电荷是另一个守恒量,它源于粒子波函数振动的方式。这就是为什么光子总是一前一后地产生粒子和反粒子。电荷必须守恒,因此不带电荷的光子在产生电子的同时产生一个反电子,使总电荷为零。以上只是几个例子。
诺特定理告诉我们,物理定律中哪些性质是可以改变的,哪些性质是不可以改变的。它补充了狄拉克、费曼、盖尔曼的量子场论。诺特给了我们一条物理定律,怎么夸大其重要性都不为过。
不幸的是,由于诺特是犹太人,她在纳粹主义兴起时被赶出德国,之后逃到了法国。但从好的方面说,一群热情的科学家欢迎了她,把她奉为无可争议的“女王”。诺特赢得了早就应该得到的认可。在她去世后,爱因斯坦还在《纽约时报》上为她撰写了讣告,称她为“自女性接受高等教育以来最重要的天才”。[3]
冷静点,小家伙
轻子数也是诺特定理得到的守恒量之一,不需要是顶尖科学家就可以得出这个结论:宇宙中轻子的数量保持恒定。这是个对称性定律,但令人恼火的是,它在纸上看起来太对称了,而有一个已知的过程似乎造成了对称性破缺。
这个过程叫“β衰变”,由居里夫人(另一位物理女王)发现。当一个不稳定的原子核中心的一个质子转变成一个中子时,就会发生β衰变,而且似乎是随机的。发生β衰变的时候,原子吐出一个电子,电子会迅速远遁,然后被人类检测到,并被命名为“放射性”。
根据诺特定理,这是有道理的,因为电荷必须守恒。如果一个不带电的中子转变成带正电的质子,就会产生一个带负电的电子。但如果轻子数是守恒的,那这是否打破了诺特定理,在以前没有电子的地方产生一个电子呢?
沃尔夫冈·泡利(击垮德布罗意导波的家伙)提出的解释是,β衰变一定还产生了另一种粒子:某种不带电的反轻子。
恩里科·费米把这种假想的粒子称为“中微子”,意思是“微小的中性粒子”。25年来,我们一直在追寻这种粒子,试图证明诺特是正确的。很可惜,中微子是物理学中最不起眼、最难发生相互作用的粒子,所以这并没有那么容易。
太阳核心的质子和中子不断地相互转换,想象一下在这个过程中产生的中微子。光子从太阳中心到太阳表面需要大约一万年,途中的每个粒子都会吸收并重新发射光子。中微子在23秒内也经历了同样的旅程。
地球不断被太阳产生的中微子轰击,中微子穿过地球的时候不会有任何迟疑。当你读到这句话的时候,大约有650亿个中微子从你小拇指的指尖穿过。
为不喜欢被探测的东西建造探测器是很困难的。世界上最大的中微子探测器是日本飞驒市附近的超级神冈探测器(Superk),它位于一座山的地表下1,000米处(为了过滤宇宙射线)。
Super-K有一个能容纳5万吨高纯水的水槽,每秒钟都有数万亿个中微子通过,但大多数中微子什么都不做。可是每隔一段时间,它们就会击中原子中的一个电子,我们可以探测到一丝微弱的光芒。
中微子被证明是真实存在的粒子,所以轻子数是守恒的。人们花了四分之一个世纪才找到它们,但它们也是诺特定理的绝佳证明。对了,中微子当然也有三代,分别是电中微子、μ中微子、τ中微子。
弱的表现
中微子之间几乎没有相互作用,这是因为它们没有属性,也不与我们熟悉的场耦合。它们没有色荷,因此不与胶子场交流;它们没有电荷,因此不与电磁场/光子场交流。
但中微子偶尔会与电子相互作用。而且,我们知道上夸克变成下夸克时会激发出中微子,所以中微子一定与某个场发生相互作用。这里说的是一个很弱的场,我们称之为“弱场”。没有开玩笑。
上夸克带+2/3个电荷,当它变成带-1/3个电荷的下夸克时,会损失+1个电荷。我们总是认为电荷留在原地不动,但弱场可能违背了这一假设。