著名理論物理學家狄拉克（左）、泡利（中）和魯道夫·皮爾斯。 資料來源：維基百科。
概括： 在1930年代，兩位才華橫溢的理論物理學家狄拉克和泡利分別預言了正電子和電子型反中微子的存在。 有趣的是，平時沉默寡言的前者，竟然在學術期刊上公開發表了這個預言; 後者是乙個完美主義者，通過一封公開信，他就他的小規模假設粒子假說諮詢了他的同行，三年後成功地將這個想法賣給了他的義大利合夥人費公尺，費公尺在兩個月內提出了著名的β衰變有效場理論。
邢志忠 |寫作。
量子場論是與原子物理學一起發展起來的，是將量子力學和狹義相對論兩種基本理論有機地結合在一起，描述微觀粒子以接近或等於光速的速度運動的動力學行為的新理論。 1928年2月，年僅26歲的狄拉克在《倫敦皇家學會會刊》（）**1]上發表了兩篇題為《電子的量子理論》的論文，宣布潛入海水中的量子電動力學冰山終於露出了乙個神奇的角落，進而預言了電子的反粒子正電子的存在。毫不誇張地說，狄拉克的工作是粒子物理學標準模型的關鍵理論基石之一，狄拉克本人因此獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。
無獨有偶，比狄拉克大近兩歲的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年底的一封私人信中預言了電子型反中微子的存在。 正電子和電子型反中微子最初都被理論物理學家“想象”為反物質粒子，但後來與電子和電子型中微子一起成為第一代基本費公尺子家族的核心成員。 不僅如此，中微子和反中微子也是宇宙的“熱”暗物質，在早期宇宙的演化中起著至關重要的作用。
1.狄拉克：“我有乙個方程式......”
1926年7月，奧地利理論物理學家歐文·薛丁格在德國專業期刊《自然科學》上發表文章，引起整個學術界的轟動，提出用波動方程來描述微觀粒子的運動狀態，從而完美地呈現了微觀粒子的波粒二象性[2]。 然而，可悲的是，這個著名的薛丁格方程只適用於非相對論性粒子，即以明顯低於光速的速度運動的粒子，例如偉大的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾在他的氫原子“太陽系模型”中描述的軌道電子。
狄拉克。 資料來源：維基百科。
為了寫出自旋量子數等於 1 2 的電子的相對論波動方程，狄拉克在薛丁格之後做了三件事。 首先，他要求電子的質量 m、動量 p 和能量 e 滿足阿爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論關係，即
在這裡，我們取了自然單位系統中真空中的光速 c=1。 其次，借助描述電子自旋性質的伽馬矩陣的性質，聰明的狄拉克將上述方程分解為（k-m）（k+m）=0的形式，其中。
而。 
在最後一步中，狄拉克取k-m=0，分別量化能量和動量，然後作用於電子的波函式作為運算元，得到乙個美麗、簡潔、永恆的方程。
1984年10月20日，狄拉克在美國佛羅里達州立大學度過了82年的人生，他的遺體被安葬在當地的羅斯蘭公墓。 1995年11月，為紀念量子場論的先行者，一塊刻有狄拉克方程的石碑在英國著名的墓地威斯敏斯特教堂首次揭幕，該墓地距離偉大的艾薩克·牛頓的安息之地不遠。
細心的讀者會立即注意到，如果你取 k+m=0 並做類似的量化過程，你會得到乙個所謂的“負能量解”方程，它與狄拉克方程非常相似。 當時，這個奇特的結果讓狄拉克本人和許多理論物理學家感到困惑，不知道它是否具有科學意義。 1931年9月，狄拉克在《倫敦皇家學會會刊》上發表了一篇題為“電磁場中的量子化奇點”的文章**3]，其中明確指出，上述“負能量解”是指自然界中應該存在電子反粒子——正電子，其質量、壽命、自旋和電荷等量子數與電子的量子數完全相同。只有電荷和磁矩的跡象是相反的。
1932年，美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）使用具有磁場的雲室成功地捕獲了大氣宇宙射線中的正電子，證實了狄拉克的理論預測[4]。 由於這一重要發現，安德森於1936年獲得了諾貝爾物理學獎。 1955年，費公尺的門生歐文·張伯倫（Owen Chamberlain）和埃公尺利奧·塞格雷（Emilio Segrè）在美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）[5]發現了質子的反粒子，並因此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎。 一年後，在同一臺機器上也發現了反中子[6]。 我們現在知道，所有的基本費公尺子（包括輕子和夸克）和復合費公尺子（如質子和中子）都有反粒子，後者形成了前者的映象反物質世界。
狄拉克是乙個內向的人，以其安靜的生活而聞名，在寫作方面也是一名財務主管。 楊振寧先生曾借用白居易的詩句，稱讚狄拉克“秋水不沾塵”。 據說，已經成為大師的狄拉克，在一次國際會議上第一次見到年輕的美國物理學家理察·費曼時，非常尷尬，不知道該怎麼辦。 沉默了很久之後，他搭訕費曼，“我有乙個方程式，你也有嗎？ [7]毫無疑問，被這個問題迷惑不解的費曼，當時和後來都沒有寫出像狄拉克方程那樣有名的方程，但他發明了與狄拉克方程一樣著名的費曼圖，成為量子場論的通用而美妙的語言！
2.玻爾玩了一場危險的遊戲。
能量守恆定律，又稱熱力學中的熱力學第一定律，最早由德國物理學家朱利葉斯·馮·梅耶於1841年提出，其著名的表述是“能量既不能產生也不能自我毀滅”，所以沒有人能創造出永動機。 作為自然科學領域最普遍的守恆定律之一，能量守恆幾乎是神聖不可侵犯的，但也有物理學家樂於嘗試顛覆這一鐵律。
20世紀初是量子理論和量子力學誕生的不平凡時期，有幾個重要的科學問題困擾著整個物理學界，其中之一就是光和電磁輻射的波粒二象性。 一方面，光在雙縫干涉實驗中表現出其波動性。 另一方面，光的特徵在於其在光電效應實驗中的粒子特性。 在尋找一種可以描述光的波粒二象性的量子理論時，有人認為放棄能量和動量守恆定律可能是一種可行的出路。 在此期間，包括阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和德國物理學家阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld）在內的一些大師級學者開始私下**能量可能不嚴格守恆的可能性，但玻爾在這條道路上走得最遠、最激進。
1924年，玻爾與他的學生亨德里克·克萊默斯（Hendrik Kramers）和美國物理學家約翰·斯萊特（John Slater）一起在《英國哲學雜誌》上發表了一篇題為“輻射的量子理論”的文章。乙個極具爭議的命題被公開提出：能量和動量不必在單一的微觀相互作用中嚴格守恆，而只是在統計意義上。這個大膽的想法挑戰了能量和動量守恆定律，雖然具有煽動性，但與美國物理學家亞瑟·康普頓早在1923年完成的電子和光子康普頓散射實驗的結果相矛盾[9]。 進一步的實驗令人信服地表明，在特定的微觀反應中，能量和動量是嚴格守恆的，這讓玻爾很尷尬，但他並沒有放棄挑戰能量和動量守恆定律的瘋狂想法。
幾年後，玻爾再次站出來質疑能量守恆定律的直接動力來自幾組實驗物理學家觀察到的β衰變的連續電子光譜。 當時學術界一直認為，原子核的β衰變是乙個雙體過程：母核裂變成子核並發射出乙個電子（這個電子在當時也叫β粒子），所以反應前後的能量守恆和動量守恆要求電子有一定的能量， 也就是說，它的能譜應該顯示乙個單一能量的離散光譜模式。為了進一步簡化問題，讓我們以自然界中最簡單、最基本的β衰變過程為例——中子衰變。 事實上，早在1914年，英國曼徹斯特實驗室的詹姆斯·查德威克（James Chadwick）就發現β衰變的電子能譜表現出連續變化的行為[10]，但他的測量並未被廣泛接受。 1927年，查德威克的兩位同事查爾斯·埃利斯（Charles Ellis）和威廉·伍斯特（William Wooster）完成了對β衰變的更可靠的測量[11]，證實了它的電子光譜是乙個連續體，這與當時的理論預期相矛盾。 於是，在β衰變過程中能量是否嚴格守恆的問題，即所謂的“能量危機”問題，就成了當年核物理天空中飄盪的烏雲，這讓玻爾這樣的理論物理學家難以入睡。
波爾。 來源：物理世界
為了解釋上述實驗測量結果與理論預期之間的差異，一種觀點是放棄β衰變是雙體衰變過程的假設，另一種觀點是放棄能量和動量守恆定律。 一向以思想深邃著稱的玻爾，至今仍押注於能量和動量的不守恆，在隨後的幾年裡，他大肆講課，提醒人們能量守恆定律並不一定適用於亞原子的單一反應過程。 玻爾的言行激怒了很多人，年輕的泡利反應尤為激烈。 在1929年寫給他的前任玻爾的一封信中，他毫不留情地說：“我必須說，我對你關於放棄能量守恆的文章非常不滿意。 我並不是說你不能這樣做，但這是乙個危險的遊戲“[12]。
經過深思熟慮，泡利的選擇是堅持能量和動量守恆。 相反，他假設原子核的β衰變實際上是乙個三體過程，其中除了釋放較輕的原子核和電子外，還發射出一種質量與電子相當的新粒子，電中性，並旋轉1 2。 後者相當於暗物質，在當時的實驗條件下無法檢測到，但它帶走了一些能量和動量，使反應結束時的電子光譜成為查德威克等人觀察到的連續體。 基於這個物理影象，中子的β衰變反應可以表示為：
其中有一種神秘的新粒子，泡利稱之為“中子”。 泡利當時並不知道，“中子”的概念是由查德威克的導師、紐西蘭裔英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）在1920年發明並挪用的，用來描述另一種假設的粒子，它是電中性的，其質量與質子的質量相當，並且可能是原子核的基本組成部分。
對於玻爾和許多物理學家來說，泡利的想法並不真正聰明，因為假設自然界中存在一種新的看不見和不可觸碰的粒子無疑是乙個危險的遊戲，而且同樣令人信服。 但歷史證明，確實是偉大的玻爾先生錯了！ 相比之下，年輕的泡利教授從一開始就走在正確的道路上。 我們不禁要問：為什麼泡利，而不是其他人，能夠毫髮無損地贏得這場理論物理學家的智力遊戲？
3.泡利膽怯的公開信。
其實，對量子力學稍有一點感受的讀者應該已經意識到，上面提到的雙體β衰變過程，不僅存在實驗中觀察到的能量和動量守恆問題，而且在概念上還有乙個更嚴重的問題，與可能的實驗誤差無關，那就是整個反應過程的角動量不守恆！ 為了。
例如，中子、質子和電子都是自旋量子數等於 1 2 費公尺子，因此該反應前後的總角動量分別等於“約化”蒲朗克常數的半整數倍和整數倍，並且不能保證整個過程的角動量將守恆。
泡利[13]在1925年2月提出了著名的“不相容原理”，他是第乙個意識到角動量不守恆的嚴重性的人，因為他是唯一乙個對原子核和基本費公尺子的自旋角動量問題最敏感的人。
1930年12月4日，剛剛離婚的泡利給在德國圖賓根參加核放射性國際會議的同事寫了一封信，並藉此機會宣傳了自己的想法。 這封公開信的部分內容如下，當時讓所有人感到困惑，後來載入史冊[14]：
在考慮氮原子核和鋰原子核的反常自旋統計以及β衰變連續體時，我偶然發現了乙個全有的解決方案，它保留了自旋統計和能量守恆定律。 我懇求你聽發件人更詳細地解釋我的想法。 我的想法是，在原子核內部可能存在乙個自旋等於 1 2 的電中性粒子，我稱之為“中子”。 粒子滿足不相容性原則; 與光量子不同，它不會以光速移動。 “中子”的質量應與電子的質量處於相同的數量級，並且在任何情況下都不能大於質子質量的百分之一。 如果在β衰變過程中同時產生“中子”和電子，並且“中子”和電子的能量之和是乙個常數，則求解β衰變的連續統一體。
但這個想法我不敢說什麼，所以我先問問你們放射學專家的意見：如果這種“中子”的穿透力與伽馬射線的穿透力相當，或者比伽馬射線的穿透力大10倍，那麼如何通過實驗來證明呢？
我承認我的補救措施似乎有點不合理，因為如果“中子”存在，它們早就被觀察到了。 但是，打賭要贏，β衰變連續體的規模可以用我的前任彼得·德拜（Peter Debye）閣下的一句名言來說明，他不久前在布魯塞爾告訴我，“有些事情我們最好根本不考慮，比如新稅”。 因此，我們應該認真討論解決問題的每乙個可能的方法。 所以，尊敬的放射學專家，請試著測試一下我是否正確。 不幸的是，我不能親自來圖賓根，因為我必須參加 12 月 6 日晚上在蘇黎世舉行的通宵舞會......
泡利當時已經很有名了，他的信應該被認真對待。 然而，沒有可靠的歷史記錄表明當時圖賓根會議的同事是否理解泡利的擔憂。 說實話，泡利當時對他的新粒子假說沒有信心，所以他沒有像玻爾那樣草率地陳述。
泡利。 資料來源：維基百科。
然而，泡利並沒有繼續完善他的假設粒子假說。 1933 年 10 月下旬，泡利參加了在比利時舉行的索爾維會議，只有世界頂級物理學家才有資格參加，並成功地將他的假設粒子推銷給了新一代的義大利物理學家恩里科·費公尺，後者在兩個月內完成了他一生中最偉大的理論著作——β 衰變的有效場論！
考慮到查德威克在1932年2月已經發現了真正的中子[15]，費公尺和他的同事們在義大利語的幫助下將泡利的“中子”改名為“中微子”，即微小的“中子”。 嚴格來說，原子核β衰變反應中出現的新粒子應該被稱為“電子型反中微子”，它與電子關係密切，屬於反物質粒子，直到1956年才在美國薩凡納河的核反應堆實驗中被發現[16]。 泡利本人也無法掩飾他對實驗結果的喜悅，並與他在蘇黎世的同事分享了一箱香檳。 正如我稍後將解釋的那樣，中微子和反中微子也屬於宇宙中的熱暗物質家族，對宇宙的早期演化和隨後大尺度結構的形成產生了至關重要的影響。
作者簡介：邢志忠，中國科學院高能物理研究所研究員，研究方向為基本粒子物理。 他是原創科普書《中微子振盪之謎》的作者，翻譯了《你錯了，愛因斯坦先生！ 《改變世界的方程式》、《希格斯粒子》等。 座右銘是“乙個人偶爾離譜並不難，但一輩子都不靠譜是很難的。 ”
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10]j. chadwick, “the intensity distribution in the magnetic spectrum of beta particles from radium (b + c)”,verh. phys. gesell. 16 (1914) 383—391
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12]cern scientific information service——the pauli letter collection (from w. pauli to n. bohr):
13]w. pauli, “ber den zusammenhang des abschlusses der elektronengruppen in atom mit der komplexstruktur der spektren”, z. phys. 31 (1925) 765—783
14]the neutrino invention:
15]j. chadwick, “possible existence of a neutron”, nature 129 (1932) 312
16]c.l. cowan, f. reines, f.b. harrison, h.w. kruse, a.d. mcguire, “detection of the free neutrino: a confirmation”, science 124 (1956) 103—104
*：賽先生。
編輯：artistet
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