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2016-11-01微中子的故事
563 期
Author 作者
賴昭正／前清大化學系教授。
自從瓦特（James Watt）於1775年發明（嚴格來說是「改進」）蒸氣機， 掀起了英國及世界之工業革命後，人類突然發現機器的無比力量。但可惜蒸汽機還需燒煤，如果能發明個不需要燃料就可作功的機器多好。於是當時的許多工程師便致力於此類機器的設計與試驗，但卻一直毫無進展！1824 年，法國軍中工程師及物理學家卡諾（S. Carnot）發表了一本118頁的《熱的動力能之思考》（Reflections on the Motive Power of Fire）開啟了熱、動力、能量、及引擎效率的研究。 在蘭金（W. Rankine）、克勞修斯（R. Clausius）及卡爾文爵士（Lord Kelvin）的發揚與光大後，第一定律及第二定律終於在1850年代成型，發展成今日適用於所有科學之「熱力學」。
筆者一直在科普文章裡提到：熱力學基本上是一門以「實際經驗」為基礎，加上邏輯推論的科學，不做任何 「抽象」的臆測與假設；因此在20世紀初的物理大革命期間，非但未像牛頓力學及電磁論一樣受到修正，反而成了這個革命中的一大功臣。例如熱力學第一定律否認了能量可以無中生有或被毀滅，也就是大家耳熟能詳的「能量不滅定律」；可是能量是啥東西呢？熱力學卻不做臆測，因此當特殊相對論改變時空觀念及證明質量也是一種能量時，牛頓力學受到了修正，但卻無損熱力學。事實上在近代原子物理的發展中，也曾有位量子力學大師想放棄熱力學第一定律，來拯救一無法理解的新物理實驗。結果呢？熱力學第一定律非但沒被推翻，一「無中生有」之「喧鬧鬼」反而因此誕生了：它不但成為今日基本粒子之「標準模式」裡的必要及重要成員，更可能強迫物理學家必須修正「標準模式」！此「喧鬧鬼」是什麼東西呢？
β 衰變之謎
1896年的某個傍晚，法國物理學家貝克勒爾（H. Becquerel）在離開實驗室時，不經意地將一小塊鈾鹽放到藏有照相感光紙的抽屜裡。幾天後他發現感光紙好像曝過光一樣出現許多污區，他猜想鈾鹽顯然放出了像「光」一樣的輻射線；經過一連串之實驗分析後，他證明了這些放射線是鈾產生的，是鈾的內在本質，不是外來的。
受到貝克勒爾發現的刺激，由紐西蘭到英國劍橋大學攻讀博士學位的拉塞福（E. Rutherford），在發現電子之指導教授湯姆森（J. Thomas）的慫恿下，決定放棄研究興趣所在之無線電波，改探討此一奇怪的「鈾線」。用鋁片將鈾鹽一層又一層地包住，他發現「鈾線」至少有兩種：其一是連一張鉛紙都通不過去的「α射線」，另一種則是可通過上百張的「β射線」。當另一法國物理學家維拉得（P. Villard）在1900年發現另一穿透力更強的輻射線時，他很自然地依序取第三個希臘字母，稱它為「γ射線」。
後繼的研究證明了α射線事實上就是氦原子核、β射線則是電子束、γ射線則是類似倫琴（W. Roengen） 於1895年所發現之X光。物理學家也了解到一個不穩定的原子（原子核）可以籍「衰變（decay）」放出 α射線或β射線而轉變成較穩定的原子（原子核）。在α射線的「衰變」 中，物理學家發現衰變前的總能量與衰變後的總能量一樣（符合能量不滅定律）；但1914年英國物理學家查兌克（J. Chadwick）卻發現在β射線的「衰變」中，放出的電子能量不是定值，而是在某一最大值內什麼值都可能的連續分佈。這是怎麼一回事呢？如果能量不滅，那電子的能量不是應該是定值嗎？那時的物理學家已知道質量也是一種能量，因此在計算能量時，當然考慮到原子核之質量消失變成能量。16年過去了，量子力學的發展已漸趨成熟，可是物理學家還是沒有答案。
微中子的誕生
1930年，量子力學的哲學大師波爾（N. Bohr）「被迫」開始思索著：量子力學裡不是有許多與我們「常識」相左的觀念嗎？或許能量不滅定律在微觀世界裡也根本不成立？他說：「雖然最近在原子理論的發展上有許多進展，但我們還是需要準備接受新的意外的！」
熱力學是建基於兩個假設（定律）推論出來的科學，如果第一定律不成立，那豈不是要重寫整個熱力學？……【更多內容請閱讀科學月刊第563期】