文／簡麗賢

邇來，中央研究院與台灣大學、淡江大學、亞洲大學等邀請多位諾貝爾獎得主蒞臨台灣演講，其中2015年諾貝爾物理學獎得主之一阿瑟‧麥克唐納（Arthur B. McDonald）於三月初到台北，筆者有幸受邀與83歲的物理學家麥克唐納晚宴共餐，並且從請益互動中體悟粉絲對科學大師「仰之彌高，鑽之彌堅」的景仰之情，以及學者「瞻之在前，忽焉在後」的學問境界。

2015年諾貝爾物理學獎得獎主題是「發現微中子振盪（neutrino oscillation），證明微中子具有質量」。微中子是什麼？這是很重要的發現嗎？

負電粒子 物質基本

物理學家湯姆森研究陰極射線，結果顯示陰極射線是一種帶負電的粒子，稱為電子（electron），是組成物質的基本粒子。

後來拉塞福從實驗推論原子核（nucleus）的存在，整個原子的質量幾乎集中於原子核，並且由實驗知道原子核內除了帶正電的質子（proton）外，還有另一種電中性的粒子。物理學家查兌克應用碰撞實驗證實電中性的粒子是中子（neutron），中子是一種質量約等於質子的電中性粒子。中子與質子組合成原子核，並與電子構成形形色色不同特性的原子。

然而追尋基本物質組成的故事並未到此結束，科學家應用加速器讓粒子對撞，藉此發現更多的新粒子。1964年蓋爾曼提出夸克（quark）理論，說明質子與中子都是由更小的夸克組成，此一理論已經被證實。截至目前，尚未發現夸克與電子內部有其它粒子的結構，因此將夸克與電子稱為基本粒子。 然而基本粒子不是只有夸克與電子，科學家鍥而不捨地尋尋覓覓，經過理論與實驗尋找其他基本粒子。二十世紀初，物理學家發現「貝他衰變」（beta decay）中的電子動能呈現連續能譜，與動量守恆與能量守恆概念矛盾，頗啟人疑竇。後來物理學家包立大膽假設在貝他衰變中應有質量極小、不帶電荷且與物質不發生交互作用的粒子釋出。費米在發展貝他衰變理論時，將此神祕粒子命名為「微中子」，意思是說比中子還微小的基本粒子。

雖然知道宇宙裡存在神祕基本粒子微中子，這家族習於享受孤獨況味，沉浸「千山鳥飛絕，萬徑人蹤滅。孤舟蓑笠翁，獨釣寒江雪」的情境，人類卻無法掌握微中子的行蹤，這些質量比電子還輕且不帶電荷的粒子，在宇宙天地間飄忽不定，好比曹植的洛神賦所描述凌波微步，飄忽若神，「動無常則，若危若安；進止難期，若往若還」，在我們周遭穿來穿去。況且數量不少，可能來自太陽或大氣中，卻不喜歡與其他物質互動，簡直是宇宙中的獨行俠，享受孤獨的旅行者。甚者，微中子還是宇宙的變色龍，可以在某環境中「變臉」，從一種微中子轉換成另一種微中子，此即為「微中子振盪」，讓科學家捉摸不定。

量子物理 重要突破

地球探測到的微中子大部分來自太陽內的核反應。在宇宙中，微中子的數量僅次於光子。在充滿微中子的世界，每秒都有上兆微中子穿透我們的身體，而我們看不到，也不會有任何感覺。微中子以光速穿越宇宙，卻很少與其他物質打招呼相借問，並產生任何反應。為了研究微中子，物理學家設計的實驗，由日本學者梶田隆章（Takaaki Kajita）與加拿大麥克唐納，分別主持超級神岡與薩德伯里微中子觀測站的實驗室，帶領研究團隊梶田隆章蒐集宇宙射線與地球大氣層反應過後產生的微中子，研究微中子的變臉現象，發覺微中子在由大氣層進入日本超級神岡探測器的過程中會出現型態轉換。麥克唐納在加拿大的薩德伯里微中子觀測站，帶領團隊於2001年證明微中子的型態變臉轉換，而微中子能變臉的條件就是必須具有質量。

這兩地實驗室發現微中子振盪，推翻長久以來認為微中子不具質量的認知，不僅是粒子物理學的重要突破，也改變了我們對宇宙的認知。