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人生危機催生中微子假說 ——紀念泡利誕辰116周年 施郁 （復旦大學物理學系）
1900年4月25日，沃爾夫岡·泡利誕生于維也納。1958年12月15日，他在蘇黎世羅特科魯茲（Rotkreuz）醫院137號病房去世。1/137是表征電磁相互作用強度的、他敬愛的導師索莫菲1916年首先引入的參數精細結構常數的近似取值，泡利一生為之困惑。 泡利去世2個月前，在給德爾布呂克（1929年哥廷根大學理論物理博士，后來轉向生物學，1969年因病毒的復制機制和遺傳結構的發現分享諾貝爾生理學或醫學獎）的信中提到，中微子是“我人生危機（1930-1931）的傻孩子”。 為了理解他的所言，我們需要從β衰變說起。
在“基本粒子與物質結構”【鏈接】一文中，我們介紹了各種基本粒子。 1898年，盧瑟福將當時所知的兩種放射性射線稱為α和β。同年，居里夫人指出放射性來自單個原子。1900年，人們知道了β就是湯姆遜于1897年發現的電子。1910年，盧瑟福提出原子由原子核和電子組成。1913年，玻爾提出β來自原子核里的電子。1914年，盧瑟福提出原子核由質子和電子組成。 1926年，克羅尼格發現，這個質子加電子的原子核模型有一個困難，如果原子核中有電子，那么核磁矩會很大，這導致與核外電子的作用導致的原子光譜的超精細結構會大得離奇。兩年后，他又發現這個模型導致的原子核總自旋（自旋是一種內稟角動量）與實驗不符。次年拉塞蒂又發現原子核的統計性質與實驗相符。統計性質是指粒子是自旋為半整數的費米子還是自旋為整數的玻色子。奇數個費米子組成的復合粒子（如原子核）仍然是一個費米子，而偶數個費米子則組成玻色子。 還有一個疑難，就是著名的β衰變連續譜問題。1914年，查德威克首先發現，β衰變發出的電子能量在一定范圍內所有取值都有可能。1920年代，艾利斯（C. D. Ellis）和伍斯特（B. A. Wooster）確立了這個現象，梅特納（L. Meitner）等人也有貢獻。 為了解釋這些疑難，1929年到1936年，玻爾主張需要一個新的物理定律，包括能量守恒定律只在平均意義上成立，類似于他以前與克萊默斯（Kramers）和斯萊特（Slater）試圖調和原子分立能級、光子概念與經典電磁理論的一個失敗理論【關于愛因斯坦的光子概念和量子輻射理論，可參見文章1（鏈接）和文章2（鏈接）】。 2. 泡利的建議 1929年2月泡利在給克萊因（O. Klein）的一封信上指出:“玻爾考慮能量守恒定律的違背，是在完全錯誤的道路上?！?/span>1930年12月1日海森堡給泡利的信上提到“你的中子”，說明泡利已經與海森堡討論過關于“中子”的想法。 泡利的這個想法詳細記載于他1930年12月4日通過梅特納給一個放射學家會議的信。這封信信息量很大，因此筆者試譯如下。 “親愛的放射性女士先生們： 我想到一個關于氮（N）和鋰（Li）6原子核的“錯誤”統計定律和連續β譜的絕望的補救方法，能夠挽救統計定律以及能量守恒定律。這就是，原子核中可能存在一個電中性的粒子，我稱它為中子，它的自旋是1/2，滿足不相容原理，而且與光量子不同，它不以光速運動。中子的質量應該與電子同一數量級，而且肯定不大于質子質量的0.01倍。假設β衰變時，1個中子和1個電子同時放出，它們的能量之和是常數，這就可以理解連續β譜。 還有一個問題，中子受到什么力？在波動力學基礎上…中子最可能的模型似乎是，靜止的中子是個磁矩為μ的磁偶極矩。實驗似乎要求中子的電離效應不能大于γ射線，因此μ不能大于eX10-13cm。 目前我不敢就此想法發表任何東西，所以私下詢問你們，親愛的放射性朋友，如何在實驗上證實這個中子，如果它的穿透能力等于或者十倍于γ射線。 我承認從先驗的角度，我的方案不大可能，因為如果它們存在，早就應該被看到。但是敢拼才能贏，我的前任得拜先生最近在布魯塞爾向我表達了連續譜問題的嚴重性：‘哦，就像新的稅一樣，最好完全不去想它?！虼诵枰J真討論每條拯救的道路。——因此，親愛的放射性朋友，請檢查并判斷。——不幸的是，我不能親臨圖賓根，因為12月6日晚至7日的有個舞會，我必須參加…你們謙卑的侍者，沃爾夫岡·泡利?！?/span> 泡利從來沒有就他的“中子”假說正式發表論文。事實上，在給放射學家會議的信發出幾天后，12月12日，在給克萊因的信中，泡利指出，因為他的“中子”的質量與電子接近而又必須通過磁矩與電磁場耦合留在原子核內，它與電子應該磁矩大小相仿，“照理云霧室照片上有很多中子的痕跡…所以我不是太相信中子。” 1931年6月，泡利在美國就他的“中子”假說作了演講。 3. 后續 1932年1月，查德威克發現我們現在所說的、與質子質量相近的中子。值得注意的是，泡利提出“中子”以同時解決β衰變的諸疑難時，認為它與質子和電子同為原子核的組成部分，在原子核發生β衰變時和電子一起發出。而查德威克在發現中子之前就一直也用這個名詞。他和盧瑟福找了它12年，他們認為它是原子核的組份，但是是質子和電子的復合體。所以作為原子核的組份，泡利假設的“中子”和查德威克發現的中子是一致的，當然二者質量有天壤之別。1933年4月開始，泡利采納費米的建議，該稱他預言的“中子”為“中微子”。 一個疑問是，難道原子核里除了查德威克的中子，還有泡利的“中子”（即中微子）？這個問題1934年被費米漂亮地解決了。他告訴人們原子核內原來沒有中微子，而中子衰變時，變為質子、電子和中微子。因此在中微子這件事上，費米的功績遠不止將泡利的“中子”改名為“中微子”。
4. 預言新粒子的勇氣 后來，直到今天，利用各種守恒定律預言新粒子是粒子物理學家經常做的事（類似地，凝聚態物理學家樂于預言各種新物態）。 所以泡利剛想出“中子”假說時的猶疑也許令后生們不解。這就要了解當時的“文化”。當時人們只知道3個基本粒子：質子、電子和光子。除了愛因斯坦在早期量子論階段預言的光子，人們還沒有預言過新粒子。預言新粒子是非常具有革命性、需要勇氣的。難怪泡利稱之為“絕望的補救方法”。魏格納則認為這是瘋狂但是有勇氣。 比這早一點，1928年初狄拉克從相對論性的量子力學方程（即狄拉克方程）中解出負能量解時，先是認為不符合物理，直接拋棄。然后克萊因和仁科芳雄的工作表明負能態丟不得。1929年底，狄拉克提出負能海的概念，但是把負能海的空穴解釋為質子。雖然他知道空穴質量應該與電子一樣，但是他寄希望于電磁相互作用可能改變這一點。對此，狄拉克后來說：“那時每個人都覺得電子和質子是自然界僅有的基本粒子?！敝钡?/span>1931年5月，狄拉克終于在1篇文章中提出，這個空穴是電子的反粒子——正電子。 所以，愛因斯坦的光子是第1個從理論上預言的粒子，正電子算第2個，中微子算第3個（按泡利公開演講算）。與泡利和狄拉克的躊躇相比，愛因斯坦預言光子時的膽大心細顯現出他的特別。
5. 泡利的勇氣的來源 派斯認為，泡利作出中微子假說這種革命性舉措與他通常的風格不一致。泡利本人就說過: “我年輕時認為自己是個革命者，但是我是個守舊者，不是革命者?！惫P者認為，泡利對一生中對種種新理論的苛刻，就反映了他的保守。 那么什么因素促使他作出了中微子假說？ 泡利本人已經回答了這個問題，這就是本文開頭引用的他的信中所言，中微子是他“人生危機（1930-1931）中傻孩子”。派斯認為泡利將中微子假說與他個人危機所作的聯系非常重要。 事實上，泡利的母親在3年前自殺（1927年11月15日）。這導致他停止去教堂。而在他給放射學會議的信發出前幾天，1930年11月26日，泡利剛結束短暫（11個月）、“松散”（泡利婚后給克萊因信中所說）、不幸的婚姻。這給了他很大的打擊，導致他酗酒、抽煙。順便提一下，這位前妻1974年給物理學史家梅拉作了個有趣的描述：“泡利和我在蘇黎世結婚時，他總是告訴我他在世界物理學界真是非常重要。他經常像一個籠中的獅子在屋里走動，將他給別人的回答用最諷刺而機智的方式表達。這給了他極大的滿足。” 泡利在給放射學會議的信中說他不能參加會議，因為要參加一個舞會。這是當時蘇黎世的一個大型舞會，這反映了泡利主動要走出幾天前離婚的痛苦。 1932年1月開始，在精神分析師榮格的安排下，泡利一直寫信描述自己的夢境，先是給榮格的一個學生，幾個月后給榮格本人，一直持續到1934年10月，當時泡利再婚已半年。榮格認為分析是成功的。 也許人生的危機有時反而刺激出創造力的迸發，特別是對于泡利這種為物理創造而生的人。愛因斯坦的廣義相對論、引力波、量子電磁輻射理論等重要工作誕生于他的婚姻危機中 |
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