上期咱們介紹了正電子的發(fā)現(xiàn)歷程，其實從正電子開始，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、中子這四個人們當(dāng)時認(rèn)為的基本粒子，不過一系列問題的出現(xiàn)，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，基本粒子的圖譜可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有想象那么簡單。就比如說這個問題，原子核里沒有電子，那怎么會有高能電子束從原子核里放射出來呢？

自從天然放射性被發(fā)現(xiàn)之后，很多人就在研究這個問題，盧瑟福就是代表，αβ就是他給起的名，1914年的時候盧瑟福的學(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)某一個元素的原子核發(fā)生衰變的時候，它就可能會變成一個新元素的原子核然后加上β粒子。這個情況我們聽起來好理解，但是有一個事兒不太好理解，就是查德威克測量之后發(fā)現(xiàn)，前后的能量不守恒了。正常來說，原來的粒子假設(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)計的要少一些，簡單來說，衰變之后有一少部分能量不翼而飛了。這件事就是當(dāng)時轟動一時的“能量失竊案”。

到了1930年物理學(xué)家玻爾給出了一個解釋，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，能量失竊案在玻爾看來也沒什么特別的。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)計意義上守恒，什么是統(tǒng)計意義？說白了，你多次實驗它是守恒的，只做一次實驗?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，就因為一個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中性粒子補回來唄。什么意思呢？泡利說，β衰變過程中額外還會產(chǎn)生一個新粒子，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，只不過這個粒子我們還沒發(fā)現(xiàn)而已，這能量不就守恒了?？蛇@是什么新粒子呢？根據(jù)丟失的那部分能量再加上愛因斯坦質(zhì)能方程大概一測算，這個粒子的質(zhì)量要比電子還要小很多，這可是超出了當(dāng)時人類認(rèn)知的事。甚至泡利自己都說，我提出了一個人類在實驗上永遠(yuǎn)也檢測不到的東西。泡利原來把自己假象的這個中性粒子就叫做“中子”，后來1932年真正的中子被發(fā)現(xiàn)了，人們就把泡利預(yù)言的這個粒子稱作“小中子”。因為它太小了，后來是費米說小中子不好聽，就叫微中子吧，這就是我們現(xiàn)在翻譯過來的“中微子”。

1933年，費米在泡利的基礎(chǔ)上也提出了一個理論就叫做“β衰變理論”，這個更加本質(zhì)，1933年的時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，費米說，β射線并不是原來就在原子核里的，原子核里的質(zhì)子和中子可以相互轉(zhuǎn)化，一個中子可以變成一個質(zhì)子然后放出一個電子加上一個中微子；反過來，在能量有利的情況下，質(zhì)子也可以變成中子，但是放射出來的就是一個正電子加上一個中微子。

就這么兩個等式，幾乎把當(dāng)時發(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是天衣無縫，不過歷史總是充滿坎坷，我們現(xiàn)在看起來多好的理論，在當(dāng)時仍然飽受爭議。泡利和費米的理論同樣如此，其中最大的爭議就是這個新粒子“中微子”，當(dāng)時幾位大佬玻爾、狄拉克、維格納，這是1963年的諾貝爾物理學(xué)獎得主，還有很多人都公開反對中微子。

1936年美國有一位實驗物理學(xué)家叫做R.S.Shankland，他說自己“證明”了玻爾是對的，β衰變中的能量就是統(tǒng)計守恒的，單次不一定守恒。狄拉克聽說高興壞了，趕緊寫了一篇論文叫做《能量守恒在原子過程中成立嗎？》在論文里面公開反對泡利的中微子假說和費米的β衰變理論，真理面前人人平等，別說是自己的親師哥了。結(jié)果，Shankland的論文剛發(fā)表沒多久就被證明是錯的，烏龍一場。

這回壓力就來到實驗物理學(xué)家這邊了，想要驗證泡利和費米是對的， 那就得在實驗中找到這個中微子，可是按照泡利和費米的預(yù)言，中微子不僅小，還不帶電。用當(dāng)時的技術(shù)手段根本就探測不到，所以一直到1956年才算發(fā)現(xiàn)了中微子的影子。而且后來又發(fā)現(xiàn)這東西還不只一種，有三種，這三種加起來質(zhì)量也僅有電子的百萬分之一，難怪這么難探測。

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

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