從泡利提出中微子概念至今已有80餘年，在中微子假說的提出、中微子的發現及研究中微子的過程中一波九折，其中有不少很有趣的故事，使本來就像幽靈的中微子顯得更加神秘。

“假說”的論戰

1914年，英國的查德威克（J. Chadwick）在研究α、β、γ 射線能譜的實驗中觀測到奇怪的現象：β射線的能譜不像α、γ射線的能譜那樣是分立的（這是理論所預期的），而是具有逐漸衰減的連續譜，這似乎不符合能量守恆定律，用當時的理論的確難以解釋。這個能譜的“不一致”引出了一場“假說”的論戰。

α射線能譜圖（左）與β射線能譜圖（右）

查德威克

【能量守恆定律】是指一個封閉（孤立）系統中，能量既不會憑空產生也不會憑空消失，它只會從一個物體轉移到另一個物體，或者從一種形式轉化為另一種形式，而在轉化或轉移的過程中，總能量保持不變。總能量是靜止能量（固有能量）、動能、勢能三者的總量。

理論上預期β 射線具有分立能譜是基於兩個假設：一是β 射線衰變放出一個較輕的原子核和一個電子；二是反應前後的能量和動量守恆。這意味著，要想解釋實驗所觀測到的β 射線衰變連續能譜，至少要放棄其中一個假設。

玻爾（N. Bohr）於1924年與別人合作發表了題為《輻射的量子理論》的論文，他提出的“假說”是：能量和動量在單個微觀相互作用過程中不必守恆，而只需在統計意義上守恆。這個觀點質疑了最基本的能量守恆定律，讓人們比較難以接受。一年後，康普頓（A.H. Compton）用電子-光子散射實驗證明了光子和電子在碰撞過程中能量與動量都守恆，光子的一些能量轉移給了電子，這使得玻爾的假說明顯地站不住腳了。

康普頓

年輕的泡利（W. Pauli）提出了與玻爾不同的另外解釋。1930年12月他寫信給好友時談到：他對第一個假設做了修改，但堅持反應前後能量和動量守恆的第二個假設。他認為β 射線的連續譜可以解釋為β 衰變除了放出一個較輕的原子核和一個電子，還同時放出一個很輕的、電中性的、自旋為二分之一的微小粒子。這個微小粒子和電子的能量總和是守恆的，它帶走了一部分能量和動量，使得反應末態的電子能譜成為連續譜。當時泡利把那種中性的微小粒子稱為“中子”。

泡利

1933年10月，泡利在匯聚世界頂級物理學家的第六屆索爾維會議上報告了自己的新粒子假說。為了與查德威克1932年在實驗中發現的不帶電中性核粒子——中子相區別，費米（E. Fermi）將泡利假說中的新粒子改稱作“中微子”（neutrino）。1933年12月，費米提出了β 衰變理論，他認為自然界中除了已知的萬有引力和電磁力以外，還存在第三種相互作用——弱相互作用力。在β 衰變的過程中，原子核中的中子透過弱相互作用衰變為質子，同時放出一個電子和一箇中微子。費米計算出β 衰變連續譜的能量，與實驗測到的值比較吻合，他還描述了β 衰變半衰期的規律，β 射線的能譜之謎終於解開了。

【索爾維會議】20世紀初，比利時化學家、企業家、政治家和慈善家索爾維（E. Solvay）創立了索爾維會議。索爾維是一個很像諾貝爾的人，本身既是科學家又是家底雄厚的實業家，萬貫家財都捐給科學事業。諾貝爾是設立了以自己名字命名的科學獎金，索爾維則是為召開世界最高水平學術會議——“索爾維會議”提供經費。

索爾維會議創辦者索爾維索爾維會議創辦者索爾維

費米

就在費米提出β 衰變理論之後不久，居里-約里奧（Joliot-Curie）夫婦1934年1月在實驗中觀察到：在用釙產生的α 粒子轟擊鋁箔時，除了能探測到預料中的中子外還探測到了正電子，更令人感到意外的是，若將α 放射源拿走，鋁箔不再發射中子但並不立即停止正電子的發射，且正電子的放射強度隨時間衰減的規律與天然放射性一樣，具有一定的半衰期。用同樣的方法他們還發現了其他一些人工生成的放射性物質。這可以說是20世紀最重要的發現之一，是人類變革微觀世界的一個突破，居里-約里奧夫婦因此獲得了1935年的諾貝爾化學獎。他們的這一發現也證實了費米的β 衰變理論，物理學界逐漸接受了中微子的概念。

【正β 衰變與負β 衰變】放出正電子的稱為“正β 衰變”，放出電子的稱為“負β 衰變”。在正β 衰變中，核內的一個質子吸收能量轉變成中子，同時釋放一個正電子和一個電子中微子；在負β 衰變中，弱相互作用將核內的一箇中子轉變為質子，同時釋放一個電子和一個反電子中微子。此外，電子俘獲也是β衰變的一種，稱為電子俘獲β 衰變。

儘管費米的β 衰變理論奠定了中微子存在的理論基礎，但中微子仍然像蒙著一層迷霧，理論預言中的粒子尚需實驗來證實。由於中微子是中性的，又不參與強相互作用，且質量似乎微不足道，想從實驗上證實它難度極大。連泡利本人也曾流露過“找到中微子似乎不太可能”的觀點。

間接的證實

在泡利提出中微子假說時，正在德國柏林大學讀研究生的中國學者王淦昌在導師邁特納（L.Meitner）的指導下介入中微子研究。當時，間接證實中微子存在的實驗有兩種途徑，一是β 能譜法，即用儀器測量β 衰變時的能譜。由於電子只帶走了衰變前後原子核能量差的一部分，其餘部分的能量，即由中微子帶走。這種實驗從能量守恆可間接地證實中微子的存在。另一種是原子核反衝法，原子核產生β 衰變時，發射電子、中微子和另一種原子核（稱為反衝原子核）。只要測出電子與反衝原子核的動量，從動量守恆可間接地確認中微子的存在。

王淦昌

王淦昌1934年4月回國後仍關注著β 衰變和探測中微子的實驗。在這一時期，世界上很多實驗室嘗試的各種探測中微子的實驗均無實質性的進展，王淦昌分析了這些實驗後對中微子的探測方法有了新的思考。由於正處抗日戰爭，中國國內無法進行實驗，在浙江大學任教的王淦昌1941年10月將自己的文章《關於探測中微子的一個建議》寄給了美國《物理評論》雜誌。文中提出用原子核的K電子俘獲測量原子核的反衝能量來證明中微子的存在，這樣就使β 衰變末態的三體問題簡化為兩體問題了（由A→B+e+ν 轉化為A+e=B+ν），只要測量原子核的反衝能量和動量就可得出中微子的能量和質量，他還提出了利用鈹的一種同位素鈹（7Be）經K電子俘獲成為鋰的一種同位素鋰（7Li）的單能反衝原理來進行實驗的具體建議，這是因為這個衰變過程既不產生γ射線，也不產生正電子，即鈹（7Be）的核都是以K俘獲的方式衰變的。此文於1942年1月發表，這個建議立即引起各國實驗物理學家的重視。

【K俘獲】電子被原子核俘獲，稱為電子的核俘獲或K俘獲。K俘獲是原子核從最靠近它的K電子殼層俘獲一個電子而轉變為核電荷數比原來的值小1的新原子核的機制，在此過程中原子核還發射出一箇中微子。K俘獲是β 衰變的逆過程。

1942年6月，美國的艾倫（J.S. Allen）在《物理評論》上發表了《一箇中微子存在的實驗證據》。艾倫在引言中明確表示，他是按照王淦昌論文提出的建議進行電子俘獲實驗的。由於艾倫用的樣品較厚以及實驗中存在的孔徑效應，艾倫並沒有觀察到單能的鋰核反衝，但他的實驗結果說明在鈹（7Be）以K俘獲的途徑衰變為鋰（7Li）的過程中，鈹（7Be）的核受到了反衝作用，相應於這種反衝作用的能量必定被某種粒子所攜走，唯一可能的解釋就是中微子的存在。艾倫的實驗雖然並不完美，但實驗結果透過費米理論已足以證明泡利的中微子假說，這可以說是這一年世界物理學界的一件大事。

1952年，艾倫與羅德拜克（G.W. Rodeback）合作，重新進行了K 俘獲實驗，成功地觀察到了單能的反衝核，測出了原子的反衝核能量。同一年，戴維斯（R.Davis）在重複艾倫1942年的實驗時，鈹（7Be）的K 電子俘獲實驗取得了令人完全滿意的實驗結果，證實了中微子的存在，實現了王淦昌的建議。當然，這種間接的證據並不能使人滿足，它雖然展示了中微子假說的正確性，使人確信了中微子的存在，而科學家們更希望的是能夠直接“捕捉”到中微子。

精彩後續，靜待明日~