形上集

弱交互作用有什麼用?

- 看似不起眼的弱交互作用,其實有一般人想像不到的大功能。

撰文/高涌泉

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弱交互作用有什麼用?

- 看似不起眼的弱交互作用,其實有一般人想像不到的大功能。

撰文/高涌泉


對大多數人來說,在已知的四種基本交互作用力(重力、電磁力、強力、弱力)之中,弱交互作用應是最陌生、最不易捉摸的玩意。其他三種力都有為人熟悉或易於想像的作用:重力與電磁力就不用說了,受過國民基本教育的人都知道重力將我們束縛於地球上、將地球束縛在太陽旁,而電磁力將電子束縛在原子核旁,就算是平常我們感受不到的強力,只要說明它會讓質子間、中子間,以及質子與中子間出現強烈的吸引力,因而將質子、中子束縛在原子核內,大家便馬上能夠體認它的重要性。


但是弱交互作用呢?既然是「弱」的,它的意義大約只有專家才需要在乎吧?一點也不,這個名稱不起眼的玩意兒其實有一般人想像不到的大功能。


19世紀末,物理學家發現某些物質有放射性──它們會射出東西來。這些射出物可以分成三類,即大家聽過的α α射線、β射線、γ射線。到了20世紀初,人們已確認α射線是氦原子核射束,γ射線是高頻率的電磁波,β射線則是電子射束。原先大家很自然地以為β射線來自於原子核外的電子,但是由於β射線能量過高,所以高手如居禮夫人與波爾都知道這是不對的想法。進一步追究之後,人們才了解β射線是一種嶄新原子核衰變現象的產物,這種放射β射線的原子核反應便稱為β衰變。


原子核的β衰變大致上就是甲原子核放射出一個電子,轉變成乙原子核。甲原子核的質量數(即質子與中子數目之和)與乙原子核的質量數相同,但是乙原子核的質子數目卻比甲原子核的質子數目多一,也就是說,β衰變即是原子核內的某個中子轉變成質子,並發射出電子。例如,鈷60(質子數27)可衰變成鎳60(質子數28)及電子。


不過真相還要更複雜一些:如果β衰變的產物只有乙原子核與電子,則我們可以從能量守恆與動量守恆這兩個定律推論,射出的電子必須具有固定的能量,然而實驗卻顯示,來自β衰變的電子並沒有固定的能量!因此包立就推測中子衰變後除了出現質子與電子之外,還會出現一種質量極小的中性粒子,可以和電子分享一些能量。這樣的想法後來被證實了,而這個中性粒子現在被稱為反微中子。總之,中子的β衰變是這樣的:中子→質子+電子+反微中子,而前面提過的鈷60β衰變則應是:鈷60→鎳60+電子+反微中子。


物理學家知道β衰變不能用已知的強力、電磁力、重力去解釋,所以設想出一種全新的交互作用機制來說明β衰變,這種新的交互作用就稱為弱交互作用。這個名稱的來源是這樣的:β衰變發生的頻率比強交互作用低很多,也就是說β衰變遠比強交互作用更不容易發生。既然作用越強,反應就越易發生,那麼造成β衰變的作用必然遠比強交互作用來得弱,所以我們才稱之為弱交互作用。(除了β衰變,弱交互作用還會導致另外一些類似的衰變,不過那和我們主題無關,在此就不多說了。)


好,那麼之前所提弱交互作用的大用處是什麼呢?答案是如果沒有它,太陽便無法利用核融合發光。太陽所發出的能量來自於太陽內部一連串的核融合反應,這些反應的第一步即是質子和質子的高速碰撞,兩者若極靠近便可藉由弱交互作用轉變成為氘原子核(含一個質子與一個中子),並產生微中子與正子,也就是質子+質子→氘原子核+正子+微中子。只要對照前面中子衰變的反應式,就可知這個反應只是逆β衰變罷了。因此當太陽將大量核融合產生的光送到地球來時,它也同時發射出非常多的微中子來到地球。事實上,每秒鐘就有約50兆個微中子穿過我們每個人身體,但微中子和其他物質的交互作用極弱,所以我們才會完全不察覺這回事。


由於上述的融合反應起自弱作用,所以進行得很慢──太陽內質子的壽命平均長達約百億年。幸虧如此,太陽才有夠長的壽命,人類也才有機會演化出來。


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