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【科學講堂】微中子「神龍見首不見尾」

2017-05-31

神秘帶走輻射「碎片」能量 實驗證存在

質量微小 物理學絞盡腦汁尋找「消失的能量」

誰說香港沒有前線的基礎科學研究?香港在微中子(neutrino)方面的研究就可以說是達到國際水平。什麼是微中子?今天就來為大家介紹這種「神龍見首不見尾」的粒子。

顧名思義,微中子的「中」是指它中和不帶電荷,不像電子(electron)那樣帶負電或質子(proton)那樣帶正電。「微」是指它質量微小,比電子還要輕上起碼一百萬倍。(曾有一段時間科學界普遍認為微中子是沒有質量的。)

一度質疑能量守琠w律

微中子的發現也曾為當時的科學家們帶來一點驚嚇。20世紀初,科學家研究各種輻射,其中一種來自名為β衰變(β decay)的核子反應。當時的科學家觀測這種核子反應,發現一顆原子核(比如說碳-14)會變成另一種相關的原子核(例如氮-14)和一顆電子,而這些被發放出來的電子就是其中一種我們量度到的輻射了。

然而,當時的科學家面對一個很大的疑惑:為什麼從β衰變發放出來的電子會有不同的能量?倘若一件有特定質量的物件分裂為兩件有特定質量的「碎片」,基於各種守琠w律,原來物件的能量只會以一個特定的比例分配給兩件「碎片」。如果從β衰變出來的「碎片」每次都有不同的能量,就是在暗示能量並非不變:有些時候可能消失了。

怎麼辦?能量不能被製造或毀滅這條守琠w律是否一個假象?然而19世紀的科學家和工程師已談及能量守琚A而且這條定律好像還一直運作正常;要將它全盤否定看來有點兒困難。有科學家--比如著名丹麥物理學家波爾(Niels Bohr)--提出能量可能不是在每個過程中都守琚G有些時候部分能量可能不見了,有些時候最後的能量可能比開始時多了點,但整體來說整個世界的能量還是沒有多了或少了。

這個想法有點兒危險了:科學家們還未有觀測到一次「能量多了」的β衰變。

不帶電荷難暴露身份

1930年奧地利物理學家包立(Wolfgang Pauli)提出了另一個可能性:β衰變除了放出電子,其實還一併發出另一種粒子。倘若β衰變時一顆原子核是分裂成3個「碎片」而不是2片,那麼發放出來的能量就能以不同的組合分配到這3個碎片之上,而且每一次的分配不一定一樣。由於部分能量被這枚新的粒子帶走了而不被察覺,我們便覺得能量不見了。

當然,這個主意也有它的難度:這「另一種粒子」是什麼?為什麼我們以前察覺不到?由此推想,這種粒子應該不帶電荷,因為帶電荷的容易受到電磁場影響而暴露身份;它跟其他物質的相互影響也會很弱(比方說不像伽瑪射線、X光那麼容易將菲林底片顯影)。

聰明的讀者現在應已想到,這種粒子後來終於被細心的實驗家確切找到,也就是今天的主角「微中子」了。

小 結

今天的故事再次展現了「 大膽假設、小心求證」的科學精神:「能量並不守琚v、「 無人見過的新粒子」。

這些假設,現在看來可能還是十分驚人的。為了解釋不可解的現象,科學家們大膽把它們提出,再尋找確切證據去佐證。香港如何參與微中子的近代研究?下次再繼續與大家分享。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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