第十期：预言中微子

上期咱们介绍了正电子的发现历程，其实从正电子开始，基本粒子的格局已经发生了变化。前期就只有光子、电子、质子、中子这四个人们当时认为的基本粒子，不过一系列问题的出现，物理学家才发现，基本粒子的图谱可能远远没有想象那么简单。就比如说这个问题，原子核里没有电子，那怎么会有高能电子束从原子核里放射出来呢？

自从天然放射性被发现之后，很多人就在研究这个问题，卢瑟福就是代表，αβ就是他给起的名，1914年的时候卢瑟福的学生查德威克，就是发现中子这位，他发现一种情况可以在原子核内部产生β粒子，就是当某一个元素的原子核发生衰变的时候，它就可能会变成一个新元素的原子核然后加上β粒子。这个情况我们听起来好理解，但是有一个事儿不太好理解，就是查德威克测量之后发现，前后的能量不守恒了。正常来说，原来的粒子假设是核A，衰变之后变成核B+β粒子，那根据能量守恒核A的能量就应该等于核B的能量+β粒子的能量，这不是就是初中学的的能量守恒嘛，结果发现β粒子的能量比预计的要少一些，简单来说，衰变之后有一少部分能量不翼而飞了。这件事就是当时轰动一时的“能量失窃案”。

到了1930年物理学家玻尔给出了一个解释，玻尔就是量子力学领域的大佬了，就是他提出了波粒二象性的思想。就连波粒二象性这么超前的思想玻尔都能想出来，能量失窃案在玻尔看来也没什么特别的。所以玻尔在1930年给出的解释就是，β衰变中的能量就是不一定守恒的，它只在统计意义上守恒，什么是统计意义？说白了，你多次实验它是守恒的，只做一次实验那不一定守恒。

玻尔的徒弟里面有一位就不同意他的看法，那就是泡利，泡利认为，就因为一个β衰变抛弃了用了几百年的能量守恒这不值得，想让他能量守恒也有办法解决，丢失的那部分能量用一个中性粒子补回来呗。什么意思呢？泡利说，β衰变过程中额外还会产生一个新粒子，首先为了保证让他电荷守恒它不能带电，然后它的能量刚好等于丢失的能量，只不过这个粒子我们还没发现而已，这能量不就守恒了。可这是什么新粒子呢？根据丢失的那部分能量再加上爱因斯坦质能方程大概一测算，这个粒子的质量要比电子还要小很多，这可是超出了当时人类认知的事。甚至泡利自己都说，我提出了一个人类在实验上永远也检测不到的东西。泡利原来把自己假象的这个中性粒子就叫做“中子”，后来1932年真正的中子被发现了，人们就把泡利预言的这个粒子称作“小中子”。因为它太小了，后来是费米说小中子不好听，就叫微中子吧，这就是我们现在翻译过来的“中微子”。

1933年，费米在泡利的基础上也提出了一个理论就叫做“β衰变理论”，这个更加本质，1933年的时候中子和正电子都被发现了，人们知道原子核里有质子和中子，费米说，β射线并不是原来就在原子核里的，原子核里的质子和中子可以相互转化，一个中子可以变成一个质子然后放出一个电子加上一个中微子；反过来，在能量有利的情况下，质子也可以变成中子，但是放射出来的就是一个正电子加上一个中微子。

就这么两个等式，几乎把当时发现的所有基本粒子和预言当中中微子都写进去了，而且左右两边电荷能量全部守恒。更主要的是，费米从此提出了自然界中的第三种基本作用力，弱相互作用力。这一切在理论上确实是天衣无缝，不过历史总是充满坎坷，我们现在看起来多好的理论，在当时仍然饱受争议。泡利和费米的理论同样如此，其中最大的争议就是这个新粒子“中微子”，当时几位大佬玻尔、狄拉克、维格纳，这是1963年的诺贝尔物理学奖得主，还有很多人都公开反对中微子。

1936年美国有一位实验物理学家叫做R.S.Shankland，他说自己“证明”了玻尔是对的，β衰变中的能量就是统计守恒的，单次不一定守恒。狄拉克听说高兴坏了，赶紧写了一篇论文叫做《能量守恒在原子过程中成立吗？》在论文里面公开反对泡利的中微子假说和费米的β衰变理论，真理面前人人平等，别说是自己的亲师哥了。结果，Shankland的论文刚发表没多久就被证明是错的，乌龙一场。

这回压力就来到实验物理学家这边了，想要验证泡利和费米是对的， 那就得在实验中找到这个中微子，可是按照泡利和费米的预言，中微子不仅小，还不带电。用当时的技术手段根本就探测不到，所以一直到1956年才算发现了中微子的影子。而且后来又发现这东西还不只一种，有三种，这三种加起来质量也仅有电子的百万分之一，难怪这么难探测。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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