捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子（一）

（原文刊登於泛科學）

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

1. Helge Kragh (2002), ``Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century", Princeton University Press.
2. Bernard Fernandez and Georges Ripka (2012), ``Unravelling the Mystery of the Atomic Nucleus: A Sixty Year Journey 1896 — 1956",  Springer.
3. Laurie M. Brown (1978), ``The idea of the neutrino", Physics Today 31, 9, 23.
4. Kurt Riesselmann (2007/01/03), ``Neutrino invention", symmetry magazine.
5. Chad Orzel (2019/04/25), ``Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments", Forbes.
6. S.M. Bilenkya (2013), ``Neutrino. History of a unique particle", Eur. Phys. J. H 38, 345–404.
7. Wikipedia: Neutrino