挽救守恒定律

挽救守恒定律

对于理解核反应及亚原子粒子的特性，所有的守恒定律都是很重要的指示牌。任何违背守恒定律的现象都不应发生，因为只有这样才能将可能发生的作用限制在一定范围内。换句话说，守恒定律防止了发生总体混乱，事实上也告诉了科学家应该去探求解决什么样的问题。

因此，任何看似违背守恒定律的现象都是很令人不安的。当人们将守恒定律作为考虑问题的最基本、最重要、最不容侵犯的出发点时，情况更是如此。20世纪20年代人们对能量守恒定律产生的动摇就是一例。

通常亚原子粒子的特性完全符合该定律。假如一个电子与一个正电子相互湮没，那么以γ射线的形式放出的能量刚好等于这两种粒子以质量形式存在的能量，加上它们相互接近时所具有的动能。当质子与反质子相互湮没时情况也一样。

此外，当核发生放射性蜕变并放出α粒子时，新的核加上α粒子的总质量略小于原核。（这就是核最初以这种形式发生自发蜕变的原因。)质量的减小是以放出的α粒子的动能的形式显示出来的。

这就意味着，通过放出α粒子进行蜕变的某特定同位素的所有核放出的α粒子，都以相同的速度运动，并具有相同的能量及穿透性。测量结果显示，生成的α粒子总是储有一定的能量。

偶尔，核在进行放射性变化时，会产生2组或2组以上的α粒子，它们以不同的速度运动，并具有不同的能量。这就意味着在这种情况下，核可以以2种或3种能级中的任一种能级存在。处于较高能级的核产生的α粒子的运动速度比处于较低能级的核产生的α粒子更快。

而涉及β粒子的情况就完全不同了。当核放出β粒子（这是一种高速运动的电子)时，新的核加上β粒子的总质量与原核的质量相比要略微轻一点。这种质量差应作为β粒子的动能来考虑。

β粒子有时运动得非常快，那是因为它拥有的动能刚好与亏损的质量相平衡。β粒子的运动速度绝对不会超过这个值，即不可能使产生的动能大于亏损的质量具有的能量。如果那样的话，就会凭空产生能量，从而违背了能量守恒定律。

然而，β粒子通常运动得比较慢，甚至比它应有的速度还要慢得多，即它的动能比用于平衡质量亏损所应产生的动能小。这种现象是违反能量守恒定律的；太少和太多同样都是问题。当核（全都是同一种类型的)通过放出β粒子发生蜕变时，它们生成的粒子具有的速度和动能都在一定范围之内。平均说来，β粒子的动能仅约为质量亏损应有能量的1/3。对那些最初研究这一现象的人而言，能量绝对是不守恒的。

科学家对β射线的速度范围进行了20年的观测和研究，但是仍然存在着无法解释的困惑。玻尔对此感到非常忧虑，他提出，能量守恒定律有时候也许可以放弃，至少在有关β粒子的场合。而少数物理学家已准备接受这种观点。（一个适用于所有情况而只有一个例外的普遍规律不应轻易被放弃，直到已作了各种努力来解释这种例外。)

1930年，泡利提出了一个有关β释放能量守恒问题的解释性理论。他指出，无论何时，当核放出一个β粒子时还会放出第二种粒子，这种粒子无论如何总会夺取一定的能量，而电子是得不到这些能量的。这两种粒子所具有的动能加在一起则刚好可以解释产生β粒子时的质量亏损。然而，泡利这种观点的唯一问题在于：如果会产生第二种粒子，为什么从来没有探测到呢？答案是：在中子转化为质子的过程中，电子带走了应有的所有电荷，因此第二种粒子必定是电中性的，它是一种比带电粒子更难被探测到的粒子。

中性较重的粒子（即中子）是通过将质子从核中撞击出来才被探测到的。这种能力可以帮助研究人员找到这种粒子。至于这种在产生β粒子时假定会产生的新粒子，它带走的很少的能量仅够满足它的速度需要；因而它几乎不可能有一点点的质量。事实上，有些β粒子被放出时的速度已经能够满足核的全部能量损失，因此第二种粒子也许根本没有质量。

一种既不带电荷又没有质量的粒子似乎是很难被探测到的，但又不能以光子作为例子加以证实。虽然光子也是既不带电荷又没有质量，但它很容易被探测到。然而，光子是一种模糊的波包，在遇到任何细小的物质时很容易与之发生相互作用。那么，如果β粒子的同伴是一种瞬间粒子的话，难道不会与其他物质发生相互作用吗？

1934年，费米对这种粒子进行了研究，并为它取了个名字叫中微子（neutrino，源自意大利语“小中子”一词)。费米相当详细地研究了这种粒子应该具有的性质。他相信，这种粒子实际上是一种没有质量、不带电荷，而且几乎没有与其他物质发生相互作用倾向的粒子。它是一种“一无所有的粒子”，人们有时会把它叫做鬼态粒子。它也可能并不存在，只是为了满足能量守恒定律——这是一种本身并没有给人留下非常深刻印象的观点。对于这种只是为了保全面子而提出的见解是可能会引起争议的（有些人确实对这种方式提出了异议)。如果挽救能量守恒定律的唯一方法是发明一种鬼态粒子，那么这种定律根本不值得挽救。但不管怎么说，中微子还挽救了其他一些守恒定律。

以一个不运动的中子为例，其速度为0；因此其动量（等于质量乘以速度)也为0。甚至在人们了解能量守恒定律之前，科学家就已经知道存在着动量守恒定律。换句话说，无论不运动的中子发生什么变化，它所产生的粒子的总动量必须保持为0——只要宇宙的其他部分不以任何形式进行干扰。

经过一定时间之后，不运动的中子会蜕变成质子和电子。电子会沿某个方向以很高的速度飞离，因而具有相当可观的动量。这时中子就变成了质子，以很慢的速度沿反方向弹回，但会具有较大的质量。在理论上，电子的动量（小质量×高速度)应该等于质子的动量（大质量×低速度)。如果这两个粒子沿截然相反的方向急驰，其中一个的动量为＋x，而另一个为-x，那么两个动量相加即为0，因此是符合动量守恒定律的。

但是，实际情况并非如此。通常电子的动量很小，它和质子也不是沿截然相反的方向运动。这样就有一个微小的动量无法解释。如果我们允许中微子存在，那么它也许会沿该方向运动，不仅能解释失去的能量，而且能解释失去的动量。

此外，中子的自旋为＋1/2或-1/2。假定它蜕变成一个质子和一个电子，没有其他东西。质子的自旋为＋1/2或-1/2，电子也一样，那么质子和电子的总自旋应是＋1、-1或0，具体取决于你所选取的正负号。因此质子和电子加在一起的总自旋决不可能像原核那样，为＋1/2或-1/2。这就意味着角动量守恒定律（另一种人们非常熟悉并应严格遵守的守恒定律)被违背了。

然而，如果中子蜕变成质子、电子和中微子，这三种粒子的自旋均为＋1/2或-1/2，三者（例如＋1/2、＋1/2、-1/2)之和为＋1/2，这与原核的自旋相同，符合角动量守恒定律。

除了上述三种守恒定律外，后来还发现了第四种守恒定律：轻子数守恒定律。中子和质子各自的轻子数均为0，而电子的轻子数为＋1，正电子的轻子数为-1。

中子开始时的重子数为＋1，轻子数为0。如果它蜕变成质子（重子数为＋1，轻子数为0)和电子（重子数为0，轻子数为＋1)，那么重子数是守恒的，但轻子数则不然。

但是，如果假定会生成轻子数为-1的中微子。在这种情况下，中子（重子数为＋1，轻子数为0)蜕变成质子（重子数为＋1，轻子数为0)、电子（重子数为0，轻子数为＋1)和中微子（重子数为0，轻子数为-1)。这样，从1个中子（重子数为＋1，轻子数为0)开始，最后生成3个粒子，它们的总重子数为＋1，总轻子数为0。这时轻子数也和重子数一样是守恒的。

当然，因为中微子的轻子数为-1，按理说它应该是一个粒子（反中微子)的镜像，而实际确实如此。反中微子也符合能量、电荷、动量和角动量等守恒定律，这一点与中微子完全一样。反中微子也符合轻子数守恒定律。

仅仅是为了挽救某一个守恒定律而设计出这样一种探测不到的粒子并不能使人觉得非常有说服力。分别设计出四种探测不到的粒子来挽救四种守恒定律甚至更缺乏说服力。然而，一种探测不到的粒子其本身的存在能够挽救四种不同的守恒定律——能量、动量、角动量和轻子数——那么，它就变得非常有说服力。随着时间的推移，物理学家对中微子和反中微子采取的态度是：无论是否探测到这两种粒子，它们必须存在。