幽灵粒子!质量极小的中微子决定着宇宙的质量

前不久读了一本书——米兰·昆德拉的《生命中不能承受之轻》。记得高中的时候,语文卷纸上有一篇阅读,也是一样的题目,讲的是人生哲理,说的是沉重不可怕,可怕的是太轻。

其实,从某些方面理解,这篇阅读是有道理的。说到轻重,我们就用重量来作比喻。如果给我们一台秤来称量物品,重的东西是容易测量的,哪怕超过刻度;而轻的东西,反而不容易测量。就比如古人没有足够巨大的秤去量大象的体重,于是曹冲想到用大量的石块来代替。但是,如果一个物质太轻,那就很难测量了。

说到中微子,就要从泡利说起。泡利是奥地利物理学家,他最广为人知的,就是提出了泡利不相容原理。而除了这个以外,对中微子的预言也是非常重要的。

这个贡献,最初来自于他对β衰变的观察。所谓β衰变,指的是原子核自发射出或俘获一个轨道电子的转变,导致中微子概念提出的,是释放电子的β-衰变。

β-衰变的过程,其实就是一个中子释放出电子,转变为质子的过程。我们也说过,宇宙中的中子星,其实就是电子被巨大的压力压进质子而变成中子的结果,而β-衰变就是将这个过程反过来了。

按照这个说法,那么一个中子的质量,应该等于一个质子加上电子的质量,再加上释放的能量所对应的质量——最后这个是什么鬼呢?其实就是爱因斯坦的质能方程所指的能量与质量的互相转化。释放出能量,意味着质量会有所减少。

可是,当科学家们计算的时候发现,这三者的质量加在一起,还是要比中子小一点点。或者用能量表述就是:原来原子的能量比新原子和β粒子的能量和要多一点点。

难道是算错数了?当然不是,在对β-衰变的谱线进行检测的时候,科学家也发现这个过程中有些令人费解的地方。

用宋小宝的名言说就是:咋地?玩尼啊?能量呢?丢啦?让你造啦?给我一个完美的解释!

这件事,在当时非常轰动,还真的有些科学家开始怀疑能量守恒的法则,也有一些人给这个事件起了个名字——能量失窃案。

对此,泡利在1930年提出了自己的观点:他认为在β-衰变的过程中,还有一种未知的粒子被释放了出去。这种粒子呈电中性,静止质量为零,但是又不是光子。它的另一个特点,就是与其他粒子的相互作用非常微弱,所以各种科学仪器都难以检测到。

不过,在讲这个故事的时候,其实我们有点“穿越”了。因为那个时候,科学家还没有完全搞懂β-衰变,甚至连中子还没有发现,只是知道有这种粒子的存在。以至于泡利在提出这个观点的时候,将这种预测的粒子称为中子。

“打脸”的时刻总是来得那么突然。就在1932年,科学家就发现了真正的中子——和泡利说得不一样。

在提出这个新的粒子时,泡利本人也是有点羞于启齿的。因此,在宣布这个猜想的时候,泡利本人没有参加那场物理学会议,而是写了一封信让朋友帮忙读出来的。至于没有与会的原因,是因为他要去苏黎世参加party,要通宵跳舞……

如果我是在场的物理学家,当时心里肯定跑过一万匹羊驼:par你妹ty啊,你在那par得挺嗨,我现在想踢你……

而且,在信里他还说明:这个猜想可能不太可信,否则为何到现在还没有发现呢?

他不信,但有人信。比如著名的物理学家费米,他对此深信不疑。1934年,他指出了β-衰变的本质,核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子,解开了β衰变之谜。

直到这个时候,人们依然还是对中微子半信半疑。终于,在大家争论不休的时候,一位中国科学家站了出来,他的理论终结了这次纷争,他就是王淦昌。

王淦昌是我国最伟大的科学家之一,曾经多次有机会获得诺贝尔奖(未来我们会讲到)。刚才我们说到的查德威克发现真正的中子并且获得诺奖,就是受到了王淦昌的启发。在德国留学期间,王淦昌一直为中微子着迷,即使回国后,在那个动乱的年代,他依然对此念念不忘。

1941年,王淦昌终于想到了一个方法可以找到中微子——K层电子俘获。这个方法,我们未来会讲到。总之,又是王淦昌提出了启发,外国科学家实现了突破。美国科学家艾伦在次年利用这个原理,成功在实验中证明了中微子的存在。至此,中微子终于正名,没人再质疑它的存在。

不过,直到1956年,美国物理学家科温和莱因斯等人对核反应堆进行了相关的研究,才第一次成功发现了中微子,证明了它的存在。人类中微子的寻找过程,算是画上了一个句号。在发现中微子后,课文和莱茵斯第一时间联系了泡利,通知了这个“好”消息。

1958年,泡利去世。在有生之年,看到了自己提出假设却又红着脸不好意思承认的粒子被证实存在,也不知道他心里的五味杂陈,到底哪一味多一点……

那么,他们发现的中微子,和泡利或者费米描述的是否一样呢?这种粒子究竟有什么惊人的特点呢?它为何能影响整个宇宙呢?咱们下一期再介绍~返回搜狐,查看更多

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