弱交互作用有什麼用？

弱交互作用有什麼用？ 撰文／高涌泉 台灣大學物理系教授
看似不起眼的弱交互作用，其實有一般人想像不到的大功能。

對大多數人來說，在已知的四種基本交互作用力（重力、電磁力、強力、弱力）之中，弱交互作用應是最陌生、最不易捉摸的玩意。其他三種力都有為人熟悉或易於想像的作用：
重力與電磁力就不用說了，受過國民基本教育的人都知道重力將我們束縛於地球上、將地球束縛在太陽旁，

而電磁力將電子束縛在原子核旁，就算是平常我們感受不到的強力，只要說明它會讓質子間、中子間，以及質子與中子間出現強烈的吸引力，因而將質子、中子束縛在原子核內，大家便馬上能夠體認它的重要性。 但是弱交互作用呢？既然是「弱」的，它的意義大約只有專家才需要在乎吧？一點也不，這個名稱不起眼的玩意兒其實有一般人想像不到的大功能。

19世紀末，物理學家發現某些物質有放射性──它們會射出東西來。這些射出物可以分成三類，即大家聽過的α射線、β射線、γ射線。到了20世紀初，人們已確認α射線是氦原子核射束，γ射線是高頻率的電磁波，β射線則是電子射束。

原先大家很自然地以為β射線來自於原子核外的電子，但是由於β射線能量過高，所以高手如居禮夫人與波爾都知道這是不對的想法。進一步追究之後，人們才了解β射線是一種嶄新原子核衰變現象的產物，這種放射β射線的原子核反應便稱為β衰變。

原子核的β衰變大致上就是甲原子核放射出一個電子，轉變成乙原子核。甲原子核的質量數
（即質子與中子數目之和）與乙原子核的質量數相同，但是乙原子核的質子數目卻比甲原子核的質子數目多一，也就是說，β衰變即是原子核內的某個中子轉變成質子，並發射出電子。

例如，鈷60（質子數27）可衰變成鎳60（質子數28）及電子。不過真相還要更複雜一些：
如果β衰變的產物只有乙原子核與電子，則我們可以從能量守恆與動量守恆這兩個定律推論，
射出的電子必須具有固定的能量，然而實驗卻顯示，來自β衰變的電子並沒有固定的能量！

因此包立就推測中子衰變後除了出現質子與電子之外，還會出現一種質量極小的中性粒子，
可以和電子分享一些能量。這樣的想法後來被證實了，而這個中性粒子現在被稱為反微中子。

總之，中子的β衰變是這樣的：中子→質子＋電子＋反微中子，而前面提過的鈷60β衰變則應是：鈷60 →鎳60＋電子＋反微中子。物理學家知道β衰變不能用已知的強力、電磁力、重力去解釋，所以設想出一種全新的交互作用機制來說明β衰變，這種新的交互作用就稱為弱交互作用。

這個名稱的來源是這樣的：β衰變發生的頻率比強交互作用低很多，也就是說β衰變遠比強交互作用更不容易發生。既然作用越強，反應就越易發生，那麼造成β衰變的作用必然遠比強交互作用來得弱，所以我們才稱之為弱交互作用。（除了β衰變，弱交互作用還會導致另外一些類似的衰變，不過那和我們主題無關，在此就不多說了。）好，那麼之前所提弱交互作用的大用處是什麼呢？

答案是如果沒有它，太陽便無法利用核融合發光。太陽所發出的能量來自於太陽內部一連串的核融合反應，這些反應的第一步即是質子和質子的高速碰撞，兩者若極靠近便可藉由弱交互作用轉變成為氘原子核（含一個質子與一個中子），並產生微中子與正子，也就是質子＋質子→氘原子核＋正子＋微中子。只要對照前面中子衰變的反應式，就可知這個反應只是逆β衰變罷了。因此當太陽將大量核融合產生的光送到地球來時，它也同時發射出非常多的微中子來到地球。事實上，每秒鐘就有約50兆個微中子穿過我們每個人身體，但微中子和其他物質的交 互作用極弱，所以我們才會完全不察覺這回事。

由於上述的融合反應起自弱作用，所以進行得很慢──太陽內質子的壽命平均長達約百億年。幸虧如此，太陽才有夠長的壽命，人類也才有機會演化出來。

【本文轉載自科學人2009年第83期2月號】