意大利物理学家恩里科·费米。资料来源：维基百科
介绍：
1933年，32岁的费米提出了β衰变的有效场论。当时他预计这将是他一生中所做的最重要的理论工作，甚至超越著名的费米-狄拉克统计理论。学术界认为，费米的工作也是交互量子场论发展史上最重要的开创性工作。
具有强烈物理直觉的费米在实验物理学方面也取得了杰出的成就，成为美国物理学的“教父”，指导和影响了至少整整一代年轻物理学家。事实上，从青年时期直至去世，费米始终用自己深刻的思想、广博的知识和非凡的人格，在他的周围聚集了众多杰出的青年才俊，形成了享誉世界的费米学派，其中包括第二位女性诺贝尔奖获得者玛丽亚·格佩特-迈耶物理学奖得主，以及才华横溢但性格古怪的物理学家埃托雷·马约拉纳。
邢志忠|写的
1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了新的量子力学方程，可以描述电子等基本粒子的运动状态，与爱因斯坦的狭义相对论一致。然而，不同粒子之间的相互作用，例如不同的费米子之间的相互作用，需要完全不同的动力学机制来解释。
1933年底至1934年初，意大利物理学家恩里科·费米提出了描述原子核β衰变的有效理论，将反应过程归因于中子、质子和电子组成的核子流。由电子型反中微子组成的轻子流之间的相互作用，其强度由通用费米耦合常数表征[1, 2]。
基于费米理论，科学家可以定量计算原子核的各种聚变和裂变过程，从而为理解太阳为什么发光和发热以及核反应堆如何工作铺平道路。不仅如此，随后发展的有效的β衰变理论，包括双β衰变和无中微子双β衰变过程的理论计算，也有力地推动了核物理和粒子物理的进步，至今仍能感受到其深远的影响。存在。
1. 费米：“我会因此而被铭记”
1933年10月22日至29日，第七届索尔维科学峰会在比利时布鲁塞尔首次举行。本次会议重点讨论原子和核物理领域的前沿问题。虽然爱因斯坦本人没有出席，但尼尔斯·玻尔、玛丽·居里、欧内斯特·路德等学术领袖以及保罗·狄拉克、费米、沃尔夫冈·泡利（Pauli）、维尔纳·海森堡（ ）等新一代青年才俊都参加了而会议主席正是曾提出“双胞胎悖论”并与其妻子玛丽·居里产生情感纠葛的法国物理学家保罗·朗之万（Paul ）。
在会议的讨论中，泡利不再像两三年前那样对他的“中微子”假说持谨慎态度。他在众多物理学大师面前大胆陈述了这种新粒子能够拯救β衰变“能源危机”的几个理由。泡利神秘的自信可能来自于看到他的英国朋友狄拉克预言的正电子已经成为现实。他担心，如果不大力宣传“中微子”，他可能会失去先知的身份，后悔一辈子。
他的努力没有白费，他在会上给意大利朋友费米留下了深刻的印象。索尔维会议结束后，费米一回到意大利就开始做功课。他于1933年圣诞假期前提出了β衰变的有效场论，并成功解释了β衰变的能量守恒问题。
一个有趣的问题：在与会的其他四十位物理学家中，为什么只有费米愿意接受泡利的“中微子”假说？答案可能与费米对泡利的信任有关。
费米是泡利的追随者。 1925年，泡利提出了“泡利不相容原理”（泡利），这为他赢得了二十年后的诺贝尔物理学奖。它指出，在由费米子组成的系统中，不可能有两个或多个粒子处于完全相同的状态[3]。 1926年2月，费米将泡利不相容原理应用到大量处于热平衡的费米子系统中，从而发现了系统中粒子处于不同量子态的统计规律[4]。同年8月，狄拉克独立完成并发表了类似的研究工作[5]，但他后来谦虚地将这一著名的“费米-狄拉克统计”的全部荣誉归于费米，并将满足统计具有正则、半整数的粒子自旋称为费米子。由此，费米在学术界名声大噪，成为世界一流的理论物理学家之一，并受邀出席索尔维会议。
费米的非凡之处在于，他创造性地结合了索尔维会议上三位伙伴提出的新想法，建立了自己有效的贝塔衰变理论。这三个新想法是：1）泡利设想的新粒子——中微子； 2）狄拉克创造的用于描述粒子产生和湮灭的算子语言； 3）海森堡同位旋对称性提出的质子和中子关系。
沃尔夫冈·泡利（左）、沃纳·海森堡（中）和恩里科·费米（右）在 1927 年国际物理学大会上。资料来源：欧洲核子研究中心
对于特定的β衰变过程，初态中子n和终态质子p构成核子流，反应释放的电子和电子反中微子构成轻子流，因此费米基于“流-流”相互作用写下了结合四个费米子场，建立了描述β衰变的有效理论，然后可以计算具体的衰变率，并通过与实验结果的比较确定耦合常数。
费米后来告诉他的博士生李正道，他通过模仿带电粒子之间电磁相互作用的形式写出了上述矢量流，并引入了核子流和轻子流之间的通用耦合常数，受到了启发牛顿引力常数。然而，李政道先生直到1956年才注意到，令人难以置信的是，费米写的轻子流并不是真正意义上的矢量流，因为它包含一个矩阵，相当于轴向矢量流。令李先生深感遗憾的是，费米于1954年11月28日去世，他心中的这个疑问永远无法得到解答[6]。
和许多年轻学者一样，费米对自己创造的新理论充满信心。他写完论文后，立即投稿给英国著名期刊《自然》（）。然而，他很快就收到评论者的负面评论，称“猜测与现实相差太远”，感到失望。被顶级学术期刊拒绝物理学家费米的手稿，费米并没有气馁，而是将这篇价值极高、实际上非常接近现实的论文投给了一本早已消失的不太出名的意大利学术期刊：《研究》（La）。 1933年12月31日，该论文正式发表[1]。今年圣诞假期，费米与同事、朋友一起去阿尔卑斯山滑雪度假；在此期间，他郑重地告诉大家，他刚刚完成的作品非常重要，“我将因此被世界记住！”
1934年初，费米进一步发展了他的β衰变理论，并对某些原子核的衰变速率做出了定量预测[2]。他的这一系列工作标志着有效的弱相互作用理论的诞生。
在标准模型的框架内，原子核在夸克能级的β衰变实际上是中子中的下夸克转变为质子中的上夸克，并释放出虚拟玻色子。后者然后衰变成电子和电子型反中微子。由于该反应过程中的能量传递远小于弱相互作用粒子的质量，因此可以将后者“累加”以获得低能量且有效的费米耦合常数，从而恢复费米的β衰变理论。毫无疑问，费米凭借其伟大的物理直觉，从一开始就走上了基本正确的道路，为弱相互作用理论的发展奠定了第一块基石。
1956年夏天，美国物理学家弗雷德里克·雷因斯（ ）和克莱德·考恩（Clyde Cowan）通过逆β衰变过程直接探测到了反应堆内核裂变产生的电子型反中微子。 [7]，不仅证实了泡利预言的“中微子”的存在，也在很大程度上验证了费米有效的β衰变理论，尽管后者尚未包括宇称破坏的贡献。 1995年，即考恩去世21年后，莱因斯获得了诺贝尔物理学奖。
另一方面，包括太阳中心在内的各种核聚变反应不断发生，释放出的能量以光和热的形式照亮了整个太阳系。上述反应过程释放的电子中微子于1968年被美国物理学家雷蒙德·戴维斯精心设计的地下实验检测到，并因此获得2002年诺贝尔物理学奖。学术奖项。
2011年，杨振宁先生写了一篇纪念费米诞辰100周年的文章，讨论了费米创建有效的β衰变理论的过程[8]。首先，杨先生借用了美国物理学家尤金·韦格纳（ ）的话来证实，有效的β衰变理论是费米最重要的理论工作，因为当时狄拉克、海森堡和韦格纳是提出二次方程的先驱。量子化方法没有找到具体的方法来使用这种方法来理解原子核的衰变过程中电子是如何产生的。接下来，杨老师分析了费米独特的科学研究理念——让形式为内容服务，而不是相反。因此，拥有出色物理直觉的费米没有受到量子场论形式体系的束缚，而是直接将已有的理论认识与β衰变的具体问题结合起来，从而迈出了“从0到1”的关键一步。
2.格佩特·迈耶：费米学派的女天才
1935年9月，德裔美国物理学家Maria -Mayer根据费米的β衰变理论，在美国物理学会主办的《物理评论》（ ）杂志上发表了一篇文章。题为“双β裂变”（β-）的论文首次计算了原子核的双β衰变过程[9]。
双β衰变是指原子序数和原子质量数偶数的原子核，两个中子同时转化为质子并释放电子和电子型反中微子。这个过程发生的主要原因是神奇的核配对力使母核的质量低于相邻核的质量，但高于下一个相邻核的质量。由于能量守恒，只能发生衰变，从而释放出两个电子和两个电子型反中微子。双β衰变的概率比普通β衰变低得多，因此不易被检测到。
直到1987年，美国物理学家 Moe才首次在实验室观察到硒（Se）的双β衰变信号。这是理论预测指导实验发现的又一个典型例子。
回顾过去，格佩特·迈耶是谁？
玛丽亚·格佩特-迈耶，第二位获得诺贝尔物理学奖的女性。图片来源：.GOV、、via
玛丽亚·格佩特 (Maria ) 1906 年 6 月 28 日出生于德意志帝国卡托维兹（现属波兰）。她的父亲是一位儿科教授。 1924年，玛丽亚进入哥廷根大学，开始学习数学。后来，她转而研究原子物理和量子力学。她师从著名物理学家马克斯·玻恩，并于1930年获得博士学位。值得一提的是，参与她博士论文答辩的三位主考人——玻恩、詹姆斯·弗兰克（James）和阿道夫·温道斯（Adolf）后来都获得了诺贝尔奖。玛丽亚特别擅长与科学大师打交道，讨论各种学术问题，并从他们身上汲取宝贵的知识和灵感。这使得她的学术品味和视野明显高于同时代的大多数年轻学者，让她站在了科学研究的起跑线上。
在量子力学的发源地之一的哥廷根大学，玛丽亚遇到了在这里学习并住在她家里的美国青年约瑟夫·梅尔。这对热爱科学的年轻人朝夕相处，很快擦出了爱情的火花。他们于 1930 年初结婚，不久后搬到美国，并在约翰·霍普金斯大学找到了工作。正是在这里，姓氏已改为格佩特-迈耶的玛丽亚完成了双贝塔衰变的理论研究，这给费米留下了深刻的印象。
几年后，玛丽亚跟随丈夫考入哥伦比亚大学。她再次展现了自己与大师打交道的能力，尤其是与刚到哥伦比亚大学的诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里、诺贝尔物理学奖得主费米成为了好朋友。虽然费米获得1938年诺贝尔奖的原因——“利用中子辐射制造人造放射性元素”很快就被德国化学家奥托·哈恩等人证明是一个极其尴尬的错误，但这并没有影响费米“教父”的地位美国物理学。然而，这也表明，一名杰出的理论物理学家成为一名杰出的实验物理学家所需的时间比诺贝尔奖委员会预期的要长得多。
在费米的指导下，玛丽亚对稀土元素进行了深入的研究，她的理论预言也被实验所证实。二战期间，玛丽亚在一定程度上参与了曼哈顿计划，以研制原子弹。战后，1946年，迈耶和妻子一起加入了芝加哥大学，玛丽亚获得了一个无薪副教授职位。幸运的是，玛丽亚再次得到了比她早一年来到芝加哥大学的费米的精心指导，并于1948年提出了日后让她名声大噪的核壳模型[10]。 1963年，玛丽亚·格佩特-迈耶因构建和发展原子核的壳层模型，与韦格纳和德国物理学家汉斯·辛森共同获得诺贝尔物理学奖。她也是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女科学家。
严格来说，格佩特-迈耶不能算作费米的学生，但她在科学研究上受到费米的亲自指导和影响，因此她无疑是费米学派的领导人之一。一。当被问及获得诺贝尔奖的感受时，格佩特-迈耶坦言：“获奖的兴奋感还不及作品本身的一半。”
3、马约拉纳失踪之谜：科学史上的悬案
1937年4月，费米的门生埃托雷·马约拉纳（ ）在意大利学术期刊《Nuovo》上发表了他的最后一篇学术论文[11]。在这篇题为“电子和电子对称性理论”（dell'e del）的论文中，马约拉纳设想了一种新型物质粒子：马约拉纳型费米子，或等于其自身费米子的反粒子。他指出物理学家费米的手稿，电中性中微子属于这种新型费米子，因此用来区分正负电子和正负中微子的“轻子数”（ ）不再是守恒量。相反，如果中微子是狄拉克型费米子，那么中微子和反中微子就不等价，可以定义两个轻子数来区分它们。那么，一个重要的问题是：如何通过实验证实中微子的马约拉纳特性？
值得一提的是，粒子物理标准模型中的基本玻色子——传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子、传递弱相互作用的玻色子，以及与质量起源相关的原子粒子。格斯玻色子都具有反粒子与其自身相等的性质，但电子、夸克等基本费米子由于电荷守恒的限制，不具备这种性质。因此，不带电的中微子是否等价于其反粒子就成为验证马约拉纳新费米子理论是否正确的关键。
限于目前的实验技术，最有可能证实中微子马约拉纳性质的物理过程是某些原子核的“无中微子双β衰变”反应。例如，近年来多个国际实验小组一直在寻找罕见的衰变和。美国物理学家 Furry基于-Meyer的双β衰变理论并假设中微子具有马约拉纳性质，于1939年率先计算出不发射电子的反中微子。离子的双β衰变过程[12]。这个过程的物理形象其实并不复杂：双β衰变相当于原子核内两个中子的β衰变。原则上会产生两个电子反中微子；但如果中微子是具有纳米费米子的中微子，则无需区分中微子和反中微子，因此两种中微子实际上可以相互“吸收”，最终的反应产物不包含任何中微子或反中微子。毫无疑问，无中微子双β衰变的概率远低于双β衰变本身的概率，因此需要极其精密的探测技术大海捞针才能探测到前者的信号。
迄今为止，尽管实验物理学家经过多年的努力，仍未发现无中微子双β衰变的可靠证据。尽管如此，大多数理论物理学家仍然坚信中微子的马约拉纳特性。美国费米实验室理论部的中微子专家鲍里斯·凯泽（Boris ）曾发明了一种三段论模型，无需做任何实验就可以证明中微子属于马约拉纳型费米子。这种“神圣”逻辑在 2016 年 7 月下旬在越南归仁举办的国际中微子暑期学校中得到了证明。
他先在白板上画了一个方框，在里面写了三句话：
1）这个盒子里有三个； 2）其中两个是假的； 3) 中微子是马约拉纳粒子(are)。
然后他开始引导大家判断上面哪句话或哪些句子是错误的。首先，第一句话是正确的，没有异议，因为盒子里确实有三句话。问题的关键在于第二句话，要么对，要么错。如果第二句是正确的，并且它强调三句话中必须有两句是错误的，这意味着第一句和第三句都是错误的。但第一句话陈述了明显的事实，不可能有错，矛盾就不可避免地出现了。在这种情况下，我们不得不转向另一种可能性，即第二句话是错误的。如果第二句是错误的，那么第三句也不可能是错误的，否则就相当于证实了第二句中的“恰好有两句话是错误的”，所以是自相矛盾的。矛盾的情况会再次出现。经过这样的推理，凯撒笑着得出结论：第三句话是正确的。
可悲的是，马约拉纳在提出现在以他的名字命名的新费米子理论仅仅一年后就神秘失踪了。目前可以确认的记录是，他于1938年3月25日购买了一张从意大利西西里岛巴勒莫前往那不勒斯的船票，并在此之前从银行提取了所有存款。但那天他就从世界上消失了，没有人知道他的下落或下落。
马约拉纳的亲戚、朋友、同事以及后来的历史学家推测了几种令人难以置信的可能性：当时他选择跳海自杀；他只身前往阿根廷，隐姓埋名生活了20多年。逃入佛门；他被绑架或杀害。总之，马约拉纳失踪成为科学史上的悬案。
马约拉纳失踪后，他的导师费米焦急万分，甚至病倒了，写信给当时的意大利国家元首、法西斯独裁者贝尼托·墨索里尼（贝尼托·墨索里尼），敦促他想办法利用政府资源寻找马约拉纳，物理学家向导。费米后来以一位伟大物理学家的独特视角，对他的天才学生的智商和情商做出了如下评价：“世界上有各种各样的科学家，二流、三流的科学家竭尽全力，但他们对科学发展做出主要贡献的人都是一流的科学家，包括伽利略和牛顿，埃托雷·马约拉纳就是其中之一，但不幸的是他缺乏一种人人都具备的品质：简单的常识。”[13]
也许费米是对的，每个天才都有常人无法理解的品质。但无论如何，马约拉纳的传奇命运让神秘的中微子变得更加神秘。许多理论物理学家推测幽灵般的暗物质粒子也可能具有马约拉纳特性。如果真是这样的话，那么物质世界里似乎到处都弥漫着一股来自马约拉纳的神秘气息。
参考：
[1]E.费米，“Di una dell' dei raggi beta”，里克。科学。 4（1933）491—495
[2]E.费米，“β 的一个”，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.费米，“苏拉德尔瓦斯”，雷德。 3（1926）145-149； “论理想气体”，Z. Phys。 36（1926）902-912
[5]帕姆·狄拉克，“论”，Proc。罗伊.苏克。伦敦。阿112（1926）661—677
[6]TD Lee，“弱者：其与上”，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]杨CN，“费米b衰变”，Int. J.莫德。物理。 A 27 (2012)
[9]M. -梅耶尔，“β-”，物理学。启示录 48 (1935) 512—516
[10]米。 -梅耶尔留学之路，“在”，物理。启示录 74 (1948) 235—239
[11]E.，“dell'e del”，Nuovo Cim。 14（1937）171-184
[12]WH Furry，“处于测试阶段”，Phys。启示录 56 (1939) 1184—1193
[13]A.，“：和”，CERN 46 (2006) 23-27