幽靈粒子!質量極小的中微子,決定著宇宙的質量

天空之城 2022/07/02 檢舉 我要評論

前不久讀了一本書——米蘭·昆德拉的《生命中不能承受之輕》,里面講的是人生哲理,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,于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家伙,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,最初來自于他對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,應該等于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——最后這個是什麼鬼呢?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,意味著質量會有所減少。

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,難道能量守恒定律有問題?

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恒的法則,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。以至于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,還在后面。

「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于啟齒的。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。至于沒有與會的原因,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,當時心里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,最后說自己都沒把握,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。終于,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。

在德國留學期間,王淦昌一直為中微子著迷,即使回國后,在那個動亂的年代,他依然對此念念不忘。

1941年,王淦昌終于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,中微子終于正名,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。在發現中微子后,課文和萊茵斯第一時間聯系了泡利,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著臉不好意思承認的粒子被證實存在,也不知道他心里的五味雜陳,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~

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