5. β衰变的能量失窃案
1900 年， 物理学家就确认了放射性原子核放出的β射线是高速电子流。这一现象曾使物理学家认为， 在原子核中有电子在。直到中子被发现之后， 证明了原子核是由质子和中子组成的， 其中并不存在电子。那么原子核发射出的电子， 也就是β射线是从哪儿来的呢？ 有两个事实使物理学家认识到， 原子核发射电子是一个核反应过程。第一个事实是， 原子核放出β粒子后， 变成了另一个新原子核， 新原子核与旧原子核的区别在于： 它的组成多一个质子而少一个中子。第二个事实是， 精确测量表明中子的质量稍大于质子。这两个事实启示物理学家， 中子通过放出电子而转变成质子， 并把这一核反应过程称为β衰变。
原子核所发射出的电子的来源问题解决了， 但这种解释却又带来了一个更为严重的困难。物理学家发现在β衰变前后， 有一部能量不知哪里去了， 而且总角动量也不相等。这确是一个严重的问题。因为按照能量守恒定律， 在所有的物理过程中， 变化前后的能量应该是守恒的。原子核的β衰变过程也应该遵循这个定律： 反应前的总能量应等于反应后的总能量。角动量也应遵守角动量守恒定律： 反应前的总角动量也应等于反应后的总角动量。
究竟是物理学最基本的原理―――能量守恒定律出了问题， 还是β衰变过程中一部分能量真的丢失了？ 问题尖锐地摆在物理学家面前。
对这个问题， 物理学家有两种不同的回答。有些物理学家产生了对能量守恒定律的怀疑， 至少认为β衰变过程不遵守能量守恒定律； 但是也有相当多的物理学家仍坚信能量守恒定律是一个普通原理， 它也适用于微观领域， 自然也就包括β衰变过程。奥地利物理学家泡利就是一位坚信能量守恒定律的物理学家， 他认为β衰变过程前后， 总能量是守恒的。由此出发去解释β衰变的能量丢失问题。泡利于1930 年提出了一个假说， 他设想在β衰变过程中， 原子核不仅放出电子， 同时还放出一种质量极小( 差不多为零) 、而穿透力极强的粒子。正是这种粒子带走了一部分能量， 才使β衰变前后的能量在数值上出现差距。正是它“偷”走了一部分能量， 才产生了所谓的能量失窃案。如果给这个粒子赋予1/ 2 的自旋量子数， 那么角动量不守恒的问题也就解决了。后来， 意大利物理学家费米把泡利设想的这种新粒子命名为“中微子”。所以， 有些书籍也把“β衰变能量失窃案”称为“中微子之谜”。这样， 物理学家就根据能量守恒定律解释了β衰变过程而预言了一种新粒子―――中微子的存在。这一预言在当时是相当新奇的， 很多人只认为这是泡利的一种猜想， 所以一开始并没有引起普遍重视。
不久， 费米根据泡利的假说， 提出了系统的关于β衰变理论。他认为中子衰变为质子、电子和中微子， 这是一种新型的相互作用。这种相互作用比电磁相互作用要弱得多， 被称为弱相互作用。以后的研究表明， 中微子只参与弱相互作用。费米的理论计算结果与实验结果符合得很好， 这不仅间接证明了中微子的存在， 而且使得泡利的关于中微子预言和费米关于β衰变理论受到普遍的重视。
不过， 问题还没有真正解决， β衰变能量失窃案还不能算破案。物理学的许多新发现都是先通过理论上的预言， 然后才在实验上证实。理论上的预言是一种创新， 这种创新并不是对现有理论的一概否定。泡利预言中微子的存在也是一种创新， 但他这一创新就是在能量守恒的基础上提出的， 是在前人成果基础上的一种创造。提出一个理论预言和侦察案件有些类似， 都是对问题答案的一种猜测， 它们更为相同的地方是， 证实猜测都需要证据。中微子是不是真的存在， 还需要提供可靠的实验证据。捕捉中微子就成了物理学家的一个重要课题。
但是， 从实验上直接找到中微子是困难的。因为中微子是中性的， 不带电荷， 所以不可能用探测带电粒子的方法去记录它的径迹。另外， 中微子只参与弱相互作用， 不轻易和其他粒子发生相互作用。它的这样一些本性， 使得它的踪迹飘忽不定。有人说它个性十分孤僻， 看来真是如此。物理学家估算了一下， 通常在β衰变中放射出的中微子平均要穿过1000 亿个地球才会与其中一个原子核碰撞一次。探测粒子， 只有当粒子与探测器中的物质碰撞一次， 才能通过碰撞前后所产生的效应来观测粒子的存在和性质。进一步推算， 要观测一个中微子， 即使把探测器作得和地球那么大， 也只能在有1000 亿个中微子通过探测器时， 才会探测到其中的一个。中微子可以穿透整个地球而不会与任何物质相互作用， 也就是说难以留下痕迹。所以， 捕捉到中微子的机会真是太小了， 观测到中微子真是太难了。
直到1956 年， 物理学家才探测到铀裂变过程中产生的反中微子。这更加激起人们捕捉真正中微子的兴趣。由于中微子和原子核碰撞的机会实在是太小， 因此寻找一个丰富的中微子源是一个关键问题。这时， 天体物理学的研究给物理学家提供了条件。对太阳的研究， 了解到太阳内部每时每刻都在进行着如下反应：4 个氦原子核→1 个氢原子核+2 个正电子+2 个中微子这就是产生巨大能量的热核聚变反应， 它是太阳能的来源。在这个核聚变反应过程中， 产生的中微子离开太阳向四面八方辐射开去， 其中有一些就来到了地球。物理学家在美国的一个深矿井中放置了一个巨大的仪器来迎接这些中微子。由于中微子与其他物质的相互作用极其微弱， 另外来自太阳的其他粒子又都被矿井上厚厚的泥土吸收掉了， 所以只有中微子才能进入仪器。经过几个月的努力， 在60 年代终于发现了中微子的踪迹。至此， β衰变的能量失窃案才可以说结案了。这时， 离泡利最初提出中微子假说， 已过去了近40 年的时间。
令物理学家备感意外的是， 中微子这个“神秘人物”带给物理学家的不单是这一个谜。刚刚把β衰变的能量失窃案解决， 又引出了一个新的案件。根据测量太阳的能量可以估算出太阳上热核聚变产生的中微子数量； 同时还可以估算出在正对着太阳的地球表面上， 每平方厘米每秒钟应接收的中微子数量， 粗算出这个值为7 ×1010 个中微子。可是， 实验中发现每秒钟到达地球的太阳中微子只有这个估算值的十分之一， 甚至更少。这一问题就被称为“中微子失踪案”， 意思是大量的太阳中微子到哪里去了？ 如果是对太阳产生的中微子数量计算得不对， 太阳发出的中微子本来就这么少， 那么就意味着太阳上的热核聚变反应所产生的氦也就相应地少， 这又难以解释太阳的巨大能量从何而来。后来， 有人提出一种称作“中微子振荡”的理论。这个理论认为， 如果中微子有质量， 它就会在从太阳到地球的漫长历程中， 衰变掉了一大部分， 等到中微子到达地球时， 已仅剩下太阳发出的中微子的一小部分。那么， 地球上接收到的中微子就应比原先估算的少得多了。这一理论要比其他说法更吸引人， 但是它需要一个前提， 即中微子要有质量。可是在以往的理论中， 物理学家一直把中微子的质量看作是零。因此， 中微子到底有没有质量， 对于“中微子失踪案”来说就是十分关键的了。
原子核所发射出的电子的来源问题解决了， 但这种解释却又带来了一个更为严重的困难。物理学家发现在β衰变前后， 有一部能量不知哪里去了， 而且总角动量也不相等。这确是一个严重的问题。因为按照能量守恒定律， 在所有的物理过程中， 变化前后的能量应该是守恒的。原子核的β衰变过程也应该遵循这个定律： 反应前的总能量应等于反应后的总能量。角动量也应遵守角动量守恒定律： 反应前的总角动量也应等于反应后的总角动量。
究竟是物理学最基本的原理―――能量守恒定律出了问题， 还是β衰变过程中一部分能量真的丢失了？ 问题尖锐地摆在物理学家面前。
对这个问题， 物理学家有两种不同的回答。有些物理学家产生了对能量守恒定律的怀疑， 至少认为β衰变过程不遵守能量守恒定律； 但是也有相当多的物理学家仍坚信能量守恒定律是一个普通原理， 它也适用于微观领域， 自然也就包括β衰变过程。奥地利物理学家泡利就是一位坚信能量守恒定律的物理学家， 他认为β衰变过程前后， 总能量是守恒的。由此出发去解释β衰变的能量丢失问题。泡利于1930 年提出了一个假说， 他设想在β衰变过程中， 原子核不仅放出电子， 同时还放出一种质量极小( 差不多为零) 、而穿透力极强的粒子。正是这种粒子带走了一部分能量， 才使β衰变前后的能量在数值上出现差距。正是它“偷”走了一部分能量， 才产生了所谓的能量失窃案。如果给这个粒子赋予1/ 2 的自旋量子数， 那么角动量不守恒的问题也就解决了。后来， 意大利物理学家费米把泡利设想的这种新粒子命名为“中微子”。所以， 有些书籍也把“β衰变能量失窃案”称为“中微子之谜”。这样， 物理学家就根据能量守恒定律解释了β衰变过程而预言了一种新粒子―――中微子的存在。这一预言在当时是相当新奇的， 很多人只认为这是泡利的一种猜想， 所以一开始并没有引起普遍重视。
不久， 费米根据泡利的假说， 提出了系统的关于β衰变理论。他认为中子衰变为质子、电子和中微子， 这是一种新型的相互作用。这种相互作用比电磁相互作用要弱得多， 被称为弱相互作用。以后的研究表明， 中微子只参与弱相互作用。费米的理论计算结果与实验结果符合得很好， 这不仅间接证明了中微子的存在， 而且使得泡利的关于中微子预言和费米关于β衰变理论受到普遍的重视。
不过， 问题还没有真正解决， β衰变能量失窃案还不能算破案。物理学的许多新发现都是先通过理论上的预言， 然后才在实验上证实。理论上的预言是一种创新， 这种创新并不是对现有理论的一概否定。泡利预言中微子的存在也是一种创新， 但他这一创新就是在能量守恒的基础上提出的， 是在前人成果基础上的一种创造。提出一个理论预言和侦察案件有些类似， 都是对问题答案的一种猜测， 它们更为相同的地方是， 证实猜测都需要证据。中微子是不是真的存在， 还需要提供可靠的实验证据。捕捉中微子就成了物理学家的一个重要课题。
但是， 从实验上直接找到中微子是困难的。因为中微子是中性的， 不带电荷， 所以不可能用探测带电粒子的方法去记录它的径迹。另外， 中微子只参与弱相互作用， 不轻易和其他粒子发生相互作用。它的这样一些本性， 使得它的踪迹飘忽不定。有人说它个性十分孤僻， 看来真是如此。物理学家估算了一下， 通常在β衰变中放射出的中微子平均要穿过1000 亿个地球才会与其中一个原子核碰撞一次。探测粒子， 只有当粒子与探测器中的物质碰撞一次， 才能通过碰撞前后所产生的效应来观测粒子的存在和性质。进一步推算， 要观测一个中微子， 即使把探测器作得和地球那么大， 也只能在有1000 亿个中微子通过探测器时， 才会探测到其中的一个。中微子可以穿透整个地球而不会与任何物质相互作用， 也就是说难以留下痕迹。所以， 捕捉到中微子的机会真是太小了， 观测到中微子真是太难了。
直到1956 年， 物理学家才探测到铀裂变过程中产生的反中微子。这更加激起人们捕捉真正中微子的兴趣。由于中微子和原子核碰撞的机会实在是太小， 因此寻找一个丰富的中微子源是一个关键问题。这时， 天体物理学的研究给物理学家提供了条件。对太阳的研究， 了解到太阳内部每时每刻都在进行着如下反应：4 个氦原子核→1 个氢原子核+2 个正电子+2 个中微子这就是产生巨大能量的热核聚变反应， 它是太阳能的来源。在这个核聚变反应过程中， 产生的中微子离开太阳向四面八方辐射开去， 其中有一些就来到了地球。物理学家在美国的一个深矿井中放置了一个巨大的仪器来迎接这些中微子。由于中微子与其他物质的相互作用极其微弱， 另外来自太阳的其他粒子又都被矿井上厚厚的泥土吸收掉了， 所以只有中微子才能进入仪器。经过几个月的努力， 在60 年代终于发现了中微子的踪迹。至此， β衰变的能量失窃案才可以说结案了。这时， 离泡利最初提出中微子假说， 已过去了近40 年的时间。
令物理学家备感意外的是， 中微子这个“神秘人物”带给物理学家的不单是这一个谜。刚刚把β衰变的能量失窃案解决， 又引出了一个新的案件。根据测量太阳的能量可以估算出太阳上热核聚变产生的中微子数量； 同时还可以估算出在正对着太阳的地球表面上， 每平方厘米每秒钟应接收的中微子数量， 粗算出这个值为7 ×1010 个中微子。可是， 实验中发现每秒钟到达地球的太阳中微子只有这个估算值的十分之一， 甚至更少。这一问题就被称为“中微子失踪案”， 意思是大量的太阳中微子到哪里去了？ 如果是对太阳产生的中微子数量计算得不对， 太阳发出的中微子本来就这么少， 那么就意味着太阳上的热核聚变反应所产生的氦也就相应地少， 这又难以解释太阳的巨大能量从何而来。后来， 有人提出一种称作“中微子振荡”的理论。这个理论认为， 如果中微子有质量， 它就会在从太阳到地球的漫长历程中， 衰变掉了一大部分， 等到中微子到达地球时， 已仅剩下太阳发出的中微子的一小部分。那么， 地球上接收到的中微子就应比原先估算的少得多了。这一理论要比其他说法更吸引人， 但是它需要一个前提， 即中微子要有质量。可是在以往的理论中， 物理学家一直把中微子的质量看作是零。因此， 中微子到底有没有质量， 对于“中微子失踪案”来说就是十分关键的了。
