意大利物理學家恩里科·費米。資料來源：維基百科
介紹：
1933年，32歲的費米提出了β衰變的有效場論。當時他預計這將是他一生中所做的最重要的理論工作，甚至超越著名的費米-狄拉克統計理論。學術界認為，費米的工作也是交互量子場論發展史上最重要的開創性工作。
具有強烈物理直覺的費米在實驗物理學方面也取得了杰出的成就，成為美國物理學的“教父”，指導和影響了至少整整一代年輕物理學家。事實上，從青年時期直至去世，費米始終用自己深刻的思想、廣博的知識和非凡的人格，在他的周圍聚集了眾多杰出的青年才俊，形成了享譽世界的費米學派，其中包括第二位女性諾貝爾獎獲得者瑪麗亞·格佩特-邁耶物理學獎得主，以及才華橫溢但性格古怪的物理學家埃托雷·馬約拉納。
邢志忠|寫的
1928年，英國物理學家保羅·狄拉克提出了新的量子力學方程，可以描述電子等基本粒子的運動狀態，與愛因斯坦的狹義相對論一致。然而，不同粒子之間的相互作用，例如不同的費米子之間的相互作用，需要完全不同的動力學機制來解釋。
1933年底至1934年初，意大利物理學家恩里科·費米提出了描述原子核β衰變的有效理論，將反應過程歸因于中子、質子和電子組成的核子流。由電子型反中微子組成的輕子流之間的相互作用，其強度由通用費米耦合常數表征[1, 2]。
基于費米理論，科學家可以定量計算原子核的各種聚變和裂變過程，從而為理解太陽為什么發光和發熱以及核反應堆如何工作鋪平道路。不僅如此，隨后發展的有效的β衰變理論，包括雙β衰變和無中微子雙β衰變過程的理論計算，也有力地推動了核物理和粒子物理的進步，至今仍能感受到其深遠的影響。存在。
1. 費米：“我會因此而被銘記”
1933年10月22日至29日，第七屆索爾維科學峰會在比利時布魯塞爾首次舉行。本次會議重點討論原子和核物理領域的前沿問題。雖然愛因斯坦本人沒有出席，但尼爾斯·玻爾、瑪麗·居里、歐內斯特·路德等學術領袖以及保羅·狄拉克、費米、沃爾夫岡·泡利（Pauli）、維爾納·海森堡（ ）等新一代青年才俊都參加了而會議主席正是曾提出“雙胞胎悖論”并與其妻子瑪麗·居里產生情感糾葛的法國物理學家保羅·朗之萬（Paul ）。
在會議的討論中，泡利不再像兩三年前那樣對他的“中微子”假說持謹慎態度。他在眾多物理學大師面前大膽陳述了這種新粒子能夠拯救β衰變“能源危機”的幾個理由。泡利神秘的自信可能來自于看到他的英國朋友狄拉克預言的正電子已經成為現實。他擔心，如果不大力宣傳“中微子”，他可能會失去先知的身份，后悔一輩子。
他的努力沒有白費，他在會上給意大利朋友費米留下了深刻的印象。索爾維會議結束后，費米一回到意大利就開始做功課。他于1933年圣誕假期前提出了β衰變的有效場論，并成功解釋了β衰變的能量守恒問題。
一個有趣的問題：在與會的其他四十位物理學家中，為什么只有費米愿意接受泡利的“中微子”假說？答案可能與費米對泡利的信任有關。
費米是泡利的追隨者。 1925年，泡利提出了“泡利不相容原理”（泡利），這為他贏得了二十年后的諾貝爾物理學獎。它指出，在由費米子組成的系統中，不可能有兩個或多個粒子處于完全相同的狀態[3]。 1926年2月，費米將泡利不相容原理應用到大量處于熱平衡的費米子系統中，從而發現了系統中粒子處于不同量子態的統計規律[4]。同年8月，狄拉克獨立完成并發表了類似的研究工作[5]，但他后來謙虛地將這一著名的“費米-狄拉克統計”的全部榮譽歸于費米，并將滿足統計具有正則、半整數的粒子自旋稱為費米子。由此，費米在學術界名聲大噪，成為世界一流的理論物理學家之一，并受邀出席索爾維會議。
費米的非凡之處在于，他創造性地結合了索爾維會議上三位伙伴提出的新想法，建立了自己有效的貝塔衰變理論。這三個新想法是：1）泡利設想的新粒子——中微子； 2）狄拉克創造的用于描述粒子產生和湮滅的算子語言； 3）海森堡同位旋對稱性提出的質子和中子關系。
沃爾夫岡·泡利（左）、沃納·海森堡（中）和恩里科·費米（右）在 1927 年國際物理學大會上。資料來源：歐洲核子研究中心
對于特定的β衰變過程，初態中子n和終態質子p構成核子流，反應釋放的電子和電子反中微子構成輕子流，因此費米基于“流-流”相互作用寫下了結合四個費米子場，建立了描述β衰變的有效理論，然后可以計算具體的衰變率，并通過與實驗結果的比較確定耦合常數。
費米后來告訴他的博士生李正道，他通過模仿帶電粒子之間電磁相互作用的形式寫出了上述矢量流，并引入了核子流和輕子流之間的通用耦合常數，受到了啟發牛頓引力常數。然而，李政道先生直到1956年才注意到，令人難以置信的是，費米寫的輕子流并不是真正意義上的矢量流，因為它包含一個矩陣，相當于軸向矢量流。令李先生深感遺憾的是，費米于1954年11月28日去世，他心中的這個疑問永遠無法得到解答[6]。
和許多年輕學者一樣，費米對自己創造的新理論充滿信心。他寫完論文后，立即投稿給英國著名期刊《自然》（）。然而，他很快就收到評論者的負面評論，稱“猜測與現實相差太遠”，感到失望。被頂級學術期刊拒絕物理學家費米的手稿，費米并沒有氣餒，而是將這篇價值極高、實際上非常接近現實的論文投給了一本早已消失的不太出名的意大利學術期刊：《研究》（La）。 1933年12月31日，該論文正式發表[1]。今年圣誕假期，費米與同事、朋友一起去阿爾卑斯山滑雪度假；在此期間，他鄭重地告訴大家，他剛剛完成的作品非常重要，“我將因此被世界記住！”
1934年初，費米進一步發展了他的β衰變理論，并對某些原子核的衰變速率做出了定量預測[2]。他的這一系列工作標志著有效的弱相互作用理論的誕生。
在標準模型的框架內，原子核在夸克能級的β衰變實際上是中子中的下夸克轉變為質子中的上夸克，并釋放出虛擬玻色子。后者然后衰變成電子和電子型反中微子。由于該反應過程中的能量傳遞遠小于弱相互作用粒子的質量，因此可以將后者“累加”以獲得低能量且有效的費米耦合常數，從而恢復費米的β衰變理論。毫無疑問，費米憑借其偉大的物理直覺，從一開始就走上了基本正確的道路，為弱相互作用理論的發展奠定了第一塊基石。
1956年夏天，美國物理學家弗雷德里克·雷因斯（ ）和克萊德·考恩（Clyde Cowan）通過逆β衰變過程直接探測到了反應堆內核裂變產生的電子型反中微子。 [7]，不僅證實了泡利預言的“中微子”的存在，也在很大程度上驗證了費米有效的β衰變理論，盡管后者尚未包括宇稱破壞的貢獻。 1995年，即考恩去世21年后，萊因斯獲得了諾貝爾物理學獎。
另一方面，包括太陽中心在內的各種核聚變反應不斷發生，釋放出的能量以光和熱的形式照亮了整個太陽系。上述反應過程釋放的電子中微子于1968年被美國物理學家雷蒙德·戴維斯精心設計的地下實驗檢測到，并因此獲得2002年諾貝爾物理學獎。學術獎項。
2011年，楊振寧先生寫了一篇紀念費米誕辰100周年的文章，討論了費米創建有效的β衰變理論的過程[8]。首先，楊先生借用了美國物理學家尤金·韋格納（ ）的話來證實，有效的β衰變理論是費米最重要的理論工作，因為當時狄拉克、海森堡和韋格納是提出二次方程的先驅。量子化方法沒有找到具體的方法來使用這種方法來理解原子核的衰變過程中電子是如何產生的。接下來，楊老師分析了費米獨特的科學研究理念——讓形式為內容服務，而不是相反。因此，擁有出色物理直覺的費米沒有受到量子場論形式體系的束縛，而是直接將已有的理論認識與β衰變的具體問題結合起來，從而邁出了“從0到1”的關鍵一步。
2.格佩特·邁耶：費米學派的女天才
1935年9月，德裔美國物理學家Maria -Mayer根據費米的β衰變理論，在美國物理學會主辦的《物理評論》（ ）雜志上發表了一篇文章。題為“雙β裂變”（β-）的論文首次計算了原子核的雙β衰變過程[9]。
雙β衰變是指原子序數和原子質量數偶數的原子核，兩個中子同時轉化為質子并釋放電子和電子型反中微子。這個過程發生的主要原因是神奇的核配對力使母核的質量低于相鄰核的質量，但高于下一個相鄰核的質量。由于能量守恒，只能發生衰變，從而釋放出兩個電子和兩個電子型反中微子。雙β衰變的概率比普通β衰變低得多，因此不易被檢測到。
直到1987年，美國物理學家 Moe才首次在實驗室觀察到硒（Se）的雙β衰變信號。這是理論預測指導實驗發現的又一個典型例子。
回顧過去，格佩特·邁耶是誰？
瑪麗亞·格佩特-邁耶，第二位獲得諾貝爾物理學獎的女性。圖片來源：.GOV、、via
瑪麗亞·格佩特 (Maria ) 1906 年 6 月 28 日出生于德意志帝國卡托維茲（現屬波蘭）。她的父親是一位兒科教授。 1924年，瑪麗亞進入哥廷根大學，開始學習數學。后來，她轉而研究原子物理和量子力學。她師從著名物理學家馬克斯·玻恩，并于1930年獲得博士學位。值得一提的是，參與她博士論文答辯的三位主考人——玻恩、詹姆斯·弗蘭克（James）和阿道夫·溫道斯（Adolf）后來都獲得了諾貝爾獎。瑪麗亞特別擅長與科學大師打交道，討論各種學術問題，并從他們身上汲取寶貴的知識和靈感。這使得她的學術品味和視野明顯高于同時代的大多數年輕學者，讓她站在了科學研究的起跑線上。
在量子力學的發源地之一的哥廷根大學，瑪麗亞遇到了在這里學習并住在她家里的美國青年約瑟夫·梅爾。這對熱愛科學的年輕人朝夕相處，很快擦出了愛情的火花。他們于 1930 年初結婚，不久后搬到美國，并在約翰·霍普金斯大學找到了工作。正是在這里，姓氏已改為格佩特-邁耶的瑪麗亞完成了雙貝塔衰變的理論研究，這給費米留下了深刻的印象。
幾年后，瑪麗亞跟隨丈夫考入哥倫比亞大學。她再次展現了自己與大師打交道的能力，尤其是與剛到哥倫比亞大學的諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里、諾貝爾物理學獎得主費米成為了好朋友。雖然費米獲得1938年諾貝爾獎的原因——“利用中子輻射制造人造放射性元素”很快就被德國化學家奧托·哈恩等人證明是一個極其尷尬的錯誤，但這并沒有影響費米“教父”的地位美國物理學。然而，這也表明，一名杰出的理論物理學家成為一名杰出的實驗物理學家所需的時間比諾貝爾獎委員會預期的要長得多。
在費米的指導下，瑪麗亞對稀土元素進行了深入的研究，她的理論預言也被實驗所證實。二戰期間，瑪麗亞在一定程度上參與了曼哈頓計劃，以研制原子彈。戰后，1946年，邁耶和妻子一起加入了芝加哥大學，瑪麗亞獲得了一個無薪副教授職位。幸運的是，瑪麗亞再次得到了比她早一年來到芝加哥大學的費米的精心指導，并于1948年提出了日后讓她名聲大噪的核殼模型[10]。 1963年，瑪麗亞·格佩特-邁耶因構建和發展原子核的殼層模型，與韋格納和德國物理學家漢斯·辛森共同獲得諾貝爾物理學獎。她也是繼居里夫人之后第二位獲得諾貝爾物理學獎的女科學家。
嚴格來說，格佩特-邁耶不能算作費米的學生，但她在科學研究上受到費米的親自指導和影響，因此她無疑是費米學派的領導人之一。一。當被問及獲得諾貝爾獎的感受時，格佩特-邁耶坦言：“獲獎的興奮感還不及作品本身的一半。”
3、馬約拉納失蹤之謎：科學史上的懸案
1937年4月，費米的門生埃托雷·馬約拉納（ ）在意大利學術期刊《Nuovo》上發表了他的最后一篇學術論文[11]。在這篇題為“電子和電子對稱性理論”（dell'e del）的論文中，馬約拉納設想了一種新型物質粒子：馬約拉納型費米子，或等于其自身費米子的反粒子。他指出物理學家費米的手稿，電中性中微子屬于這種新型費米子，因此用來區分正負電子和正負中微子的“輕子數”（ ）不再是守恒量。相反，如果中微子是狄拉克型費米子，那么中微子和反中微子就不等價，可以定義兩個輕子數來區分它們。那么，一個重要的問題是：如何通過實驗證實中微子的馬約拉納特性？
值得一提的是，粒子物理標準模型中的基本玻色子——傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用的膠子、傳遞弱相互作用的玻色子，以及與質量起源相關的原子粒子。格斯玻色子都具有反粒子與其自身相等的性質，但電子、夸克等基本費米子由于電荷守恒的限制，不具備這種性質。因此，不帶電的中微子是否等價于其反粒子就成為驗證馬約拉納新費米子理論是否正確的關鍵。
限于目前的實驗技術，最有可能證實中微子馬約拉納性質的物理過程是某些原子核的“無中微子雙β衰變”反應。例如，近年來多個國際實驗小組一直在尋找罕見的衰變和。美國物理學家 Furry基于-Meyer的雙β衰變理論并假設中微子具有馬約拉納性質，于1939年率先計算出不發射電子的反中微子。離子的雙β衰變過程[12]。這個過程的物理形象其實并不復雜：雙β衰變相當于原子核內兩個中子的β衰變。原則上會產生兩個電子反中微子；但如果中微子是具有納米費米子的中微子，則無需區分中微子和反中微子，因此兩種中微子實際上可以相互“吸收”，最終的反應產物不包含任何中微子或反中微子。毫無疑問，無中微子雙β衰變的概率遠低于雙β衰變本身的概率，因此需要極其精密的探測技術大海撈針才能探測到前者的信號。
迄今為止，盡管實驗物理學家經過多年的努力，仍未發現無中微子雙β衰變的可靠證據。盡管如此，大多數理論物理學家仍然堅信中微子的馬約拉納特性。美國費米實驗室理論部的中微子專家鮑里斯·凱澤（Boris ）曾發明了一種三段論模型，無需做任何實驗就可以證明中微子屬于馬約拉納型費米子。這種“神圣”邏輯在 2016 年 7 月下旬在越南歸仁舉辦的國際中微子暑期學校中得到了證明。
他先在白板上畫了一個方框，在里面寫了三句話：
1）這個盒子里有三個； 2）其中兩個是假的； 3) 中微子是馬約拉納粒子(are)。
然后他開始引導大家判斷上面哪句話或哪些句子是錯誤的。首先，第一句話是正確的，沒有異議，因為盒子里確實有三句話。問題的關鍵在于第二句話，要么對，要么錯。如果第二句是正確的，并且它強調三句話中必須有兩句是錯誤的，這意味著第一句和第三句都是錯誤的。但第一句話陳述了明顯的事實，不可能有錯，矛盾就不可避免地出現了。在這種情況下，我們不得不轉向另一種可能性，即第二句話是錯誤的。如果第二句是錯誤的，那么第三句也不可能是錯誤的，否則就相當于證實了第二句中的“恰好有兩句話是錯誤的”，所以是自相矛盾的。矛盾的情況會再次出現。經過這樣的推理，凱撒笑著得出結論：第三句話是正確的。
可悲的是，馬約拉納在提出現在以他的名字命名的新費米子理論僅僅一年后就神秘失蹤了。目前可以確認的記錄是，他于1938年3月25日購買了一張從意大利西西里島巴勒莫前往那不勒斯的船票，并在此之前從銀行提取了所有存款。但那天他就從世界上消失了，沒有人知道他的下落或下落。
馬約拉納的親戚、朋友、同事以及后來的歷史學家推測了幾種令人難以置信的可能性：當時他選擇跳海自殺；他只身前往阿根廷，隱姓埋名生活了20多年。逃入佛門；他被綁架或殺害。總之，馬約拉納失蹤成為科學史上的懸案。
馬約拉納失蹤后，他的導師費米焦急萬分，甚至病倒了，寫信給當時的意大利國家元首、法西斯獨裁者貝尼托·墨索里尼（貝尼托·墨索里尼），敦促他想辦法利用政府資源尋找馬約拉納，物理學家向導。費米后來以一位偉大物理學家的獨特視角，對他的天才學生的智商和情商做出了如下評價：“世界上有各種各樣的科學家，二流、三流的科學家竭盡全力，但他們對科學發展做出主要貢獻的人都是一流的科學家，包括伽利略和牛頓，埃托雷·馬約拉納就是其中之一，但不幸的是他缺乏一種人人都具備的品質：簡單的常識。”[13]
也許費米是對的，每個天才都有常人無法理解的品質。但無論如何，馬約拉納的傳奇命運讓神秘的中微子變得更加神秘。許多理論物理學家推測幽靈般的暗物質粒子也可能具有馬約拉納特性。如果真是這樣的話，那么物質世界里似乎到處都彌漫著一股來自馬約拉納的神秘氣息。
參考：
[1]E.費米，“Di una dell' dei raggi beta”，里克。科學。 4（1933）491—495
[2]E.費米，“β 的一個”，Z. Phys。 88（1934）161—177
[3]W.泡利，“Uber den des der im Atom mit der der”，Z. Phys。 31（1925）765—783
[4]E.費米，“蘇拉德爾瓦斯”，雷德。 3（1926）145-149； “論理想氣體”，Z. Phys。 36（1926）902-912
[5]帕姆·狄拉克，“論”，Proc。羅伊.蘇克。倫敦。阿112（1926）661—677
[6]TD Lee，“弱者：其與上”，Int。 J.莫德。物理。阿16（2001）3633—3658
[7]CL Cowan, F., FB, HW Kruse, AD，“自由的：A”，124 (1956) 103—104
[8]楊CN，“費米b衰變”，Int. J.莫德。物理。 A 27 (2012)
[9]M. -梅耶爾，“β-”，物理學。啟示錄 48 (1935) 512—516
[10]米。 -梅耶爾留學之路，“在”，物理。啟示錄 74 (1948) 235—239
[11]E.，“dell'e del”，Nuovo Cim。 14（1937）171-184
[12]WH Furry，“處于測試階段”，Phys。啟示錄 56 (1939) 1184—1193
[13]A.，“：和”，CERN 46 (2006) 23-27
