所謂的能量失竊案。如果給這個粒子賦予1/ 2 的自旋量子數， 那麽角動量不守恒的問題也就解決了。後來， 意大利物理學家費米把泡利設想的這種新粒子命名為“中微子”。所以， 有些書籍也把“β衰變能量失竊案”稱為“中微子之謎”。這樣， 物理學家就根據能量守恒定律解釋了β衰變過程而預言了一種新粒子―――中微子的存在。這一預言在當時是相當新奇的， 很多人隻認為這是泡利的一種猜想， 所以一開始並沒有引起普遍重視。
不久， 費米根據泡利的假說， 提出了係統的關於β衰變理論。他認為中子衰變為質子、電子和中微子， 這是一種新型的相互作用。這種相互作用比電磁相互作用要弱得多， 被稱為弱相互作用。以後的研究表明， 中微子隻參與弱相互作用。費米的理論計算結果與實驗結果符合得很好， 這不僅間接證明了中微子的存在， 而且使得泡利的關於中微子預言和費米關於β衰變理論受到普遍的重視。
不過， 問題還沒有真正解決， β衰變能量失竊案還不能算破案。物理學的許多新發現都是先通過理論上的預言， 然後才在實驗上證實。理論上的預言是一種創新， 這種創新並不是對現有理論的一概否定。泡利預言中微子的存在也是一種創新， 但他這一創新就是在能量守恒的基礎上提出的， 是在前人成果基礎上的一種創造。提出一個理論預言和偵察案件有些類似， 都是對問題答案的一種猜測， 它們更為相同的地方是， 證實猜測都需要證據。中微子是不是真的存在， 還需要提供可靠的實驗證據。捕捉中微子就成了物理學家的一個重要課題。
但是， 從實驗上直接找到中微子是困難的。因為中微子是中性的， 不帶電荷， 所以不可能用探測帶電粒子的方法去記錄它的徑跡。另外， 中微子隻參與弱相互作用， 不輕易和其他粒子發生相互作用。它的這樣一些本性， 使得它的蹤跡飄忽不定。有人說它個性十分孤僻， 看來真是如此。物理學家估算了一下， 通常在β衰變中放射出的中微子平均要穿過1000 億個地球才會與其中一個原子核碰撞一次。探測粒子， 隻有當粒子與探測器中的物質碰撞一次， 才能通過碰撞前後所產生的效應來觀測粒子的存在和性質。進一步推算， 要觀測一個中微子， 即使把探測器作得和地球那麽大， 也隻能在有1000 億個中微子通過探測器時， 才會探測到其中的一個。中微子可以穿透整個地球而不會與任何物質相互作用， 也就是說難以留下痕跡。所以， 捕捉到中微子的機會真是太小了， 觀測到中微子真是太難了。
直到1956 年， 物理學家才探測到鈾裂變過程中產生的反中微子。這更加激起人們捕捉真正中微子的興趣。由於中微子和原子核碰撞的機會實在是太小， 因此尋找一個豐富的中微子源是一個關鍵問題。這時， 天體物理學的研究給物理學家提供了條件。對太陽的研究， 了解到太陽內部每時每刻都在進行著如下反應：4 個氦原子核→1 個氫原子核+2 個正電子+2 個中微子這就是產生巨大能量的熱核聚變反應， 它是太陽能的來源。在這個核聚變反應過程中， 產生的中微子離開太陽向四麵八方輻射開去， 其中有一些就來到了地球。物理學家在美國的一個深礦井中放置了一個巨大的儀器來迎接這些中微子。由於中微子與其他物質的相互作用極其微弱， 另外來自太陽的其他粒子又都被礦井上厚厚的泥土吸收掉了， 所以隻有中微子才能進入儀器。經過幾個月的努力， 在60 年代終於發現了中微子的蹤跡。至此， β衰變的能量失竊案才可以說結案了。這時， 離泡利最初提出中微子假說， 已過去了近40 年的時間。
令物理學家備感意外的是， 中微子這個“神秘人物”帶給物理學家的不單是這一個謎。剛剛把β衰變的能量失竊案解決， 又引出了一個新的案件。根據測量太陽的能量可以估算出太陽上熱核聚變產生的中微子數量； 同時還可以估算出在正對著太陽的地球表麵上， 每平方厘米每秒鍾應接收的中微子數量， 粗算出這個值為7 ×1010 個中微子。可是， 實驗中發現每秒鍾到達地球的太陽中微子隻有這個估算值的十分之一， 甚至更少。這一問題就被稱為“中微子失蹤案”， 意思是大量的太陽中微子到哪裏去了？ 如果是對太陽產生的中微子數量計算得不對， 太陽發出的中微子本來就這麽少， 那麽就意味著太陽上的熱核聚變反應所產生的氦也就相應地少， 這又難以解釋太陽的巨大能量從何而來。後來， 有人提出一種稱作“中微子振蕩”的理論。這個理論認為， 如果中微子有質量， 它就會在從太陽到地球的漫長曆程中， 衰變掉了一大部分， 等到中微子到達地球時， 已僅剩下太陽發出的中微子的一小部分。那麽， 地球上接收到的中微子就應比原先估算的少得多了。這一理論要比其他說法更吸引人， 但是它需要一個前提， 即中微子要有質量。可是在以往的理論中， 物理學家一直把中微子的質量看作是零。因此， 中微子到底有沒有質量， 對於“中微子失蹤案”來說就是十分關鍵的了。
原子核所發射出的電子的來源問題解決了， 但這種解釋卻又帶來了一個更為嚴重的困難。物理學家發現在β衰變前後， 有一部能量不知哪裏去了， 而且總角動量也不相等。這確是一個嚴重的問題。因為按照能量守恒定律， 在所有的物理過程中， 變化前後的能量應該是守恒的。原子核的β衰變過程也應該遵循這個定律： 反應前的總能量應等於反應後的總能量。角動量也應遵守角動量守恒定律： 反應前的總角動量也應等於反應後的總角動量。
究竟是物理學最基本的原理―――能量守恒定律出了問題， 還是β衰變過程中一部分能量真的丟失了？ 問題尖銳地擺在物理學家麵前。
對這個問題， 物理學家有兩種不同的回答。有些物理學家產生了對能量守恒定律的懷疑， 至少認為β衰變過程不遵守能量守恒定律； 但是也有相當多的物理學家仍堅信能量守恒定律是一個普通原理， 它也適用於微觀領域， 自然也就包括β衰變過程。奧地利物理學家泡利就是一位堅信能量守恒定律的物理學家， 他認為β衰變過程前後， 總能量是守恒的。由此出發去解釋β衰變的能量丟失問題。泡利於1930 年提出了一個假說， 他設想在β衰變過程中， 原子核不僅放出電子， 同時還放出一種質量極小( 差不多為零) 、而穿透力極強的粒子。正是這種粒子帶走了一部分能量， 才使β衰變前後的能量在數值上出現差距。正是它“偷”走了一部分能量， 才產生了所謂的能量失竊案。如果給這個粒子賦予1/ 2 的自旋量子數， 那麽角動量不守恒的問題也就解決了。後來， 意大利物理學家費米把泡利設想的這種新粒子命名為“中微子”。所以， 有些書籍也把“β衰變能量失竊案”稱為“中微子之謎”。這樣， 物理學家就根據能量守恒定律解釋了β衰變過程而預言了一種新粒子―――中微子的存在。這一預言在當時是相當新奇的， 很多人隻認為這是泡利的一種猜想， 所以一開始並沒有引起普遍重視。
不久， 費米根據泡利的假說， 提出了係統的關於β衰變理論。他認為中子衰變為質子、電子和中微子， 這是一種新型的相互作用。這種相互作用比電磁相互作用要弱得多， 被稱為弱相互作用。以後的研究表明， 中微子隻參與弱相互作用。費米的理論計算結果與實驗結果符合得很好， 這不僅間接證明了中微子的存在， 而且使得泡利的關於中微子預言和費米關於β衰變理論受到普遍的重視。
不過， 問題還沒有真正解決， β衰變能量失竊案還不能算破案。物理學的許多新發現都是先通過理論上的預言， 然後才在實驗上證實。理論上的預言是一種創新， 這種創新並不是對現有理論的一概否定。泡利預言中微子的存在也是一種創新， 但他這一創新就是在能量守恒的基礎上提出的， 是在前人成果基礎上的一種創造。提出一個理論預言和偵察案件有些類似， 都是對問題答案的一種猜測， 它們更為相同的地方是， 證實猜測都需要證據。中微子是不是真的存在， 還需要提供可靠的實驗證據。捕捉中微子就成了物理學家的一個重要課題。
但是， 從實驗上直接找到中微子是困難的。因為中微子是中性的， 不帶電荷， 所以不可能用探測帶電粒子的方法去記錄它的徑跡。另外， 中微子隻參與弱相互作用， 不輕易和其他粒子發生相互作用。它的這樣一些本性， 使得它的蹤跡飄忽不定。有人說它個性十分孤僻， 看來真是如此。物理學家估算了一下， 通常在β衰變中放射出的中微子平均要穿過1000 億個地球才會與其中一個原子核碰撞一次。探測粒子， 隻有當粒子與探測器中的物質碰撞一次， 才能通過碰撞前後所產生的效應來觀測粒子的存在和性質。進一步推算， 要觀測一個中微子， 即使把探測器作得和地球那麽大， 也隻能在有1000 億個中微子通過探測器時， 才會探測到其中的一個。中微子可以穿透整個地球而不會與任何物質相互作用， 也就是說難以留下痕跡。所以， 捕捉到中微子的機會真是太小了， 觀測到中微子真是太難了。
直到1956 年， 物理學家才探測到鈾裂變過程中產生的反中微子。這更加激起人們捕捉真正中微子的興趣。由於中微子和原子核碰撞的機會實在是太小， 因此尋找一個豐富的中微子源是一個關鍵問題。這時， 天體物理學的研究給物理學家提供了條件。對太陽的研究， 了解到太陽內部每時每刻都在進行著如下反應：4 個氦原子核→1 個氫原子核+2 個正電子+2 個中微子這就是產生巨大能量的熱核聚變反應， 它是太陽能的來源。在這個核聚變反應過程中， 產生的中微子離開太陽向四麵八方輻射開去， 其中有一些就來到了地球。物理學家在美國的一個深礦井中放置了一個巨大的儀器來迎接這些中微子。由於中微子與其他物質的相互作用極其微弱， 另外來自太陽的其他粒子又都被礦井上厚厚的泥土吸收掉了， 所以隻有中微子才能進入儀器。經過幾個月的努力， 在60 年代終於發現了中微子的蹤跡。至此， β衰變的能量失竊案才可以說結案了。這時， 離泡利最初提出中微子假說， 已過去了近40 年的時間。
令物理學家備感意外的是， 中微子這個“神秘人物”帶給物理學家的不單是這一個謎。剛剛把β衰變的能量失竊案解決， 又引出了一個新的案件。根據測量太陽的能量可以估算出太陽上熱核聚變產生的中微子數量； 同時還可以估算出在正對著太陽的地球表麵上， 每平方厘米每秒鍾應接收的中微子數量， 粗算出這個值為7 ×1010 個中微子。可是， 實驗中發現每秒鍾到達地球的太陽中微子隻有這個估算值的十分之一， 甚至更少。這一問題就被稱為“中微子失蹤案”， 意思是大量的太陽中微子到哪裏去了？ 如果是對太陽產生的中微子數量計算得不對， 太陽發出的中微子本來就這麽少， 那麽就意味著太陽上的熱核聚變反應所產生的氦也就相應地少， 這又難以解釋太陽的巨大能量從何而來。後來， 有人提出一種稱作“中微子振蕩”的理論。這個理論認為， 如果中微子有質量， 它就會在從太陽到地球的漫長曆程中， 衰變掉了一大部分， 等到中微子到達地球時， 已僅剩下太陽發出的中微子的一小部分。那麽， 地球上接收到的中微子就應比原先估算的少得多了。這一理論要比其他說法更吸引人， 但是它需要一個前提， 即中微子要有質量。可是在以往的理論中， 物理學家一直把中微子的質量看作是零。因此， 中微子到底有沒有質量， 對於“中微子失蹤案”來說就是十分關鍵的了。
