第667章 中微子現！震撼全場！四費米子理論

  第667章 中微子現！震撼全場！四費米子理論！首個弱力理論！

  在大佬們的注視下，泡利從容地走到圓桌前方。

  在如此超逼格會議室的加持下，哪怕是泡利這樣跳脫性格的人也變得沉穩起來。

  他向在場眾人點頭示意後，便開始了自己的報告：

  「今天我的演講內容是關於β衰變的一些思考。」

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  「卡文迪許的查德威克博士，曾經在β衰變實驗中，發現了一個很奇怪的現象。」

  接著，泡利再次簡單敘述了關於電子能量連續的問題。

  在場的都是物理大佬，即便不是專門研究β衰變的，也很容易理解。

  「所以，這裡就有一個矛盾。」

  「為什麼中子衰變產生的電子，其動能不是一個固定值，而是一個連續值呢？」

  「而且這個值還遠遠低於理論上電子的動能值？」

  「這意味著有一部分能量消失了。」

  「我查閱了近幾年的所有相關論文，目前還沒有找到合理的解釋。」

  這時，主持人郎之萬忽然說道：

  「我記得玻爾教授曾用能量不守恆解釋這個問題。」

  泡利點點頭。

  「沒錯，但這個解釋並未得到承認。」

  「有點太驚世駭俗了。」

  泡利這些年也經常去玻爾的理論研究所，兩人關係很好。

  所以，他可以開個小玩笑。

  玻爾露出一絲無奈的笑容。

  當初就因為這個事情，他還被很多人嘲笑。

  「玻爾教授總想搞個大新聞。」

  泡利繼續說道：

  「所以，我今天給出了一個全新的解釋。」

  嘩！

  眾人皆是一驚！

  在大家看來，泡利這小子雖然嘴毒了點，但實力卻是槓槓的。

  而且他不僅喜歡質疑別人，同樣也嚴格要求自己。

  在布魯斯會議這樣的高端場合下，他要給出一個遺留問題的答案，必然是經過了深思熟慮。

  至少他自己被說服了。

  而且β衰變問題，事關弱力，極其重要。

  目前量子場論的思想，在應用到強力、弱力、引力上時，遇到了難以想像的困難。

  所有大佬都被折磨的睡不著覺。

  實在太難了。

  所以，如果弱力領域有突破，絕對是一件大喜事。

  在眾人的期待下，泡利說道：

  「布魯斯教授認為，中子在發生β衰變後，會生成一個質子和一個電子。」

  「但我認為，中子還會額外生成一個新的粒子！」

  「正是這個粒子帶走了消失的那部分能量，轉換成其自有的動能！」

  「如此一來，就能解釋β衰變的問題。」

  轟！

  話音剛落，房間內頓時一陣驚呼！

  泡利如此大膽，竟然預測了一個新的粒子！

  海森堡聞言，神色震動！

  泡利師兄沉寂了好幾年，終於要再次一鳴驚人了嗎？

  「我了解他的性格，他絕對不會胡亂猜測。」

  不過在場的畢竟都是大佬，能沉得住氣。

  眾人知道泡利一定還有下文的闡述。

  果然，他繼續說道：

  「我假設這個新粒子的質量和電子差不多。」

  「這樣它帶走的動能就可以符合要求。」

  「從電荷守恆的角度看，新粒子不帶電，是一種中性粒子。」

  「而且從自旋守恆的角度，也能分析出必須存在這樣一種粒子。」

  接著，泡利便將準備的內容細細闡述。

  眾人聽完之後，無不心頭震撼。

  引入了這個新粒子之後，可以完美解決β衰變的問題。

  一時間，所有人議論紛紛。

  李奇維看著泡利的演示內容，微微一笑。

  真實歷史上，泡利在1930年提出的這個新粒子，就是大名鼎鼎的幽靈粒子「中微子」。

  一開始，泡利把這個新粒子，稱為「中子」，因為它是電中性的。

  但是1932年，查德威克終於發現了質子-中子模型中的中子，兩者名字衝突了。

  後來，費米把名字改成了「中微子」，意為更微小的中性粒子。

  因為經過研究發現，中微子的質量並不是如泡利猜想的和電子相當，而是僅有電子質量的百萬分之一。

  在當時，電子是已知的最小質量的粒子。

  中微子的質量比電子還小那麼多，哪怕在粒子物理學領域，都足以稱得上「微小」了。

  這也導致，中微子這個粒子自從被提出後，物理學界一直沒有找到它的蹤跡。

  質量小還不帶電，很多探測方法和手段都不能使用。

  然而，華夏物理學家王淦昌，卻在1942年，提出了一個非常巧妙的探測方法。

  他利用反β衰變來探測中微子。

  正常的β衰變的核反應公式是：n→p+e+v（n：中子；p：質子；e：電子；v：中微子）。①

  那麼聰明的你，肯定想到了，反β衰變的核反應公式就是：p+e+v→n。②

  恭喜你，答錯了。

  這裡要重點說明一下。

  公式①中的中微子，其真正嚴格的學名應該是：反電子中微子。

  所以，正β衰變的過程是，一個中子，生成了一個質子、一個電子和一個反電子中微子。

  為什麼會生成一個反的中微子呢？

  前面提到過，在粒子物理學領域，有非常多的守恆原理。

  而【輕子數守恆】就是其中一種。

  由於電子是一種輕子，輕子數為1，所以方程右側必須要有一個反輕子，輕子數為-1。

  這樣一來，右邊的輕子數為0。而左邊是中子，輕子數也為0。

  兩者守恆。

  所以，生成的中微子必須是反中微子。

  這時，好奇的你又問了：

  「那為什麼叫反【電子】中微子呢？」

  「為什麼不直接稱反中微子？」

  這是因為，在標準模型中，輕子一共有12種類型。

  其中三個類型分別是：電子e，渺子μ（相當於大號電子），陶子τ（相當於超大號電子）。

  所以，你可以直接理解為，有三種型號的電子。

  而這三種電子，都有分別與之對應的中微子，分別是：電子中微子ve，渺子中微子vμ，陶子中微子vτ。

  這六種輕子，又分別有對應的反粒子：

  反電子、反渺子、反陶子、反電子中微子、反渺子中微子、反陶子中微子。

  這12種粒子就是標準模型中的12種輕子。

  所以，現在應該能理解β衰變的真正含義了吧。

  回到正題。

  按理來說，正β衰變是n→p+e+v反。

  那麼反β衰變就是p+e+v反→n。

  這個過程符合任何守恆定律。

  然而事實卻是：p+v反→n+e反。

  相當於把電子挪到了反應式的右邊，所以電子就要變成反電子。

  即：一個質子+一個反電子中微子，生成了一個中子+一個反電子。

  王淦昌就是利用這個反應規律，首次提出了探測中微子的辦法。

  具體方法是這樣的：

  首先用水作為探測器，因為水裡面有大量的質子。

  如果反電子中微子真的存在，那麼它一定會與水中的質子發生核反應，生成中子和反電子。

  反電子在形成之後，又會與水中的電子產生湮滅，這個過程會發出兩個γ射線的光子。

  所以，在水探測器的兩邊，再加上γ射線探測器，就能檢驗是否有γ光子。

  如果有γ光子，那說明反電子中微子存在，即中微子是存在的。

  可惜，王淦昌當時就因為是華夏人的身份，他的論文成果沒有得到物理學界的重視和承認。

  1956年，美國物理學家萊因斯和柯溫，在王淦昌發表的原理上，設計了實驗進行驗證。

  整個實驗裝置埋在核電站附近很深的地下，減少環境中的干擾。

  此外，他們不僅檢測反電子和電子湮滅產生的γ光子。

  二人還在水裡摻入了很多的鎘元素。

  反應生成的中子，會被鎘原子核吸收。

  鎘原子核吸收中子後，會處於激發態，接著又釋放出γ光子，最後落回基態。

  所以，如果能同時測量到兩種γ光子，那麼幾乎就能100%證明中微子存在了。

  實驗結果當然是肯定的，中微子確實存在。

  萊因斯也因此獲得了1995年的物理諾獎，至於他的同事柯溫則因為提前去世，無法獲獎。

  與萊因斯同獲當年物理諾獎的，還有發現陶子τ的美國物理學家佩爾。

  而我們華夏的王淦昌教授，他卻沒有得到應得的榮譽。

  最後，可能心細的人還有一個問題：

  「整個過程和費米好像沒什麼關係。」

  「為什麼他有資格給中微子取名呢？」

  「他憑什麼？」

  那是因為費米利用中微子，提出了大名鼎鼎的「四費米子理論」。

  這是在量子場論的基礎上，首個解釋弱力的理論，和湯川秀樹發表的解釋強力的介子理論是一個等級的存在。

  其重要性可想而知。

  前面已經知道，粒子可以分為費米子和玻色子。

  費米子粒子在同一個空間位置不能迭加，而玻色子可以（比如光可以迭加）。

  很明顯，與弱力相關的四種粒子：質子、中子、電子、中微子，全部都是費米子。

  1934年，費米提出了能夠解釋中子β衰變的弱力理論。

  他認為β衰變的本質，是參與弱力的四個費米子，在時空同一點發生相互作用的矢量流耦合機制。

  利用相互作用的拉格朗日量，他首次創新地給出了電子能譜分布和衰變概率的數學公式，與實驗結果基本吻合。

  論文一出，就在物理學界引發了巨大轟動。

  這是第一個普適的能解釋弱力的理論框架，為後續發展奠定了基礎。

  費米因此名聲大噪，成為理論界的大佬，所以他才有資格給中微子命名。

  而他的理論由於是關於四種費米子的相互作用，所以也被形象地稱為「四費米子理論」。

  但是隨著量子場論的深入發展，很快，四費米子理論就遇到了缺陷。

  第一，它無法解釋宇稱不守恆現象。（見563章）

  第二，它無法描述高能狀態的弱力。

  直到後來，電弱統一理論取代了四費米子理論，弱力才被正式終結。

  而費米的貢獻，則為電弱統一理論積累了深厚的基礎，是量子場論歷史上的開山之作。

  以上，就是關於中微子的提出和發現，以及它與弱力的關係的故事。

  由此可見，弱力和強力是完全不同的兩個歷程。

  此刻，泡利大膽地提出了這種新粒子，引起眾人的極大興趣。

  玻爾首先問道：

  「如果新粒子的質量和電子相當，為什麼沒有形成相應的粒子流呢？」

  泡利回道：

  「β衰變之所以能形成β射線，即電子流，是因為有額外電場的控制。」

  「而這種新粒子不帶電，所以發射的方向是四面八方的，無法集中起來，也因此觀察不到它的粒子流。」

  接著，狄拉克等人都分別提出了幾個問題。

  有些泡利能夠解答，有些則無能為力。

  畢竟，這現在只是他的一個猜想。

  他連這種粒子的具體質量都還不清楚。

  但是在場的眾多大佬們，幾乎有一半的人，都認可了這個猜想。

  因為它不僅完美解釋了β衰變中的能量危機，還是對自旋守恆的某種印證。

  其中以費米最為激動。

  他在聽到這個新粒子的一瞬間，好像有某種靈感傾瀉而出。

  就好像：「這個粒子是為我而生的一樣。」

  費米搖了搖頭，偷笑一聲，他覺得自己有點想入非非了。

  這時，海森堡忽然笑著問道：

  「泡利師兄，你為這個新粒子命名了嗎？」

  作為泡利的忠實小弟，海森堡是肯定支持這個理論猜想的。

  泡利說道：

  「還沒有。」

  「因為我覺得還沒有被證實。」

  然而，在所有人的驚訝中，李奇維忽然開口了：

  「就叫它【中微子】吧。」

  嘩！

  全場震動！

  這句話透露出的含義可不一般。

  「布魯斯教授竟然也認可了泡利的猜想！」

  「十有八九中微子是肯定存在了。」

  李奇維的話，就好像一記重錘，砸在泡利的心上，讓他興奮不已。

  有了布魯斯教授的背書，他的猜想起碼有9成的可能性。

  那可是預言或者發現一種全新粒子的榮譽啊！

  物理學目前為止，只有5個人獲得了這個榮譽：

  電子：湯姆遜；

  質子：盧瑟福；

  中子：李奇維預言，於隱發現；

  反電子：李奇維預言，趙忠堯發現。

  而現在，要再加上一個，中微子：泡利預言。

  泡利喃喃自語：

  「中微子比中子更微小的中子」

  「這個名字真貼切。」

  （還有更新耶）