捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子(一)

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1930 年 12 月,一群物理學家聚集在德國的圖賓根(Tübingen),討論學界的最新發展;於瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)工作的物理學家包立[1]因為無法抽身,委託同事帶了封信給會議裡的核子物理學家──這是核子物理發展史上最重要的信件之一,啟發了後續無數研究、促成好幾位諾貝爾獎得主。

甚至直到今天,科學家都尚未完全搞懂包立信中描述的粒子;最近的研究更顯示,它或許可以幫助我們深刻理解宇宙的演化與組成。

量子力學的先驅:沃夫岡‧包立(圖片來源)

「能量守恆」崩壞?貝他衰變引起的爭議

在當時,學界已知三種主要的原子核衰變模式,並根據其放射線的穿透力,從弱到強分別以頭三個希臘字母 α, β, γ 命名:

阿爾法衰變(Alpha decay)是較重的原子核釋出阿爾法粒子(氦原子核)。 貝他衰變(Beta decay)是不穩定的元素放射出貝他粒子(電子)。 伽馬衰變(Gamma decay)則是從輻射源放出伽馬射線。

科學家觀察到,在阿爾法衰變和伽馬衰變中,做為產物的阿爾法粒子和伽馬射線都以非常特定的能量出現,一如量子力學理論的預期;然而,貝他衰變放射出來的電子,卻具有很寬廣的能量範圍,這相當地不尋常──電子的能量變動,意味貝他衰變後的總能量不是定值,完全違背了能量守恆定律!

經過漫長的科學發展,能量守恆在物理學家的心中,已成為最基本、最無可撼動的原則,而貝他衰變竟然違背了能量守恆!這只有兩種可能:一是,我們對貝他衰變的認知有誤;二是,能量並不真的總是守恆──1922 年諾貝爾物理學獎得主波耳[2]對於貝他衰變採取的觀點就是後者。

尼爾斯‧波耳(圖片來源)

波耳認為,能量和動量的守恆都是從古典物理學得來的原則,不見得能夠套用在量子力學上;能量守恆可能只是統計上呈現出的結果──在單一貝他衰變過程中,能量可以不守恆。

縱使有一些物理學家支持波耳的說法,但並非每個人都能同意這麼激進的解方。與波耳採取的解釋策略不同,包立在 1930 年寫給圖賓根會議的信件中,建議了另一種可能:新粒子。

包立信件的假說:質子與電子之外,還有「第三種粒子」

當時學界認為,質子和電子組成帶正電的原子核,位於原子中心極微小的區域;原子核外圍,另有帶負電的電子環繞──換言之,質子和電子構成了原子,原子再構成萬物。

另一方面,在量子力學底下,每個粒子都帶有自身的角動量,稱為自旋[3](spin);根據當時的實驗觀測,一些原子核的自旋卻跟理論預期有所不同──這著實給既有的原子模型增加了麻煩。

為了解決貝他衰變、以及部分原子核自旋帶來的問題,包立在信中提議,原子核內部可能存在另一種電中性粒子,暫稱中子(neutron),自旋與質子和電子相同,質量不大於質子的百分之一,擁有比伽馬射線更強的穿透力(不容易與物質發生反應);當不穩定元素發生貝他衰變的時候,除了電子之外,中子也一起被放出,兩者的能量雖然都會變動,但相加起來的總和固定──如此一來,電子的寬廣能量範圍就說得通,貝他衰變過程前後的總能量會守恆,部分原子核的自旋問題也能一併解決。

在二十世紀早期的波耳氫原子模型,電子以特定軌道繞行原子核,並可能在不同軌道間躍遷,同時放出或吸收能量。到了1920年代末至1930年代初,電子的軌道(orbit)逐漸被軌域(orbital)概念取代,亦即電子不具有特定軌道。

儘管包立為貝他衰變的困境找到出路,他同時承認自己的想法很不恰當:「若中子真的存在,我們八成早就看到了。但是不入虎穴,焉得虎子,……我們應該嚴肅看待所有解決方案。」在當時的學術時空環境,已知的次原子粒子非常稀少(比日本製的冷氣壓縮機還要稀少),也不像現代常常預言新的基本粒子──況且這個粒子還很難看到,以致包立非常謹慎,藉著信件(而非論文)低調詢問實驗物理學家的意見。

事實上,他才剛寫完信,就對其他人表達了自己的後悔:「我今天做了一件理論(物理)學家永遠不該做的事。我嘗試用我們無法觀測到的事物,來解釋我們無法理解的事物。」

費米的理論:「微中子」與貝他衰變

就算包立小心翼翼不敢冒進,他的提案還是很快就傳遍了狹小的學術圈,一些物理學家也認真思考起這個可能性,例如任教於義大利羅馬大學的費米[4]。

費米採納包立的構想,於幾年後發展出描述貝他衰變的理論;又因為 1932 年英國物理學家查兌克[5]在放射線實驗中發現新的電中性粒子,也命名做中子,質量卻比包立的中子重得多,費米於是改稱包立預言的粒子為微中子(neutrino,亦即微小的電中性粒子)。

怎料,當費米將心血結晶投稿到頂尖期刊《自然》(Nature)時,《自然》以該論文「充滿臆測,和現實相差太遠,吸引不了讀者興趣」為由拒絕刊登;沒辦法之下,他只好改投稿至義大利和德國的當地期刊。也因為理論不受青睞,費米最後轉行做實驗物理,並於幾年後得到重大成就,獲頒諾貝爾物理學獎。

至於費米的理論,雖然一開始沒有得到重視,日後卻在粒子物理領域舉足輕重,成為現代弱交互作用理論[6]的前身。

恩里科‧費米曾加入墨索里尼的法西斯黨,但後來因為 1938 年義大利通過的種族法,為了避免猶太裔的太太受到波及,他轉而移民美國,並反對法西斯主義。1942 年他領導的芝加哥大學團隊創造了史上第一個核子反應爐。(圖片來源)

至此,解開貝他衰變之謎似乎出現曙光,預測有了、理論有了,就差實際的觀測證據──偏偏微中子的觀測非常不容易,要等到二十幾年後,費米已經去世,其蹤影才首度被人類補捉。這是另外的故事了。

註釋 [1] 沃夫岡‧恩斯特‧包立(Wolfgang Ernst Pauli,1900年4月25日-1958年12月15日),奧地利理論物理學家,因提出包立不相容原理(Pauli exclusion principle)獲得1945年諾貝爾物理學獎。 [2] 尼爾斯‧亨里克‧達維德‧波耳(Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日-1962年11月18日),丹麥物理學家,其最知名的成就為在量子力學發展初期,建構氫原子的波耳模型,成功解釋了氫原子光譜;1922年因「對原子結構以及從原子發射出的輻射的研究」而榮獲諾貝爾物理學獎。 [3] 雖然叫做自旋,但其為粒子本身就具有的性質,無法改變,而非出於粒子自身的旋轉。 [4] 恩里科‧費米(Enrico Fermi,1901年9月29日-1954年11月28日),美籍義大利裔物理學家;因「中子轟擊誘發放射性(induced radioactivity)的研究以及發現超鈾元素」獲得1938年諾貝爾物理學獎。 [5] 詹姆斯‧查兌克(James Chadwick,1891年10月20日-1974年7月24日),英國物理學家,因發現中子獲得1935年諾貝爾物理學獎。 [6] 弱交互作用為目前已知基本交互作用之一。 參考資料 Helge Kragh (2002), “Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century“, Princeton University Press. Bernard Fernandez and Georges Ripka (2012), “Unravelling the Mystery of the Atomic Nucleus: A Sixty Year Journey 1896 — 1956“,  Springer. Laurie M. Brown (1978), “The idea of the neutrino", Physics Today 31, 9, 23. Kurt Riesselmann (2007/01/03), “Neutrino invention“, symmetry magazine. Chad Orzel (2019/04/25), “Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments“, Forbes. S.M. Bilenkya (2013), “Neutrino. History of a unique particle", Eur. Phys. J. H 38, 345–404. Wikipedia: Neutrino  

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