前不久讀了一本書——米蘭·昆德拉的《生命中不能承受之輕》。記得高中的時候,語文捲紙上有一篇閱讀,也是一樣的題目,講的是人生哲理,說的是沉重不可怕,可怕的是太輕。
其實,從某些方面理解,這篇閱讀是有道理的。說到輕重,我們就用重量來作比喻。如果給我們一台秤來稱量物品,重的東西是容易測量的,哪怕超過刻度;而輕的東西,反而不容易測量。就比如古人沒有足夠巨大的秤去量大象的體重,於是曹沖想到用大量的石塊來代替。但是,如果一個物質太輕,那就很難測量了。
今天咱們說到的這個傢伙,就是輕到無法測量,這就是中微子。
β-衰變
說到中微子,就要從泡利說起。泡利是奧地利物理學家,他最廣為人知的,就是提出了泡利不相容原理。而除了這個以外,對中微子的預言也是非常重要的。
這個貢獻,最初來自於他對β衰變的觀察。所謂β衰變,指的是原子核自發射出或俘獲一個軌道電子的轉變,導致中微子概念提出的,是釋放電子的β-衰變。
β-衰變的過程,其實就是一個中子釋放出電子,轉變為質子的過程。我們也說過,宇宙中的中子星,其實就是電子被巨大的壓力壓進質子而變成中子的結果,而β-衰變就是將這個過程反過來了。
按照這個說法,那麼一個中子的質量,應該等於一個質子加上電子的質量,再加上釋放的能量所對應的質量——最後這個是什麼鬼呢?其實就是愛因斯坦的質能方程所指的能量與質量的互相轉化。釋放出能量,意味着質量會有所減少。
能量失竊案
可是,當科學家們計算的時候發現,這三者的質量加在一起,還是要比中子小一點點。或者用能量表述就是:原來原子的能量比新原子和β粒子的能量和要多一點點。
難道是算錯數了?當然不是,在對β-衰變的譜線進行檢測的時候,科學家也發現這個過程中有些令人費解的地方。
既然不是算錯數,難道能量守恆定律有問題?
用宋小寶的名言說就是:咋地?玩尼啊?能量呢?丟啦?讓你造啦?給我一個完美的解釋!
這件事,在當時非常轟動,還真的有些科學家開始懷疑能量守恆的法則,也有一些人給這個事件起了個名字——能量失竊案。
泡利破案
案子「立」了,誰來破案呢?
對此,泡利在1930年提出了自己的觀點:他認為在β-衰變的過程中,還有一種未知的粒子被釋放了出去。這種粒子呈電中性,靜止質量為零,但是又不是光子。它的另一個特點,就是與其他粒子的相互作用非常微弱,所以各種科學儀器都難以檢測到。
不過,在講這個故事的時候,其實我們有點「穿越」了。因為那個時候,科學家還沒有完全搞懂β-衰變,甚至連中子還沒有發現,只是知道有這種粒子的存在。以至於泡利在提出這個觀點的時候,將這種預測的粒子稱為中子。
「打臉」的時刻總是來得那麼突然。就在1932年,科學家就發現了真正的中子——和泡利說得不一樣。
更打臉的,還在後面。
「丟人」的新理論
在提出這個新的粒子時,泡利本人也是有點羞於啟齒的。因此,在宣布這個猜想的時候,泡利本人沒有參加那場物理學會議,而是寫了一封信讓朋友幫忙讀出來的。至於沒有與會的原因,是因為他要去蘇黎世參加party,要通宵跳舞……
如果我是在場的物理學家,當時心裏肯定跑過一萬匹羊駝:par你妹ty啊,你在那par得挺嗨,我現在想踢你……
而且,在信里他還說明:這個猜想可能不太可信,否則為何到現在還沒有發現呢?
泡利信件原文
他甚至還說,這種粒子實在太難檢測了,恐怕人類永遠也檢測不到。
其他科學家也懵了:你在這胡咧咧一大通,最後說自己都沒把握,逗我玩啊?
他不信,但有人信。比如著名的物理學家費米,他對此深信不疑。1934年,他指出了β-衰變的本質,核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子,解開了β衰變之謎。
泡利被打臉
直到這個時候,人們依然還是對中微子半信半疑。終於,在大家爭論不休的時候,一位中國科學家站了出來,他的理論終結了這次紛爭,他就是王淦昌。
王淦昌是我國最偉大的科學家之一,曾經多次有機會獲得諾貝爾獎(未來我們會講到)。剛才我們說到的乍得威克發現真正的中子並且獲得諾獎,就是受到了王淦昌的啟發。在德國留學期間,王淦昌一直為中微子着迷,即使回國後,在那個動亂的年代,他依然對此念念不忘。
1941年,王淦昌終於想到了一個方法可以找到中微子——K層電子俘獲。這個方法,我們未來會講到。總之,又是王淦昌提出了啟發,外國科學家實現了突破。美國科學家艾倫在次年利用這個原理,成功在實驗中證明了中微子的存在。至此,中微子終於正名,沒人再質疑它的存在。
不過,直到1956年,美國物理學家科溫和萊因斯等人對核反應堆進行了相關的研究,才第一次成功發現了中微子,證明了它的存在。人類中微子的尋找過程,算是畫上了一個句號。在發現中微子後,課文和萊茵斯第一時間聯繫了泡利,通知了這個「好」消息。
1958年,泡利去世。在有生之年,看到了自己提出假設卻又紅着臉不好意思承認的粒子被證實存在,也不知道他心裏的五味雜陳,到底哪一味多一點……
那麼,他們發現的中微子,和泡利或者費米描述的是否一樣呢?這種粒子究竟有什麼驚人的特點呢?它為何能影響整個宇宙呢?咱們下一期再介紹~