5.幽灵般的中微子

宇宙传过来的东西并非仅有光，还有不计其数的粒子，这些粒子也为我们了解宇宙的结构提供了线索。

例如，大家可能听说过“中微子”这个词。2002年日本物理学家小柴昌俊获得诺贝尔物理学奖时，报纸、电视上的报道中多次出现过这个词。

从理论上“预言”该粒子的存在要追溯到80年前。在基本粒子物理学领域，这类预言并不罕见。当出现当前理论无法解释的现象时，研究者就会提出假设：如果存在这种粒子的话，理论上就合理了。之后，研究者会开始寻找符合这种假说的东西。例如，日本首位诺贝尔奖得主汤川秀树博士的“介子理论”就是这种情况。汤川博士先提出了存在介子的“预言”，随后才有研究者基于他的理论发现了新粒子。

在后来的研究中，“中微子”被认为确实“应该存在”。因为如果不存在“中微子”的话，那么某种现象就会违背“能量守恒定律”。

所有物理现象，都必须遵循现象发生前后能量总量保持不变的原则。当发生某种现象的时候，其能量在总体上必须不增不减。如果出现与这一基本法则相悖的现象，我们就不得不从根本上重新审视理论本身了。

然而，中子的“β衰变”现象违背了能量守恒定律。β衰变是指“原子核中的中子通过释放出电子变为质子”这一现象。中子的电荷为±0，质子的电荷为+1。因此，中子释放出1个电子（电荷为-1）后，电荷会变为+1，也就变成了质子。

大家或许听说过“放射性碳年代测定法”，这种方法多用于确定古代遗迹中出土的骨骼或文物的年代。在这种方法中，发挥重要作用的物质是“碳14”（碳元素的同位素）。碳14拥有6个质子和8个中子（普通碳元素则有6个质子和6个中子）。如果碳14的1个中子发生β衰变，那么它的质子和中子就都变为7个。此时，它就不再是碳元素的同位素，而变成了原子序数为7的“氮”。

这种变化本身没什么问题，但问题在于β衰变前后的能量出现了差异。与衰变前中子所拥有的能量相比，衰变后的能量（质子+中子放出的电子）变小了。

这就如同把碗摔碎，然后把所有碎片收集起来放到秤上称重，结果发现碗的所有碎片似乎比摔碎之前的碗轻。如果能量守恒定律是正确的，那么只能认为存在某种未知物质带走了减少的那部分能量。

对此，瑞士的物理学家泡利认为，中子发生β衰变时，中子不仅释放出了电子，应该还释放出了一种不带电的神秘粒子。

不过，根据泡利的假说，这种粒子的质量为0（或者说小到无法观测）。另外，这种粒子即使与其他物质相遇，也不会与其他物质发生反应，而是会直接穿过其他物质，仿佛是“幽灵”一般的粒子。

因此，泡利认为这种粒子“绝对无法被发现”。“存在却无法被发现”，这话听上去非常荒唐，但又不能以“无法找到该粒子”为由，去反驳泡利是错的。

不过，泡利的假说一半是对的，一半是错的。20世纪50年代，研究者在实验室中确认了这种“幽灵粒子”，也就中微子的存在。看来这种粒子并不是真正的“幽灵”。