Page 270 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

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一个反电子中微子，放射出的电子就是β 射线。而β 衰变使质子数减少一个，表示核内一个
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质子转变为一个中子，同时放出一个正电子和一个电子中微子，放射出的正电子就是β 射线。
由此可将上面两式写成
n  p  e   e （13.71）


p  n  e   e （13.72）

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中子（n）和质子（p）的互变实质上是夸克的味变，β 衰变是中子内部的一个 d 夸克变味成
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u 夸克，β 衰变是质子内部的一个 u 夸克变味成 d 夸克，即

d  u  e   e （13.73）


u  d  e   e （13.74）

同时放出正（负）电子和正（反）中微子。
然而，当初发现β衰变现象时，并不知道有中微子存在，因此人们不理解β射线谱为什么
是连续谱，一度以为β衰变不满足能量、动量守恒定律。1930 年泡利提出中微子假设：只有
假定在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子一起被发射出来，使中性粒子和
电子的能量之和为常数，才能解释连续β谱。1932～1933 年，费米将这种假设的中性粒子命
名为中微子，并在此基础上提出了β衰变的定量理论，奠定了弱相互作用理论的基础。他指
出，弱相互作用是 4 个费米子的直接相互作用，并将质子和中子看作是同一种粒子（核子）
的两个不同的量子态，二者之间的转化相当于核子在不同量子态之间的跃迁，电子和中微子
则是跃迁的产物，这犹如γ衰变放出的光子是电子在不同能级之间的跃迁产物。其后，对弱
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相互作用规律的进一步认识来自于 1956 年杨振宁和李政道对“θ-τ疑难”（即θ 和τ 粒子的质
量、寿命和电荷都相同，但衰变产物及其宇称不同）的深入研究，他们发现，宇称守恒在电
磁相互作用和强相互作用中已经有大量的实验验证，但是在弱相互作用过程中，宇称守恒却
缺乏判定性的检验。因此他们认为，“θ-τ疑难”出现的原因是错误地接受了在弱相互作用中
宇称也守恒。如果事实上宇称在弱相互作用中不守恒，那么θ和τ本来就可以是以不同衰变方
式出现的同一种粒子，“θ-τ疑难”也就不存在了。1957 年，吴健雄等用实验证明了宇称在弱
相互作用中确实不守恒。杨振宁和李政道因此获得了 1957 年的诺贝尔物理学奖，而吴健雄
却与诺贝尔奖无缘。
同年，马沙克（R.Marshak）和苏达山（E.C.G.Sudarshan）根据宇称在弱相互作用中不
守恒的规律，总结提出了“普适费米弱相互作用理论”，这个理论普遍而准确地解释了当时
存 在 的 所 有 弱 相 互 作 用 实 验 现 象 ， 定 出 的 普 适 费 米 弱 相 互 作 用 耦 合 常 数
-5
-2
GF=(1.16637±0.00002)×10 GeV 。虽然这个理论取得了很大的成功，但也面临两个基本困难：
一是该理论是不可重整化的，二是该理论只在低能范围适用，不适用于高能范围。这充分表
明，这个理论不可能是真正普适的弱相互作用的基本理论。
针对普适费米弱相互作用理论的上述基本困难，很快出现了弱相互作用的中间玻色子理
论。根据量子规范场论的观念，所有的力都是规范场引起的，力的媒介是规范玻色子。我们
熟悉的带电粒子之间的电磁力是由带电粒子放出和吸收光子的交换过程传递的，光子是自旋
为 1 的规范玻色子。与此类似，规范场论认为费米子之间的弱相互作用是通过放出和吸收质
量很重的自旋为 1 的中间玻色子 W 来传递的。这样，中间玻色子理论给出的弱相互作用基
本过程牵涉到两个费米子和一个玻色子，其耦合常数为无量纲量，因此是可以重整化的。这
个理论同时也消去了原来普适费米弱相互作用理论不适用于高能区的基本困难。图 13-13 描
绘了β 衰变的弱相互作用过程，图 a 代表 4 个费米子直接参与作用的普适费米弱相互作用理
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