形上集

物理學中不(能)解釋的起點(二)

- 問題還沒結束:β衰變涉及中子的消失以及質子、電子與微中子的出現,是人們從未見過的。

撰文/高涌泉

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物理學中不(能)解釋的起點(二)

- 問題還沒結束:β衰變涉及中子的消失以及質子、電子與微中子的出現,是人們從未見過的。

撰文/高涌泉


 科學的進展經常是緩慢的,弱交互作用的歷史就是一例。1896年,法國人貝克勒(Henri Becquerel)首先發現鈾元素會放射出奇怪的射線;三年後拉塞福(Ernest Rutherford)才了解貝克勒這些射線可分成α射線與β射線,再過一年,貝克勒自己確認了β射線即是電子射束,然後人們體認到元素在放射出α射線與β射線後會衰變成其他元素。到了1911年物理學家如哈恩(Otto Hahn)與梅特納(Lise Meitner)等人量出β射線的能量是連續而不是單一固定的,接下來10餘年,實驗物理學家仔細證實了β射線能譜的連續性。為了不讓連續的β射線能譜與能量守恆律發生衝突,包立(Wolfgang Pauli)在1930年猜測存在著一種新粒子——微中子,當原子核射出電子時也會同時射出帶走部份能量的(反)微中子,使得電子的能量無須是固定的。1932年,查德威克(James Chadwick)發現中子,至此物理學家才知道β衰變即是原子核中的中子轉變成質子,並放射出電子與微中子。此時離貝克勒已是35年以上!


但是問題還沒結束:由於β衰變涉及中子的消失以及質子、電子與微中子的出現,這種情況是人們在熟悉的重力與電磁現象中從未見過的(例如電子在電磁交互作用中並不會消失或產生),因此產生了如何以數學描述β衰變的問題。最早提出答案的是費米(Enrico Fermi)。


費米是上世紀極罕見理論與實驗兩方面皆非常傑出的物理學家,對物理的貢獻是多元的,不過不少人認為他最大的成就就是他在1934年提出的「費米β衰變理論」。費米利用上了當時才出現不久的量子場概念,把四個量子場(即中子、質子、電子、反微中子的量子場)乘在一起以代表中子、質子、電子與反微中子等四個粒子的弱基本交互作用(因為β衰變不易發生,所以導致衰變的作用我們稱之為弱作用),由於每個量子場可以在特定時空點創造或消滅其隨伴的粒子,所以費米寫下的四粒子弱交互作用能夠消滅原先存在的中子,並在同一時空點產生質子、電子與反微中子(見圖一)。描述作用強度的參數就稱為費米耦合常數,這個常數得由實驗決定。費米的理論能夠得到相當好的定量結果。


到了20世紀中葉,有人進一步提出若把四粒子弱交互作用放大來看,真實的狀況其實是如圖二所示,亦即中子內的下夸克放射出稱為W玻色子的一向量粒子,然後轉變成質子內的上夸克,W玻色子再轉變成電子與微中子。1983年,實驗學家找到W玻色子,因此證實了圖二的想法。


若我們把圖二涉及W玻色子的部份單獨抽離出來(圖三),此圖看起來與上期本專欄說明過的電子與電子間的電磁交互作用是一樣的。如果進一步把W玻色子波浪線切斷,只看左半(或右半),即看到下夸克(電子微中子)發射(吸收)W玻色子然後轉成下夸克(電子),這也和之前說過的電子發射光子的過程是類似的(見圖四)。


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