中微子概念的提出

1914年英国物理学家查德威克（Chadwick）用实验证明α射线和γ射线的能谱不仅是分立的，而且发射粒子所带走的能量正好与原子核初态末态的能量差相等，这意味着α衰变和γ衰变过程都保持能量守恒。然而出乎意料的是，实验发现β衰变却有明显的不同，它的能谱是连续的，即β衰变放射出来的电子，其能量从零到某一个最大值间呈现连续分布［58］。这个现象使人们面临一个难题，由于原子核的初态和末态能量都具有稳定的确定值，如果是连续谱，所发射出来的电子能量就有可能小于两态之间的能量差，反应前后的能量就有损失，这个丢失的能量到哪里去了？

在探讨β衰变能量丢失谜团之前，必须先弄清一个基本问题，β连续辐射谱到底是从哪里来的？由于“一战”战事的蔓延，查德威克的实验一度中断。1922年，在查德威克的鼓励和坚持下，他的合作伙伴埃利斯（Ellis）放弃了参军，再度与他重复这个实验，他们依旧得到同样的结果。

对β连续辐射谱的来源，他们认为有三种可能：其一是由于γ射线引起的电子流；其二是从铜板屏上打出的电子流，铜板就是电子的辐射源；再有一种可能是由于放射性原子核发出的电子流。第一种可能很快被排除，因为γ射线不可能产生如此强烈的效应；第二种情况也被进一步的实验排除了，因为用银箔替换铜板，产生了同样的能谱；于是他们得出结论：“我们认为这个实验有力地证明了，连续辐射谱是由放射性原子自身发射出来的。”［59］对这个结论，梅特纳持不同意见。她认为原子核是一个量子化体系，原子中的电子及原子核只能处在一定的分立的离散能态之上，能量也只能从一个能态到另一个能态间的跃迁中释放出来，辐射能量应该是量子化的，不可能有连续能谱出现。于是，问题的焦点集中在β衰变放射出来的电子能谱是否为连续的。

1925年英国物理学家埃利斯和伍斯特（Wooster）把量热学的实验方法引用到了β衰变实验，他们精确地测量了辐射的能量，不仅证明了β辐射谱是连续的，而且还证明在实验过程中，并没有出现使能量损失的任何机制［60］。

埃利斯和伍斯特的实验更加使人确信，这个谜团确实有待解决。玻尔对这个谜团多次做出了解释。1931年8月29日，在英国伦敦举行的法拉第讲座上，玻尔公开而明确地表明了他的看法，他认为在β衰变中，对于每个电子的发射过程，能量有可能并不守恒，β衰变能量守恒只具有“统计的意义”［61］。

泡利不同意玻尔的看法，他不相信在自然界中，唯独电子在β衰变过程中会出现能量不守恒的现象。1929年在哥本哈根的一次会议上，泡利公开提出了反对玻尔的主张。在1930年，他更进一步明确提出：“只有可能在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（他当时称它为中子）一起被发射出来，这个中子的能量与电子的能量之和为常数，只有做出这个假定，才能使连续β谱问题得到解释。”［62］在1930年12月1日，在写给海森堡的信中，他明确地提出了β衰变过程中应该同时放射出一种看不见的“中子”，泡利所说的“中子”，后来被证实为中微子。这一时期，他形成了一个想法，组成原子的似乎不仅是质子和电子，有可能还有其他更小的某种尚不为人知的能量粒子，这就是他当时所说的“中子”。(https://www.daowen.com)

当时，在德国图宾根世界放射协会正在召开大会，著名放射物理学家，曾经是卢瑟福助手的盖革（Geiger）和梅特纳都参加了这次会议。泡利不同寻常地向大会发出一封公开信。在这封信中，他强调说，由于对β能谱的连续性与对能量守恒关系错误的“统计性”解释，他认为有必要以这种正式的方式提出他的看法。在这封公开信中，他更明确地提出了中微子的设想，认为在β衰变过程中“有可能存在这样一种电中性的粒子，我把它叫作‘中子’，它的自旋是，遵守不相容原理，它与光子不同，其传播速度不是光速，质量与电子具有相同的数量级，不大于质子的0.01倍，这种粒子与电子一起，以一个总能量发射出来，如果有了这样的假设，β能谱的连续性与能量守恒关系就能得到解释了……”

写这封信的时候，正是泡利与凯斯离婚的一周之后，他以对“中子”的思考，来解脱他的痛苦。1931年春，国际核物理会议在罗马召开，世界顶尖核物理学家聚集一堂，其中有居里夫人、梅特纳等人，泡利在会上再次提出β衰变的能量守恒。泡利最初认为，他所假设的这个小中性粒子原本就存在于原子核中，但在这次会议上他强调，这个小中性粒子是衰变过程中才出现的。他认为质量亏损的原因是中子在衰变中，变成质量稍小一点的质子，同时放出电子和一种质量更小得多的中性粒子。正是这个小中性粒子带走了亏损的能量。在1930年至1931年间，泡利关于β衰变的能量守恒解释，以及存在中微子的假设无疑是物理学界的一个重大事件。

泡利的中微子假说引起不小的反响，物理学界的不少人持怀疑态度，但是埃伦费斯特的学生费米却接受了这一假说。在1932年中子被发现后，费米把泡利假设的这个中性粒子正式命名为“中微子”。在1933年，费米进一步提出了弱相互作用的β衰变定量理论。他认为，电子和中微子是同时在β衰变中产生的（后来在人工放射性研究中，又发现了β+衰变，这是伴随原子核发射正电子的过程所出现的，为了区分，后来把当时的β衰变定为β-衰变）。费米指出，β衰变的本质是核内的中子衰变为质子的过程。中子与质子可以看成是核子的两个不同状态，这两个状态之间的转变相当于一个量子态跃迁到另一量子态。正如原子能态跃迁产生光子那样，在核子的跃迁中也同样可以放出电子和中微子。同样，正如光子并不在原子之中存在那样，电子和中微子也事先不存在于核内。导致这一过程的产生是电子和中微子之间的一种新的相互作用，费米称之为弱相互作用。最后费米的β衰变理论取得了很大成功，得到了物理学界广泛的认可。

尽管中微子的实验验证来得很迟，从预言到发现时隔了20年，但最终还是实现了。1953年美国物理学家瑞恩斯（Reines）和考温（Cowin）在《物理评论》上发表一篇短文《一个探测自由中微子的实验方案》［63］。同年7月6日，泡利看到了这篇短文，他在写给朋友菲尔兹（Fierz）的信中说：“发现我的这个自由中微子已经不远了。”果然被他说中，就在发出这封信的6个月之后，上篇论文的同一作者宣布了中微子被发现的消息［64］。

1953年的下半年，证实中微子实验的消息传到了苏黎世。为了庆祝这件事，泡利和他的同事一起登上了瑞士的爱特里堡（Uetliberg），在归途中，这一行人到一家饭馆聚餐，泡利喝醉了，被同伴搀扶着回家。据搀扶他的朋友巴克（Barker）后来回忆，在半路上泡利说了一句令他终生不忘的话：“记住，巴克，一切好事总是找寻那些善于耐心等待的人。”泡利在回复考温的电报中，也说了同样的话：“好事终会降临给那些知道如何耐心等待的人。”［65］