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第5章 幽灵猎手中微子（第1页）

第5章幽灵猎手——中微子

正是从恒星中涌出的中微子将核心的内爆转变为超新星爆炸，将恒星的外壳吹向太空。这些气体注定会成为酝酿、诞生新一代恒星的温床。如果没有中微子，生命所必需的元素将永远禁锢在恒星内部。

中微子物理学在很大程度上是一门什么都观察不到，却能学到大量东西的艺术。

——哈伊姆·哈拉里（HaimHarari）[66]

我做了一件可怕的事情：我假设了一个无法检测到的粒子。

——沃尔夫冈·泡利（auli）

1956年6月14日，南卡罗来纳州萨凡纳河

在开车去炸弹工厂的路上，弗雷德里克·莱因斯（Frederies）一直在唱歌，他喜欢唱歌就像他喜欢物理一样。莱因斯在新泽西上大学的时候曾求教大都会歌剧院（MetropolitanOpera）的声乐老师，并参演了亨德尔（Handel）创作的《弥赛亚》（Messiah）中的独唱。[67]据说，在遇到特别棘手的理论问题时，莱因斯经常把自己锁在办公室里唱几个小时的歌。6月的一个早晨，当莱因斯优美的男中音从摇下的车窗里传出来时，还真吸引了不少行人。但这一次，他是因为难以抑制内心的激动才唱歌的，在经过将近一年的艰苦工作（如果把前期努力都算上的话，应该是5年），莱因斯及其团队即将实现某个不可能实现的目标。

艾肯（Aiken）是一个美丽的海滨社区，自1955年11月以来，研究团队就定居于此。从艾肯到萨凡纳河工厂（Sava）有8英里（约13千米）远。当莱因斯驾车驶出镇子的时候，山茶花和木兰花的芳香随着湿热的空气从窗口飘进来。这使他想起刚从洛斯阿拉莫斯的大沙漠来到这里的那天，南卡罗来纳看起来充满了异域情调。他第一次从艾肯开车出来，穿过沼泽般的萨凡纳河谷时，车子忽然碾过路上的什么东西，接着，车子就像经过减速带那样猛地一颠，他回头一看，竟然是一条响尾蛇。[68]

在萨凡纳河工厂的门口，莱因斯的车子排在了长长的两排车队的后面。这个工厂有5座核反应堆、几套分离装置以及核废料的储存设施，面积比纽约市还大，雇用了近4万人。当美国政府宣布计划建造该工厂时，曾谎称不是为“制造原子武器”而建的。但每个人都心知肚明，这座工厂生产的产品是制造核武器的核装药——这就是为什么在艾肯的商店和海滩酒吧，人们私下里都把萨凡纳河地区称为“炸弹工厂”。[69]

1949年9月初，美国空军一架B-29轰炸机在苏联太平洋沿海上空侦察时，确信嗅到了原子弹爆炸的气息。像在洛斯阿拉莫斯的大多数同事一样，莱因斯也曾加入曼哈顿计划，参与了第一枚原子弹的制造。他还清楚地记得，当听到美国已经失去了核垄断的地位时大家震惊不已的表情——广岛核爆炸才过去4年，苏联人就赶上来了。

为了对抗苏联的威胁，美国总统哈里·杜鲁门（HarryTruman）着手推动研制一种超级炸弹，其破坏力让原子弹都相形见绌。这需要在全国范围内建造大量设施，不仅需要制造这种氢弹的核装药，还要把氢弹组装起来。作为该计划的一部分，1950年11月28日，美国政府宣布征用萨凡纳河附近约500平方千米的土地用于制造核弹的两种关键元素：氚和钚。为此推平了4个城镇，迁移了6000人，到1952年初，炸弹工厂全面投产。[70]

1952年11月1日，美国在伊鲁吉拉伯岛（Elugelab）引爆了一枚氢弹。伊鲁吉拉伯岛是埃内韦塔克环礁（Eoll）的一部分，该环礁岛位于太平洋上。这颗氢弹的破坏力是广岛原子弹的700倍，整个伊鲁吉拉伯岛都蒸发不见了，直径达150千米的放射性蘑菇云冲入云霄，并在海底炸出了一个2千多米宽、16层楼那么深的大坑。然而，仅仅9个月后，也就是1953年8月，就传来了令人难以置信的消息：苏联人也成功引爆了自己的“氢弹”。尽管当时苏联的设计还不能通过等比放大以达到更大的爆炸当量，但大家都知道这只是时间问题。果然，1955年11月22日，苏联在哈萨克斯坦（Kazakhstan）的塞米巴拉金斯克（Semipalatinsk）试验基地引爆了第一颗真正的氢弹。

终于排到莱因斯了，他从敞开的车窗里晃了一下自己的证件，就朝着粗笨庞大的P反应堆加速驶去。萨凡纳河核工厂拥有5座反应堆，分别以R、P、K、L和C命名，字母是随机选择的。这些反应堆间距2。5英里（约4千米），是为了防止被苏联一击全灭；反应堆呈马蹄形曲线分布，以便规避直线轰炸。每一个反应堆都非常巨大，仅地面以上的部分就有60米高。为加强防护，反应堆在地下还有12米。正是这一点吸引了莱因斯及其团队。他们从新墨西哥州来到这里追求他们梦寐以求的猎物：一个25年前就被预测到的幽灵般的亚原子粒子，它的存在肯定会在今天被证实。

1930年12月，瑞士苏黎世

这种难以琢磨的粒子是由奥地利物理学家泡利预测的。沃尔夫冈·泡利自幼聪明过人，他在21岁时就写了一篇关于相对论的综述文章，其精辟程度让相对论的创立者爱因斯坦都刮目相看。事实上，这位著名的泡利先生自信得近乎傲慢，有一次爱因斯坦演讲结束后，泡利站起身转向听众，向他们保证：“爱因斯坦教授所说的并不完全是愚蠢的。”[71]

20世纪20年代中期，泡利因其对原子以及构成原子的亚微观世界做出的革命性描述而成为量子理论的主要创建者之一。事实上，他的名字因泡利不相容原理（Pauliexprinciple）而不朽。这一原理禁止两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，从而在理论上使原子和日常世界的存在成为可能。

到了20世纪20年代末，一个新的谜团开始困扰泡利和他的同事们。这个谜团与放射性β衰变（decay）有关。β粒子是来自不稳定原子的内部，或者说是原子核的三种不同类型的辐射产物之一。不稳定的原子通过衰变，重新安排原子核的结构以使其达到一个更稳定的状态。1899年，也就是法国人亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）发现自发放射性的3年后，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福指出：β粒子是电子，并且不是像围绕太阳公转的行星那样围绕原子核旋转的普通电子，而是来自原子核内部的电子。

在原子核的世界里，更高的稳定性是更低的能量的同义词。因此，当原子核衰变时，总是从能量较高的能级跃迁到能量较低的能级，并以α粒子、β粒子或γ射线的形式释放出多余的能量。实验人员观察到，α粒子和γ射线释放出的能量总是固定不变的，如果三种核辐射释放出的能量都等于原子核辐射前后状态的能量差，那就十全十美了。然而，在1914年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现β粒子并非如此。与α粒子和γ射线不同，β粒子携带的能量并非固定不变，而是在一定的范围之内连续分布。

我们用枪来打个比方。如果发射子弹的能量确定不变，那么每颗子弹都会以同样的速度从枪口射出。绝不会出现以下这样的情况：第1颗子弹以中等速度射出，第2颗子弹以高速射出，第3颗子弹的速度则太慢了，以至于它刚一出枪口，就掉在了地上。然而，小电子子弹在β衰变时，就是以这种不可能的方式射出的。这无疑使物理学家们对查德威克的实验结果感到莫名其妙。

当然，β粒子的行为可能并没有什么特别之处。或许在逃逸之前，这些β粒子像弹球机里滚动的弹球一样在原子内部来回弹跳，撞击了多个电子，并将一部分能量转移给了其他电子。然而，1927年，这种可能性被剑桥大学的查尔斯·德拉蒙德·埃利斯（CharlesDrummondEllis）和威廉·阿尔弗雷德·伍斯特（WilliamAlfredWooster）的实验排除了。[72]β粒子仍然是未解之谜。事实上，这个有难度的问题反倒激起了玻尔的兴趣。尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔，量子理论的创立者之一，也是20世纪继爱因斯坦之后最伟大的物理学家之一。在考虑β粒子之谜时，玻尔对物理学的基石之一——能量守恒定律——提出了质疑。能量守恒是指能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。玻尔认为，在原子世界中，也许能量的转换并不遵循守恒定律。

我们再回到泡利，当时他是苏黎世联邦理工学院的物理学家，对泡利来说，能量守恒就像暴风雨中波涛汹涌的大海里的救生筏，放弃它是绝对不可想象的。“玻尔完全走错了路。”他说。但是，如何解开β粒子之谜呢？

那时泡利正经历着其一生中最糟糕的一年。两年前的1927年11月，他的母亲在被其父亲抛弃后而自杀了，这件事对泡利造成了重大影响。1929年5月，他退出了天主教会——毫无疑问，泡利觉得他被上帝抛弃了。此后，在1929年12月23日，泡利与来自柏林的凯思·德普纳（K?theDeppner）结婚了。当时德普纳23岁，比泡利小6岁，是一名卡巴莱[1]（cabaret）歌舞演员。德普纳遇到泡利时已经和一位名叫保罗·高尔德芬格（PaulGoldfinger）的药剂师在约会了，而且在他们婚后，德普纳和这位药剂师也一直保持着关系，她甚至都没和可怜的泡利住在一起。泡利曾这样告诉一位朋友，他的婚姻是“松散型的”。[73]

德普纳最终选择离开泡利，跟另外一个男人生活在一起，这令泡利伤心不已，但更让泡利感到羞辱的，是那个男人的身份伤害了他作为一流科学家的自尊心。“要是跟一位斗牛士跑了，我还能理解，”他向朋友们抱怨道，“她怎么会看上这么个不起眼的药剂师!”[74]

婚姻的不如意导致泡利开始酗酒，还养成了吸烟的习惯。[75]“我根本无法很好地与女人相处，”他绝望地写道，“恐怕我不得不忍受这一点，但忍耐也是有限度的，也不容易忍着。我有点担心，随着年龄的增长，我会越来越孤独。”[76]，[77]

在夫妻关系最紧张的时期，泡利将全部精力放在量子理论引发的棘手问题上，也许这能帮助他暂时摆脱情感困境，但也可能使他和德普纳的关系雪上加霜。德普纳说，泡利收到了许多物理学家的来信，尤其是量子理论先驱沃纳·海森堡（WernerHeisenberg）的。收到信后，泡利在他们的公寓里走来走去，“像一头关在笼子里的狮子……以最尖刻、最诙谐的方式写出自己的观点”。[78]正是在那痛苦的11个月，也就是和德普纳保持若即若离的婚姻的那段时间里，泡利想出了解决β粒子衰变难题的方案。

1930年12月4日，在德国召开的一次会议上，泡利发布了一份公开信，向其他科学家提出了他的方案。[79]信的开头这样写道：“亲爱的女士们、先生们：不幸的是，我不能亲自到图宾根（Tübingen）来。因为12月6日至7日晚上苏黎世的舞会不能没有我。”舞会在苏黎世市中心最著名的巴尔拉克酒店（BaurauLacHotel）举行。尽管和德普纳离婚才过去10天，但在感情上伤痕累累的泡利已经打算马上重新振作起来，给自己再找一个女人。

在图宾根会议上，这封信被高声朗读出来，听众就包括后来在核裂变的发现过程中发挥关键作用的莉泽·梅特纳（LiseMeitner）。泡利指出，假设β衰变中的能量本来是固定的，如果存在某种迄今未知的粒子和β粒子共享该能量，那么也可以解释为什么从原子核发射的电子不具有固定能量。

再想想那支枪。如果子弹从枪管中射出时，伴随着另一个未知发射体，则两者共享发射时提供的能量。此时，如果未知发射体分得的能量少，那么子弹分得的能量就多，使其以高速射出；如果未知发射体分得的能量多，那么子弹分得的能量就少，使其以极低的速度射出枪口就掉落在地。事实上，子弹所得的能量范围取决于那个发射体带走了多少能量。

然而在β衰变过程中，谁也没见过由原子核发出的任何与电子相伴的粒子。因此，泡利的新粒子一定很少与正常物质的原子相互作用。事实上，泡利估计需要10厘米厚的铅墙才能阻止其前进。

泡利也考虑了这个假想粒子的具体性质，如果真有这种粒子的话，为了不明显影响原子核的质量，它必须很轻。但泡利并没有意识到，它可能并不存在于原子核中，而是在发射电子的那一刻才产生，就像光在发射时才形成光子一样，绝对不是从预先存在于原子内的光子包里拿出来的。泡利还特别提到了假想粒子的电荷，电荷和能量一样，既不能被创造，也不能被消灭。例如，在β粒子衰变时，总电荷量没有净变化——尽管原子核的正电荷增加了，但发射的电子携带了一个单位的负电荷，对正电荷进行了补偿。[2]为了不破坏这种微妙的平衡，新粒子一定不带电荷。意识到它是电中性之后，泡利把它命名为中子，后来被改称中微子（rino）。

“对这个假设发表的任何东西，我都没有任何把握。”泡利在他给图宾根会议的信中写道。中微子是一个“绝望的补救措施”，因为在1930年，人们只知道物质的三种亚原子结构：原子核中的质子、环绕原子核的电子和光的粒子——光子。如果泡利再添加一个粒子，就将大自然的基本构件数量增加了13。

1931年6月16日，在加州帕萨迪纳举行的美国物理学会首届夏季会议上，泡利第一次公开了自己对中微子的预测。但物理学家们开始关注它已经是4个月之后，由费米在罗马组织的一次会议上发生的事了。恩里科·费米（Enrii）注定是自伽利略以来最伟大的意大利科学家，他和泡利一样对量子理论做出了重要贡献。费米立刻被这位奥地利物理学家的想法迷住了，不仅因为这个想法解决了β粒子的能量分布问题，而且解决了另一个难题——自旋。