5.幽靈般的中微子

宇宙?zhèn)鬟^來的東西并非僅有光，還有不計其數(shù)的粒子，這些粒子也為我們了解宇宙的結(jié)構(gòu)提供了線索。

例如，大家可能聽說過“中微子”這個詞。2002年日本物理學(xué)家小柴昌俊獲得諾貝爾物理學(xué)獎時，報紙、電視上的報道中多次出現(xiàn)過這個詞。

從理論上“預(yù)言”該粒子的存在要追溯到80年前。在基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域，這類預(yù)言并不罕見。當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)前理論無法解釋的現(xiàn)象時，研究者就會提出假設(shè)：如果存在這種粒子的話，理論上就合理了。之后，研究者會開始尋找符合這種假說的東西。例如，日本首位諾貝爾獎得主湯川秀樹博士的“介子理論”就是這種情況。湯川博士先提出了存在介子的“預(yù)言”，隨后才有研究者基于他的理論發(fā)現(xiàn)了新粒子。

在后來的研究中，“中微子”被認為確實“應(yīng)該存在”。因為如果不存在“中微子”的話，那么某種現(xiàn)象就會違背“能量守恒定律”。

所有物理現(xiàn)象，都必須遵循現(xiàn)象發(fā)生前后能量總量保持不變的原則。當(dāng)發(fā)生某種現(xiàn)象的時候，其能量在總體上必須不增不減。如果出現(xiàn)與這一基本法則相悖的現(xiàn)象，我們就不得不從根本上重新審視理論本身了。

然而，中子的“β衰變”現(xiàn)象違背了能量守恒定律。β衰變是指“原子核中的中子通過釋放出電子變?yōu)橘|(zhì)子”這一現(xiàn)象。中子的電荷為±0，質(zhì)子的電荷為+1。因此，中子釋放出1個電子（電荷為-1）后，電荷會變?yōu)?1，也就變成了質(zhì)子。

大家或許聽說過“放射性碳年代測定法”，這種方法多用于確定古代遺跡中出土的骨骼或文物的年代。在這種方法中，發(fā)揮重要作用的物質(zhì)是“碳14”（碳元素的同位素）。碳14擁有6個質(zhì)子和8個中子（普通碳元素則有6個質(zhì)子和6個中子）。如果碳14的1個中子發(fā)生β衰變，那么它的質(zhì)子和中子就都變?yōu)?個。此時，它就不再是碳元素的同位素，而變成了原子序數(shù)為7的“氮”。

這種變化本身沒什么問題，但問題在于β衰變前后的能量出現(xiàn)了差異。與衰變前中子所擁有的能量相比，衰變后的能量（質(zhì)子+中子放出的電子）變小了。

這就如同把碗摔碎，然后把所有碎片收集起來放到秤上稱重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碗的所有碎片似乎比摔碎之前的碗輕。如果能量守恒定律是正確的，那么只能認為存在某種未知物質(zhì)帶走了減少的那部分能量。

對此，瑞士的物理學(xué)家泡利認為，中子發(fā)生β衰變時，中子不僅釋放出了電子，應(yīng)該還釋放出了一種不帶電的神秘粒子。

不過，根據(jù)泡利的假說，這種粒子的質(zhì)量為0（或者說小到無法觀測）。另外，這種粒子即使與其他物質(zhì)相遇，也不會與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而是會直接穿過其他物質(zhì)，仿佛是“幽靈”一般的粒子。

因此，泡利認為這種粒子“絕對無法被發(fā)現(xiàn)”。“存在卻無法被發(fā)現(xiàn)”，這話聽上去非常荒唐，但又不能以“無法找到該粒子”為由，去反駁泡利是錯的。

不過，泡利的假說一半是對的，一半是錯的。20世紀50年代，研究者在實驗室中確認了這種“幽靈粒子”，也就中微子的存在。看來這種粒子并不是真正的“幽靈”。