关于中微子假说的来历–答孙南生教授

王令隽， 2016年元月

最近收到孙南生老师来信，讨论有关中微子的“发现”史及质能关系。以下是他的来信：

王教授：

大作《答“物理-思想的天堂”先生》说:

“关于爱因斯坦的质能关系式，我在“论质能关系”一文中有详细的分析。爱因斯坦的质能关系根本就没有得到核物理实验的验证，而且有根本的理论漏洞（不能包括势能）。“

中微子的“发现”史也是靠质能关系吗？

据我所知,在裂变堆工程设计中要求出核裂变反应以及裂变碎片的衰变过程中释放出的总能量。一般用就用质量亏损法和爱因斯坦的质能关系式计算。当然，还有一部分能量被俘获和逃逸。它们是裂变释放能、中微子带走的能量、中子俘获能及β,γ修正项等。 其中中微子带走的能量(超过百分之十)是估计的。如果中微子存疑，爱因斯坦的质能关系就没有得到核工程设计的验证.  

顺祝春节快乐！

以下是我的答复：

孙老师您好：

您提的问题很专业。中微子假设的提出是为了解释beta衰变现象。beta衰变能量谱是一条非常光滑的线，而不是离散能级的谱线。对已然把量子化概念当着真理的物理学家们来说，光滑能谱反而成了异端和谜团。另一个谜团就是在beta衰变中能量不守恒。这“能量不守恒”的结论是怎么得出来的呢？因为实验测量到的质子和电子的能量比理论家们根据爱因斯坦的质能关系式算出beta衰变应该产生的能量少得多。按道理，这只能说明爱因斯坦的质能关系式不对。可是因为理论物理学家们把爱因斯坦的质能关系式当作金科玉律，不容违背，所以就坚持认为有一部分能量不见了。物理学家们只能想办法，为爱因斯坦圆场。其实当时玻尔已经有一个统计理论解释beta衰变现象，只是因为无法解释爱因斯坦质能关系所要求的那一部分能量，因此被认为是“违背能量守恒定律”而没有被学界接受。玻尔成了爱因斯坦的替罪羊。在这个问题上，您的直觉是对的：爱因斯坦的质能关系没有得到核工程设计的验证，也没有得到beta衰变实验的验证。

为爱因斯坦打圆场的当然不乏其人。泡利就是一个爱因斯坦的信徒。1930年，泡利提出一个假定，就是爱因斯坦质能关系式所需要的这一部分能量，是被一种尚未“发现”的粒子带走了。这个假定的中微子速度接近光速，没有质量或质量很小，不带电荷，呈电中性，所以他取名叫“中子”。1932年恰得维克发现了中子以后，泡利假设的粒子就改叫“中微子”。

而今这世道，假设一个新的粒子不仅不是什么大不了的事，还往往会被认为是新的突破。有的人提出超对称假说，一家伙就“发现”几百个新的粒子，立即被捧为新的突破，多年置于聚光灯下，出尽风头。可是在1930年代，假设一个测量不到的新粒子的存在，无疑是异端。当时公认的基本粒子就两个：质子和电子。没几个人认真把泡利的中微子假说当回事。费米是个重要的例外。他采纳了泡利的中微子假说，提出了他的弱相互作用理论。他假定在beta衰变中，同时产生了一个电子和中微子。费米将他的理论投稿到《自然》杂志，被拒绝发表，理由是他的理论“离现实太远”。他不得不在意大利找一个杂志发表。这个打击使费米对理论研究的积极性受到打击，转而从事实验研究。[F. Close (2012). Neutrino. Oxford University Press. ISBN 978-0199695997；E. Fermi (1934). "Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I". Zeitschrift für Physik A 88 (3–4): 161–177. Bibcode:1934ZPhy...88..161F.doi:10.1007/BF01351864. Translated in F. L. Wilson (1968). "Fermi's Theory of Beta Decay" (PDF). American Journal of Physics 36 (12): 1150.Bibcode:1968AmJPh..36.1150W. doi:10.1119/1.1974382.]

后来随着费米声望的增长，中微子假定也就逐渐被理论界接受。

中微子的概念是有了，可是总得被实验证实，才能算数。实验物理学家们花了十来年的时间苦苦寻找，怎么也找不到中微子存在的踪影。于是理论物理学家们解释说，这是因为中微子的穿透力极强，和任何物质的反应截面都非常小，所以很难为探测器捕捉。既然直接探测不可能，那就退而求其次，试试寻找间接证据吧。1942年，王淦昌提出可以用beta俘获来探测中微子。1956年科文和莱茵斯等人提出他们的检测机制：1）核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子（泡利的假设）；2）一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电 子；3）正电子会碰到电子而湮灭，产生一对伽玛光子；4）中子会被镉核子俘获而产生光子 （比正负电子对湮灭约晚几个微妙）。这样，这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生。所以，实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的 事件。只要同时检测到了三个光子，就认为檢测到了反中微子。但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的。这就是此类“探测”实验的间接性。这几步反 应是不是无懈可击的？不一定。比如第一步中微子假定就不见得毫无疑问。对其他几步反应，人们也可以提出各种疑点。科文和莱茵 斯通过这种四步的间接测量，算是给中微子假说提供了实验证据。他们因此获得了诺贝尔奖。

既然有了实验方法了，人们就试着用它来测量来自太阳的中微子。因为太阳是一个非常大的聚变反应堆。如果中微子确实存在的话，在太阳上产量应该很高。可是实验探测到的从太阳来的中微子数量还不到“标准太阳理论”预言的一半。这个“太阳中微子问题”直接威胁到中微子假定以及间接测量的可信性，是一个非常严重的问题，一直拖了几十年没有得到解决。直到1985年，米开叶夫，斯米尔诺夫和沃尔芬斯坦提出了一种对标准模型来说是革命性假定，叫做“味道振荡 (flavor oscillation)”或“中微子振荡”（neutrino oscillation）机制，并因这三人的名字而被称为MSW效应。根据“标准模型”的假定，电子，miu 介子和 tao 介子都有属于自己的三种中微子，叫做三种“味道”。每一种中微子又有自己的反中微子。按理，不同味道的中微子是不能互相转变的，否则怎么可以叫做“基本粒子” 呢？可是根据“味道振动”的革命性假设，不同种类的中微子会变来变去，像孙悟空一会儿变为猪八戒，然后又变回成孙猴子。如此在猴子与猪之间无休止地变换， 叫做“味道振荡”。根据这一机制的解释，从太阳辐射到地球的电中微子中有一部分变成了其他味道的中微子，所以就没有被检测到。于是，“太阳中微子问题”算是有了一个“说法”，理论上算是“解决”了。1998 年以后，几个实验组宣告证实了中微子的“味道振荡”。在这种“中微子振荡”中，猪与猴子的相对比重是连续可变的，可以用普通三角函数来表达。

“味道振荡”是一个新的革命性假说，这个假说有两个明显的逻辑问题：首先，基本粒子会互相变来变去，像猴子与猪之间互相变化，非常匪夷所思，也和“基本粒子”的概念格格不入。按照标准夸克模型，所有粒子的夸克组成是固定的。如果质子和中子里面的夸克会互相变来变去，不停地“味道振荡”，那质子的性能也就应该不停地振荡。那质子还是质子吗？而且，一旦味道振荡了，所谓夸克禁闭的条件也就不能满足了。这是一个基本的理论漏洞。其二，如果中微子在不停地振荡，那么物理学家们测量到的中微子的数量就应该是一个时变函数。不同的时间测量到的中微子的数目是不一样的。可是人们间接“测量”到的从太阳来的中微子的数量并没有这种时间依赖关系。如果任何时候测量到的中微子数目都一样，那这种“振荡”假说就不成立。不过，在20世纪，物理学家们不讲究基本假定的逻辑自恰，而津津乐道于以一个逻辑矛盾的假定掩盖另一个假定的手段，满足于精神安慰，已经成了一种习惯。

间接证据之不可靠，可以用一个例子来说明。有一个理论，认为人死后就变成鬼魂。可是对鬼魂的直接测量很难，因为鬼魂和所有的物质相互作用的散射截面都非常小。那就只好采用间接测量。根据鬼魂理论，鬼可以使人生病，可以使人迷路，家鬼可以保护亲人，等等。如果你路过乱葬岗子以后突然生病了，或者晚上回家时迷了路，或者出门之前为刚过世的妈妈烧了一柱香而躲过了一次车祸，都是鬼魂存在的间接证据。这么多的间接证据是不是足以证明鬼魂的存在呢？大部分科学家不认为这种间接证据成其为证据。这些鬼魂存在的证据还只是一步的间接性。如果要通过两步三步甚至更多步骤的间接证据，就更不可信了。

还有其他间接探测中微子的方法，就是在很深的山洞里放置大量的含氯液体。理论家们认为1）中微子会将氯37变成氩37，2）氩37可以用氦气从含氯液体中分离出来，3）分离出来的氩37会俘 获电子而产生放射性，4）可以根据放射性来计算氩37的产量，从而推算中微子的多少。另一种类似的中微子探测器用镓-锗-镓的转换过程进行测量。也可以用 大量的水（比如说50000吨）作为探测物质，利用闪烁计数器记录穿过水箱的中微子产生的切令科夫辐射。这类探测也都是非常间接的探测，其共同问题是如何排除由于宇宙射线产 生的本底信号。

天下本无事，庸人自造之。其实beta衰变现象本没有如此复杂。玻尔已经有了合理的统计解释。因为我们测量到的beta粒子（电子）是从许多同位素核衰变出来的，它们的能量一定是许多同位素核的产物，其能量必定具有连续的统计分布。至于能量守恒问题，完全是生造出来的。Beta 衰变实验本来是爱因斯坦质能关系不成立的铁证，可是泡利等人却坚持爱因斯坦的质能关系的权威不得破坏，宁可假设一个不存在的中微子来弥补理论与实验的能量差别。理论假定的中微子实验无法测量，理论家们又不愿放弃中微子假定，就辩说中微子的穿透力太大，检测器无法捕捉。实验家们于是就想出一些非常间接而又间接的方法来寻找中微子的踪迹。可是即使以这种间接方法来测量从太阳来的中微子，结果还是相差一倍。理论家们还是不愿承认中微子假说和检测方法的失败，又继续生造出反逻辑的“味道振荡”机制来解释找不到的中微子。像这样为了维护一个不成立的权威性理论（爱因斯坦的质能关系）而不断地追加假设的做法，在20世纪的理论物理学界已经形成了一种文化和时尚，并且成了发明“新理论”，寻求“理论突破”，猎取名利的不二法门。重整化如此，夸克模型如此，上帝粒子亦如此。而且，他们还振振有词：正是由于爱因斯坦的质能关系式，导致了中微子的“发现”，进一步导致了“中微子振荡”“味道振荡”理论的伟大“发现”。于是，爱因斯坦质能关系式不仅没有被beta衰变实验数据所否定，反而因为中微子的“发现”和“中微子振荡”现象的被“发现”而立功。你到哪里讲理去！

而今中微子的存在似乎已经成了物理学界的共识。不仅如此，它还担当着“暗物质”候选粒子的历史重任。于是，中微子的存在，已经得到了微观和宏观理论界的双重拥戴。其地位日益稳固。

从中微子假说的发展史，我们进一步认清了爱因斯坦质能关系对理论物理的影响。如果不是因为维护爱因斯坦的质能关系式，就不会有中微子假说和中微子振荡以及更广义的味道振荡。但是更为严重的是，爱因斯坦的质能关系使得几百个共振态和激发态获得了“粒子”的资格。这是造成粒子物理理论失控的灾难性事件。由此产生的是是非非，在主流思想的垄断控制下，没地方说理。因此，从理论上溯本求源，将质量和能量的关系阐述清楚，就至关重要。我的“论质能关系”一文，就是旨在理清质量与能量的关系，证明爱因斯坦质能关系式的谬误和背理。

祝您老健康长寿！

令隽

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