2016年10月28日

微中子的故事

作者/賴昭正(前清大化學系教授。)

自從瓦特(James Watt)於1775年發明(嚴格來說是「改進」)蒸氣機,掀起了英國及世界之工業革命後,人類突然發現機器的無比力量。但可惜蒸汽機還需燒煤,如果能發明個不需要燃料就可作功的機器多好。於是當時的許多工程師便致力於此類機器的設計與試驗,但卻一直毫無進展! 1824年,法國軍中工程師及物理學家卡諾(S. Carnot)發表了一本118頁的《熱的動力能之思考》(Reflections on the Motive Power of Fire)開啟了熱、動力、能量、及引擎效率的研究。在蘭金(W. Rankine)、克勞修斯(R. Clausius)及卡爾文爵士(Lord Kelvin)的發揚與光大後,第一定律及第二定律終於在1850年代成型,發展成今日適用於所有科學之「熱力學」。

筆者一直在科普文章裡提到:熱力學基本上是一門以「實際經驗」為基礎,加上邏輯推論的科學,不做任何「抽象」的臆測與假設;因此在20世紀初的物理大革命期間,非但未像牛頓力學及電磁論一樣受到修正,反而成了這個革命中的一大功臣。例如熱力學第一定律否認了能量可以無中生有或被毀滅,也就是大家耳熟能詳的「能量不滅定律」;可是能量是啥東西呢?熱力學卻不做臆測,因此當特殊相對論改變時空觀念及證明質量也是一種能量時,牛頓力學受到了修正,但卻無損熱力學。事實上在近代原子物理的發展中,也曾有位量子力學大師想放棄熱力學第一定律,來拯救一無法理解的新物理實驗。結果呢?熱力學第一定律非但沒被推翻,一「無中生有」之「喧鬧鬼」反而因此誕生了:它不但成為今日基本粒子之「標準模式」裡的必要及重要成員,更可能強迫物理學家必須修正「標準模式」!此「喧鬧鬼」是什麼東西呢?

β 衰變之謎
1896 年的某個傍晚,法國物理學家貝克勒爾(H. Becquerel)在離開實驗室時,不經意地將一小塊鈾鹽放到藏有照相感光紙的抽屜裡。幾天後他發現感光紙好像曝過光一樣出現許多污區,他猜想鈾鹽顯然放出了像「光」一樣的輻射線;經過一連串之實驗分析後,他證明了這些放射線是鈾產生的,是鈾的內在本質,不是外來的。


受到貝克勒爾發現的刺激,由紐西蘭到英國劍橋大學攻讀博士學位的拉塞福(E. Rutherford),在發現電子之指導教授湯姆森(J. Thomas)的慫恿下,決定放棄研究興趣所在之無線電波,改探討此一奇怪的「鈾線」。用鋁片將鈾鹽一層又一層地包住,他發現「鈾線」至少有兩種:其一是連一張鉛紙都通不過去的「α 射線」,另一種則是可通過上百張的「β 射線」。當另一法國物理學家維拉得(P.Villard)在1900年發現另一穿透力更強的輻射線時,他很自然地依序取第三個希臘字母,稱它為「γ 射線」。

後繼的研究證明了α 射線事實上就是氦原子核、β 射線則是電子束、γ 射線則是類似倫琴(W. Roengen)於1895年所發現之X光。物理學家也了解到一個不穩定的原子(原子核)可以籍「衰變(decay)」放出α 射線或β 射線而轉變成較穩定的原子(原子核)。在α射線的「衰變」中,物理學家發現衰變前的總能量與衰變後的總能量一樣(符合能量不滅定律);但1914年英國物理學家查兌克(J. Chadwick)卻發現在β射線的「衰變」中,放出的電子能量不是定值,而是在某一最大值內什麼值都可能的連續分佈。這是怎麼一回事呢?如果能量不,那電子的能量不是應該是定值嗎?那時的物理學家已知道質量也是一種能量,因此在計算能量時,當然考慮到原子核之質量消失變成能量。16年過去了,量子力學的發展已漸趨成熟,可是物理學家還是沒有答案。

微中子的誕生
1930年,量子力學的哲學大師波爾(N. Bohr)「被迫」開始思索著:量子力學裡不是有許多與我們「常識」相左的觀念嗎?或許能量不滅定律在微觀世界裡也根本不成立?他說:「雖然最近在原子理論的發展上有許多進展,但我們還是需要準備接受新的意外的!」

熱力學是建基於兩個假設(定律)推論出來的科學,如果第一定律不成立,那豈不是要重寫整個熱力學?對包立及許多物理學家而言,這代價似乎太高了!因此在深思熟慮後,包立終於提出了一「非常絕望下的解救法」:原子核內有一「東西」在衰變時帶著多餘的能量、跟隨著電子被釋放出來!從電量不滅定律看來,此一「東西」應不帶電,因此他稱之為「中子(neutron)」;從能量不滅定律計算,此一「東西」應比電子輕得多!在當時只發現質子、電子、及光子三種基本粒子時,敢提出另一新粒子來拯救能量不滅定律確是很大膽的。因此即使在原子物理上一向非常自負的包立,在給當年12月底在歐洲舉辦之物理聚會的信上,竟然很謙虛地寫道:

親愛的放射性女土與先生們……在此時我沒有自信發表有關此想法的任何論文…… 因為如果中子真的存在,相信物理學家應該早已發現它。因此我承認我這補救法一開始便似乎不太可能;可是不入虎穴,焉得虎子。

最後說明了他因私事不克參加。

1931年6月17日,在美國加州理工學院舉辦的一場物理會議上,包立首次公開地提出此一新粒子的想法。紐約時報立即在隔天報導謂:「瑞士蘇黎世理工學院的包立博士提出了他稱為『中子』的新粒子,在物理世界裡,為原子核中心添了一位新居士。」


β 衰變之理論
離美抵義大利參加另一物理會議裡,包立碰到了羅馬大學極具個人魅力的年青教授費米。像包立一樣,費米也沒辦法接收波爾放棄能量不滅定律的代價,因此對前者的想法非常感興趣。次年(1932年),查兌克果然在原子核內發現了一不帶電的新粒子,不幸的是:它的質量與質子相當,比包立所推測的大得多,因此絕不是包立的中子。當查兌克亦稱其新粒子為「中子」後,費米只好於1932年的一巴黎會議上改稱包立的中子為「微中子(neutrino)」,以希臘字母ν表之。

1933年冬天,費米以當時已非常成功的量子電動理論為模型,提出β衰變之數學理論:像電子放出光子一樣,他認為原子核內並沒有微中子,它只是在中子衰變成質子時,無中生有的出現,與電子一起被釋放到外的粒子而已。比較其理論計算結果與實驗數據,他結論謂:「微中子的靜止質量如果不是零,那一定比電子小得非常多!」他於1934 年將此名為「β衰變的嘗試性理論」投稿到權威期刊Nature上,但編輯一點也未為所動,認為「它包含了遠離實際的猜測,不會讓讀者感興趣的」而退稿!費米因而改投到一鮮為人知的義大利雜誌(後來又發表於較有名氣點的另一義大利雜誌及一著名德國雜誌)。

在該論文裡,費米導出β衰變的半衰期公式及電子能量的分佈;為現在我們所知之「弱作用理論」的前驅,其特殊的「作用形式」也是後來研究其它作用的模式。它可以說是物理歷史上的一篇經典作品,可是Nature竟慧眼不識英雄將它退稿?!怪不得Nature後來謂其退稿是「編輯史上的最大錯誤之一」,並於1939年1月16日重登該文!雖然該文奠定了費米在理論物理學上的地位,但退稿卻令他沮喪,因此決定暫時離開理論物理,專攻實驗。塞翁失馬,焉知非福?如果沒有此一馬前失蹄,他是否能於1938年因「發現以中子撞擊產生新的放射性元素,以及慢中子所產生的核反應」而獲諾貝爾物理獎,就不得而知了。

如果說包立的微中子觀念是畫餅充饑,那費米的貝塔衰變理論則是指出此餅可能不是海市蜃樓;只是:這塊餅要到哪裡去找呢? ......【更多內容請閱讀科學月刊第563期】


2 則留言:

匿名 提到...

第五段:這是怎麼一回事呢?如果能量不,
(這邊少了幾個字喔

作者 提到...

谢谢,应该是"如果能量不滅". 科學月刊排版時漏掉了.