三
量子力学史之精彩无异于悬疑小说，探索α射线的身世之迷，导致了中子的发现；而拷问第二种放射线——β射线，又牵扯出一桩“盗窃案”，最终“窃贼”被抓获，又是一个伟大的发现。
科学家们很早就认定，放射性射线源自原子核。现在我们已经知道了，α射线本身就是氦原子核，通过电离氦原子（去掉核外电子）而获得，或者从重母核中分裂出来。β射线呢？卢瑟福的实验观察已经证实了是带负电荷的电子流，但这种电子不是来自核外电子，而是来自原子核，这也是在中子问题上他一直坚持原子核内有电子存在的一个依据。现在我们已经证实了原子核内并没有电子存在，那β射线的电子又怎么无中生有的呢？这个后面再说，现在急需解决的是两大问题——
所谓β射线，是放射性元素衰变时产生的，该元素放射一个带负电的高能电子，此后元素就衰变为周期表上后一位的元素，也就是说多了一个单位的电荷，但质量的份数不变。虽说质量数不变，但总质量会少那么一点点（mX－mY，前者为衰变前的元素质量，后者为衰变后的质量）。这不要紧，不是发射了一个高能电子吗？虽然基本没有静止质量，但能量高呀，可以认为损耗的质量转变为这个电子的能量了。我们可以用质能关系式算出这个衰变能Qβ——
Qβ＝（mX－mY）c2
这就是一张能量守恒的平衡表，衰变前后有一个Qβ的能量亏损，大家说是在出纳β的身上，把β抓来一拷问，β大叫冤枉：乘上光速平方的能量那可是大数呀，在我的保险柜里就这么一点能量e，问题是，Qβ－e＝△e，这个△e可不能赖到我的身上呐！这第一大问题就是，在β衰变中，有一个能量△e失窃了！
这还没完，还有第二个大问题。原子核跟电子一样，也是一个量子系统，具有分立的能级，那么它们释放的能量也应该是量子化的。可是实验观测发现，同一种核在β衰变中释放的能量并不同，这也就罢了，问题是这不同的能量还有一个连续的能谱分布，可以从0一直到一个最大值Emax。哎，真是世道变了，当初为分立的能谱头疼，现在出现了连续的能谱，科学家们又不习惯了！
这是一场子物理共同体的新的危机！能量守恒原理，还是量子力学，我们似乎要做一次二选一的豪赌。危机当前，波尔好像总跟能量守恒定律有仇，上次为反对光量子说用过的一招，现在又用来对付这个失窃案。他说能量守恒定律只是一个统计平均，不一定要确定到每一次β衰变。这倒是一个好办法，就相当于警察局破不了的案就作死案处理，银行收不了的账就作坏账处理。可是科学不能这么干呐！能量守恒定律可是物理共和国的一条基本国策，虽说是牛顿时代传下来的，但到目前为止证明还是不能废止的呀！可是奇怪的是，这么荒唐的提议，居然也得到了包括索末菲、薛定谔，甚至年轻的狄拉克、朗道和伽莫夫在内的多数科学家的支持。
在能量守恒定律墙倒众人推的紧急关头，有一个年轻的科学家挺身而出，他就是我们已经熟悉的“物理学的良心”——泡利。1930 年 12 月，泡利给杜宾根放射性工作会议写了一封信。在这封信中，泡利提出了一个假设：在β衰变中，除了发射一个电子外，同时还发射一个不易观测的粒子，这个粒子有电子级别甚至更低的质量，具有1/2的自旋是一种费米子，不带电所以叫“中子”（此时查德威克还没有发现中子），β衰变中没着落的能量就是被它携带跑的。同意这个假设，就能把失窃案给破了，同时也能合理地解释连续能谱的问题。但增加一个新的粒子可不是件小事，破坏当时公认的质子—电子二粒子结构大家至少在感情上难以接受。况且没有给出观测方法，违反“可观察量原则”。其实泡利也不愿意增加实体，而且这个假设还需要一个精细结构的解释。比如，原子核里怎么冒出了一个电子？
泡利的这个假设引起了一位29岁的意大利物理学家费米的注意。费米，是我们这部史书是个值得大书特书的一个重量级人物，不过现在“破案”事急，留到以后再介绍。1931年，在罗马召开的一个物理会议期间泡利和费米又交流了关于这个假设的想法，后者是前者当时少有的支持者。1933年10月在布鲁塞尔召开了第七届索尔维物理会议，这次会议的主题是原子核。在这个领域，老一代以居里夫人和卢瑟福为代表，爱因斯坦已经逃往美国没能参加；年轻的一代由泡利、约里奥、查德威克、伊雷娜·居里、玻特、费米、劳伦斯和伽莫夫为代表。劳伦斯是此次会议唯一的一位美国人，不过马上会增加一位——苏联物理学家伽莫夫会议后再没回苏联而永远定居在了美国。在这个会议上，经过一段犹豫彷徨的泡利再次站出来捍卫“中子”假设。
会议后两个月，费米就写出了一篇关于“中微子”的论文，把泡利的假说系统化和定量化。这时“大中子”已经被查德威克发现，所以费米给“中子”这个词加了一个意大利语后缀 ino（微小的），形成“neutrino”（中微子）这个概念。这个概念后来被科学共同体接受。
让我们先简单浏览一下原子核的内部结构。在原子核的外面，科学家发现的自然力有两种——引力和电磁力。当认定原子核由质子构成后，问题就出来了：质子是带正电的，按电磁理论，它们之间必然互相排斥，如何能形成一个坚强的核心呢？1928年，24岁的苏联科学家伽莫夫提出原子核内还有一种核力，即后来说的强相互作用力，把核内粒子吸引在一起。顾名思义强作用力要比电磁力强大得多，但是一种短程力，作用范围跟重核的直径差不多，出了门就不管用，而且还不叠加，只能在相邻的核子间起作用。而电磁力是长程力，并且是叠加的，核子越多电磁力就越强。这就是为什么核子数越少的元素越稳定，越多就越不稳定，天然的元素只到92号，超过这个界线就不能自然存在。这也能解释为什么重元素包含的中子多，因为中子不带电所以没有电磁力参与叠加，也是核内的一种力的平衡。伽莫夫是朗道的同学，1920年代末曾一起在欧洲游学，当时他俩就探讨过脱离苏联的可能性，伽莫夫利用1933年会议的机会跑了，朗道留在苏联几乎丧命。
与狄拉克的华丽高深相反，费米的学术风格是质朴无华，但质朴不等于肤浅。费米用量子化眼光看原子核世界，把质子和中子看作两种不同的量子态，而不是本质不同的两种粒子。就像不能把电子“轨道”当真，所谓轨道其实只是电子的不同能量态，所谓“变轨”只不过是不同能量态间的量子化跃迁，质子和中子之间也可以通过能量态的跃迁而相互转化。所以原子核内并没有什么电子和中微子，只是有一个“弱相互作用力”作用于原子核，使一个中子从原先的能量态跃迁到质子的能量态。由于跃迁前后发生了质能亏损，就相当于电子从高能态跃迁到低能态会辐射光子，中子→质子跃迁就会辐射一个电子和一个中微子，以保持质能守恒。论文最先寄给英国的《自然》杂志，被以包含有猜测成分离物理现实太远为由退稿。最终于1934年由意大利的一本杂志和德国的《物理杂志》发表。当时由于心里对纳粹的抵触，费米已经有意识不给德国杂志投稿，唉，可惜英国人不识货呀！
由于费米提出的弱相互作用力，我们认识到的四种自然力就齐了——引力、电磁力、强作用力和弱作用力。
费米的中微子理论以其严密的逻辑和丰富的经验旁证征服了物理共同体，能量守恒定律再一次被拯救，在单次β衰变中能量依然是守恒的。大家相信有中微子这个“窃贼”存在，但要“捉拿到案”实在太难了。中微子以光速运动的，但它不是光子。 光子非常容易同物质粒子作用，被反射或吸收。而通过 β衰变放射出来的中微子却不会被物质吸收。它要穿过大约 1000 亿个地球才会与其中的一个原子核碰撞一次。换个说法，即使做成像地球那么大的探测器，向它发射 1000 亿个中微子，大约只能探测到 1 个。如此身手的盗贼，只能发全球通缉令。全世界的科学家都绞尽脑汁设计实验方案来探测它，捉拿这个穿墙遁地的江洋大盗。人类真正观察到中微子，是1950年代后的事，不过毕竟是观察到了。
顺便说一下，第三种天然放射线——γ射线是光子流，常伴随α衰变和β衰变发生，实际上是激发态的核子的一种退激效应，相当于电子从激发态回复到基态辐射的光子。
唉，又多了一个基本粒子和两种相互作用力！还有呢——
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