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中微子又让日本获奖,王淦昌的遗憾是否会加倍?

 
2015年10月5日,瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章(Takaaki Kajita)以及加拿大科学家阿瑟·B·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),以表彰他们在中微子质量研究的贡献:二位科学家发现了中微子振荡的现象,从而证明中微子也有质量。
 
作为一种是除光子外数量最为巨大的粒子,中微子与其他物质的相互作用很弱,地球表面每平方厘米的面积里,每秒钟有超过1000亿中微子穿过,却几乎不被人觉察。由于其行踪最为诡秘,所以对中微子的每一点深入了解,几乎都会成为物理学界的轰动性事件。从发现中微子到现在,已经有三次诺贝尔奖物理奖颁发给了这一领域的研究。
 
1988年,美国科学家莱德曼(Leon Lederman)、舒瓦茨(Melvin Schwartz)和斯坦伯格(Jack Steinberger),就因为发现第二种中微子——μ中微子而获诺贝尔奖;1995年,美国科学家莱因斯(Frederick Reines)因为1956年在实验中首次观测到中微子,而与τ子的发现者分享了这一殊荣;到了2002年,美国科学家戴维斯(Raymond Davis)和日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)因发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子,再度在这一评选中折桂。
 
为了解释太阳中微子和大气中微子在传输过程中,观测值往往是理论值的三分之一到一半左右的“失踪”现象,科学界提出三种中微子(电子中微子、μ中微子以及τ中微子)的设想。根据这一理论,这三种中微子会相互转换,中微子的“失踪”,实际上是一种中微子转换成了无法探测到的另一种中微子,这种转换被称为“味振荡”(flavor oscillation)。
 
而到了今年,梶田隆章和麦克唐纳所发现的中微子振荡现象,则因为解释了太阳中微子失踪现象而获得诺贝尔物理奖。
 
中微子的发现,可以追溯到1930年12月4日。在德国图宾根举行的一次研讨会上,与会的人员收到了物理学大师、1945年诺贝尔奖物理学奖得主泡利带来的一封信。
 
在信中,他“绝望”地假设一种中性的、小质量的粒子存在,因为如果没有这种粒子存在,在β衰变过程中能量将不守恒。而能量守恒,一直被公认为最基本的物理法则。
 
β衰变,即中子衰变成带正电的质子和带负电的电子的过程。从20世纪初,科学界就发现一种奇怪的现象,那就是β衰变过程中能量会出现亏损。物理学史上著名的“哥本哈根学派”鼻祖、1922年诺贝尔奖物理学奖得主玻尔据此认为,在β衰变过程中,能量守恒定律很可能是失效的。      
 
然而,问题在于,如果能量不守恒,整个物理学“大厦”的“基座”都将被颠覆。      
 
第二年春天举行的国际核物理会议上,泡利试图重新恢复能量守恒,办法是假设中子在衰变过程中,除了生成质子、电子,同时还产生了一种质量很小的中性粒子;正是这种未知粒子带走的能量,导致了能量亏损的出现。此后,意大利物理学家、1938年诺贝尔奖物理学奖得主费米把带走能量的这个“小偷”,正式命名为中微子(neutrino)。
 
实际上,就在泡利提出中微子假说后,正在柏林大学读书的王淦昌在实验室中的精确测量有力地支持了泡利的“狂想”。二战期间爆发后,已经回国在浙江大学任教的王淦昌并未放弃他的科学实验。1942年,当王淦昌的论文《关于探测中微子的一个建议》在美国《物理学评论》上发表,提出不能用中微子的电离效应来探测它的存在,测量反冲能量和动量是能够获得中微子存在证据的唯一希望。因此他建议用K电子俘获中微子。
 
这一建议当时就引起美国物理学家阿伦的注意,并成功完成了有名的“王淦昌――阿伦实验”。
 
10年后,他与另一位同事一起确定了俘获中微子的完整实验。又过近40年,他们获得了1995年诺贝尔物理学奖。王淦昌对此无半点遗憾,反而为美国同行感到高兴。他说:“物理学的成就还是应由实验证实的,荣誉也应该给予那些最后做出结果的科学家。”
 
实际上,这已经是,诺贝尔奖第二次与王淦昌擦肩而过。 
 
1929年6月,王淦昌毕业于清华大学物理系。1930年6月,王淦昌到柏林大学攻读硕士学位,成了女物理学家丽丝·迈特纳的研究生。到柏林大学后不久,就得知德国物理学家博特与贝克有关“铍射线”的实验出现异常现象。当博特用α粒子轰击铍时,出现了一种强度不大但穿透力很强的射线。这种射线可以穿透几厘米厚的铜板,而且穿过去后速度并不明显减小。
 
当时博特不知道这是一种什么射线,就取了个临时的名称:“铍辐射”,认为是当时人们熟知的硬γ射线。
 
王淦昌得知博特认为“铍射线”是γ射线的结论后,立即表示怀疑。他认为,γ射线不可能穿透几厘米厚的铜板。更重要的是王淦昌认为,博特在实验时使用盖革计数器作为探测器是不合适的。他认为,应该用云雾室代替盖革计数器,这样也许会有新的发现。
 
为此,王淦昌曾两次向迈特纳教授建议,希望能在她的实验室里用云雾室重新检验博特关于“铍辐射”的猜测。可惜迈特纳两次都没有同意王淦昌的建议,并对王淦昌说:“重复别人的实验没有任何意义。”
 
1932年2月,英国物理学家查德威克在用云雾室重新检验博特的“铍辐射”实验时,正如王淦昌预计的一样,行为异常的“铍射线”果然不是什么γ射线,而是一种不带电的中性粒子。由此,查德威克发现了人类史上的第四个基本粒子——中子,并获得了1935年的诺贝尔物理学奖。
 
事后迈特纳非常后悔地对王淦昌说:“唉,是我们的运气不好呀!”后来,王淦昌也开玩笑地对人说:“如果当时我坚持做这个实验,那我王淦昌就不是今日的王淦昌了!”
 
这是王淦昌第一次错失诺贝尔奖。他还有第三次。第三次与诺贝尔奖失之交臂是在1960年,在苏联杜布纳研究所,王淦昌领导的研究小组发现了世界上第一例反超子,举世震惊。然而,这时,王淦昌应召回国秘密研制原子弹。从这天起外国科学界发现,即将要拥抱诺贝尔奖的著名物理学家、反西格马负超子的发现者王淦昌,却一下子从地球上“蒸发”了。 
 
1998年,王淦昌因病在北京逝世,享年91岁。
 
2007年,中国的大亚湾中微子探测项目启动,2012年,大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布,大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。
 
这样就意味着,三种中微子之间的转换方式已经找全了。因为三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自上世纪60年代起即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。
 
这次获得诺贝尔奖的,就是日本科学家发现的大气中微子振荡,和加拿大科学家发现的太阳中微子振荡。中国的实验则发现了第三种振荡,并将其称之为反应堆振荡,因为他们探测的中微子来自大亚湾核电站的反应堆。但是这第三个发现并未引起诺贝尔奖的兴趣。
 
不过这在2007年我们采访中科院高能所王贻芳研究员的时候,他已经有了准备。他当时就认为,尽管前几次中微子的重大发现都获得了诺贝尔奖,大亚湾试验尽管非常重要,但并不一定和诺贝尔奖有缘。
 
他说,诺贝尔奖通常是颁发给让人吃惊的东西,应该是surprise,原来大家不相信有振荡,后来证明有了,所以让人们非常吃惊。“我们这个大家都知道了,不是不重要,而是悬念很少了。”
 
当然可喜的是,2014年度的美国物理学会“潘诺夫斯基奖”授予了中国大亚湾中微子实验的两位科学家,中方的王贻芳研究员和美方的陆锦标教授。
 
“潘奖”是实验粒子物理领域最重要的奖项之一。2002年,梶田隆章曾与他的两位导师小柴昌俊和户塚洋二获得美国物理学会颁发的“潘诺夫斯基奖”。
 
世界总是这样充满遗憾,或许在王淦昌的心目中,错失诺贝尔奖并不是最大的遗憾,在小柴和梶田心中,获得诺贝尔奖也未必是最大的满足。
 
 
 
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