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。）
一度質疑能量守恒定律
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」，基於各種守恒定律，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恒定律是否一個假象？然而19世紀的科學家和工程師已談及能量守恒，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恒：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：「能量並不守恒」、「 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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