新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                          两种乌有

    1988年度的诺贝尔物理学奖授予了三位美国人——利昂·莱德曼
（Leon Lederman）、梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz）以及杰克
·斯坦伯格（Jack Steinberger），以表彰他们在一种亚原子粒子方
面所做的工作。这种粒子对于它们要经过的任何东西来说，都“如入
无人之境”。

    这种粒子叫“中微子”。它既无质量，又不带电荷。它们对于任
何物质都毫不在意，以至于可以穿越数万亿英里厚的铅块，而只有极
少数几个被挡住。几位获奖物理学家对于这些“乌有”粒子的研究工
作，可以追溯到20世纪60年代初期。

    当时，他们对“弱相互作用”感兴趣，这是粒子相互作用的四种
方式中的一种。引力相互作用把宇宙维系在一起；强相互作用把原子
核维系在一起；电磁相互作用把原子和分子维系在一起；而弱相互作
用可以使有些原子核发生衰变。

    研究弱相互作用是十分困难的，施瓦茨认为，研究弱相互作用的
途径是利用中微子束。中微子只参与弱相互作用。这就是它们能“如
入无人之境”地穿越一般物质的主要原因。

    但是，该如何产生中微子束呢？一种办法是先从一束质子开始，
质子有质量并带有电荷，很容易把它加速到高能状态。让这样的一束
质子去撞击其他物质，从而产生一束密集的高能粒子，其中就有“π
介子”，它会很快地衰变为另一种叫做“μ子”的粒子和中微子。

    莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格一起研究这种粒子束。他们让粒子束
打到钢甲板上，这些钢甲板取自一艘被拆卸的战舰，堆在一起有33英
尺厚。除了中微子外的所有粒于都被挡住了。这样，在钢甲板的另一
侧，实验者就得到了一束完全由中微子组成的粒子束。

    对于研究人员来说，为了利用中微子束，弄明白弱相互作用是怎
样起作用的，就必须使中微子被物质吸收并且发生变化。中微子可以
贯穿物质，但并非总是如此。由数万亿个中微子组成的粒子束，其中
绝大部分将会穿过物质，但是约有几十个中微子会被挡住。

    正由于如此，才有可能对中微子本身进行研究。我们需要了解的
第一件事是各类中微子之间有什么差异。

    中微子的形成有两条途径。当一个π介子衰变成一个μ子时，便
生成一个中微子，当一个μ子衰变成一个电子时，生成另一个中微子。
这样，便存在两类中微子：伴随着μ子产生的一种“μ子中微子”和
伴随着电子产生的“电子中微子”。

    在已知的所有方面，μ子都与电子完全相同，但有一点例外。这
就是μ子大约要比电子重200倍，是一个“重电子”。然而，μ子中微
子与电子中微子却并不存在那么大的差异。在物理学家所作的每一项
测量中，两者都完全一样。这是否意味着两者实际上是完全相同的粒
子呢？

    三位物理学家决定尝试解决这一问题，他们采用所产生的中微子
束进行研究，这一工作现在被称为“两种中微子实验”。中微子束是
由μ子中微子组成，因为它们全都是跟μ子相伴而生成的。现在，当
这些中微子被物质吸收时，它们应该会生成μ子。

    如果μ子中微子是单独的一类粒子，即它与电子中微子不同，那
么，结果只会生成μ子。另一方面，如果μ子中微子与电子中微子是
同一种粒子，那么中微子束应该同时会产生电子与μ子，并且，极有
可能两者数目相等。

    莱德曼、施瓦茨与斯坦伯格用中微子束不断轰击目标物体，达八
个月之久。难以计数的数千亿个μ子中微子撞击着目标物体，在这八
个月中，正好有50个中微子被挡住，而每一个都生成了一个μ子。

    这就澄清了一个事实：μ子中微子与电子中微子是相互不同的独
立粒子。然而，至今物理学家还不知道是什么原因造成了它们的不同。
它们的所有可以测量到的性质似乎是完全相同的，但是，不知什么原
因科学家还不能把它们区分开来，而其他亚原子粒子用某种方法能够
区分。这意味着存在两种“乌有”，两种不同的“乌有”。

    实际上，事情比这还要糟。在两种中微子实验过了大约12年后，
我们还要考虑到第三种中微子，即“τ子中微子”。据推测，它与另
两种中微子中的任一种都不相同。这就使得我们面对着三种“乌有”，
它们在某些我们还不知道的方面互有差异。

    无论如何，这种未知的差别，对于构建一个关于物质基本结构的
精妙理论，是十分重要的。因而，两种中微子实验完全有资格获得诺
贝尔奖。