光子和中微子

光子存在的最早线索源自1900年马克斯·普朗克关于黑体辐射的工作，黑体辐射是物体被加热时放出的辐射。根据电磁辐射的经典描述，会得到“被加热的物体辐射的总功率是无限的”这样荒谬的结论，这显然无法解释实验结果。普朗克解决了这一问题，他假设发出辐射的宏观物体由大量微观振子组成，每个振子以0到无穷大之间的某个频率振动。现在我们知道这些振子实际上是原子或分子。这些频率只能取特定的值，也就是说它们是量子化的，这意味振子放出的电磁辐射所携带的能量也是量子化的。普朗克声称，他这一激进的推断几乎是出于绝望，因为针对其他所有解释的尝试都失败了！

普朗克认为量子化是辐射过程造成的，但爱因斯坦很快证明了它是电磁辐射的内禀特性，并不局限于受热物体的辐射。例如，爱因斯坦发现量子化可以解释之前的一些实验现象，如金属表面受到电磁辐射轰击而释放电子时观察到的一些令人费解的性质。实验中用到的量子化的电磁能量包就是光子（photon，详细介绍见下页专栏）。在一些原子核衰变的过程中出现的伽马射线就是特定波长范围内的光子，电子跃迁时发出的X射线也一样。图2-2展示了一系列电磁波波长和相应的能量所对应的以赫兹（Hz）为单位的频率，1赫兹的表示每秒振动1次。

图2-2中还标出了以开尔文（K）为单位的等效温度（effective temperature）。一般情况下，室温在293开尔文左右，摄氏温度的数值约等于开尔文温度减去273。

等效温度是特定能量或特定波长的辐射体最有可能出现的温度：辐射体越热，能量就越高，发出的辐射波长也越短。

光子

光子以希腊字母γ表示，是一种零质量、不带电的粒子。光子的能量由公式 E = hν 给出，这里的 ν = c / λ 是基于波粒二象性与光子对应的波的频率， h 则是普朗克常数，它的数值非常小（ h =4×10 ^-24 GeV·s）。 的组合在量子理论中也经常出现，以符号ℏ表示，其中大家都很熟悉的π的值约为3.14。

温度在考虑大量给定平均能量的光子时很有用。例如，在大爆炸发生后约10 ^-9 秒，粒子能量处于TeV量级，这是目前实验室中能达到的最高能量量级，对应着大于10 ¹⁶ 开尔文的等效温度。大爆炸发生后约10 ^-6 秒，等效温度降至约10 ¹³ 开尔文，相应的能量在GeV量级，在这个时候，夸克形成核子。又过了3分钟，温度降至约10 ¹⁰ 开尔文，相应的能量在MeV量级，此时，氦出现了。直到大爆炸发生10万年后，温度才降到几千开尔文，相应的能量在eV量级，这时终于形成了电中性的原子。

科学家在面对新观点时普遍包容而开明，即使其中一些想法乍看上去非常古怪。在一个观点被普遍接纳前，它需要得到实验结果的强有力支持，否则科学界很难被说服。爱因斯坦关于光子的假设就是个很好的例子：他在试图说服其他科学家的过程中碰了一鼻子灰，直到1923年美国物理学家阿瑟·康普顿（Arthur Compton）发现光在被粒子散射时的表现与质量为0的粒子完全相同。

奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出了存在中微子的假设，他当时在为β衰变中能量看似不守恒的现象寻找一个解释。中微子这个名称意为“小中子”，由意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）提出。在泡利提出中微子假说之前，β衰变的过程一直被认为是由最初的“父”原子核衰变为最终的“子”原子核和一个电子。如果β衰变的产物只有“子”原子核和电子，那么它们所携带的动量必须大小相等、方向相反，才能保证动量守恒。同时，能量也必须守恒：尽管电子和“子”原子核由于质量不同，各自携带的能量会有所区别，但两者都应该有唯一确定的值。然而实验显示，β衰变产生的电子能量处在一定范围内，并不是确定的，这看上去违背了能量守恒定律。

泡利通过假设β衰变的最终状态存在着第三种粒子，即中微子解决了这个问题。如此一来，β衰变中释放的能量就能够以多种不同的方式在“子”原子核、电子以及中微子之间分布，电子的能量也会出现在0到某个最大值之间，这个最大值取决于初始状态和最终状态的两个原子核以及中微子的质量。事实上，β衰变产生的电子的最大能量与初始和最终状态的两个原子核的质量之差关系非常密切，这意味着中微子的质量非常小。一旦实验中的不确定性被考虑进来，数据显示的中微子的质量事实上非常接近于0或等于0，这点和光子很像。

起初，大多数物理学家都拒绝接受泡利的假说，玻尔甚至考虑放弃学界一向奉为圭臬的能量守恒定律，而不是接受中微子！直到1956年，中微子的存在才得到证实。 76Fe4g6cvo86rhG+zVkgE+uB51yAn3sa0alCdN7Mhri8ZEvOcoz+MSJ1+wpxPtSe