中微子的存在是用数学中的“归谬法”反推出来的。这个激动人心的成就并非始于人们发现了什么东西，而是我们发现某些物理过程中少了一些东西。这些“少了的东西”就是能量。根据一条最古老、最无可动摇的物理定理，能量既不能被创造，也不能被摧毁；既然我们发现本应存在的能量少了一部分，那么必然有一个（或者一群）小偷把它偷走了。思维严谨的科学侦探热爱给事物起名字，所以他们将这些能量小偷命名为“中微子”，虽然他们连这家伙的影子都还没看到！

不过这都是后面的事了，我们还是先来看眼前的“能量大劫案”：如前所述，每个原子的原子核都由核子组成，大约一半核子是电中性的（中子），其余的携带正电荷。如果加入几个多余的中子或质子，打破原子核内质子和中子的相对数量比[68]，原子核携带的电荷必然做出相应的调整。要是原子核内的中子过多，那么部分中子会向外释放一个负电子，从而变成质子；如果多的是质子，那么部分质子会释放一个正电子，变成中子。这两种过程如图60所示。原子核调整电荷的过程通常被称为“β衰变”。这个过程释放的电子叫作β粒子。原子核的内部转化遵循严格的过程，它向外释放的电子必然携带一定量的能量，所以我们顺理成章地认为，同一种物质释放的β电子运动速度必然完全相同。但是我们实际观察到的β衰变却完全不是这样。事实上，人们发现，同一种物质释放的β电子携带的能量各不相同，它可以是零到某个确定上限之间的任何值。由于我们没有发现其他粒子或射线，所以β衰变中的“能量失窃案”就成了一个严重的问题。

人们一度相信，这是能量守恒定律失效的第一个实验证据，如果真是这样的话，结构精妙的物理大厦必将迎来一场浩劫。但还有一种可能性：也许缺失的那部分能量其实是被一种新的粒子带走了，这种神秘的粒子逃过了我们的所有观测手段。泡利（Pauli）提出，这种窃取核能量的“巴格达大盗”[69]可能是一种名叫中微子的假想粒子，它不携带电荷，质量小于普通电子。事实上，根据高速粒子与物质相互作用的已知事实，我们可以得出结论，现有的任何物理装置都无法探测到这种不带电的轻粒子，它能够轻而易举地穿透任何物质。要阻挡可见光，一层薄薄的金属膜足以胜任；对于穿透力更强的X射线和γ射线来说，几英寸厚的铅能够显著降低它们的强度；但中微子束却能轻松穿过几光年厚的铅层！难怪我们无论如何都观察不到中微子，但这种粒子的逃逸造成的能量赤字却泄露了它的行踪。

不过，尽管我们无法探测离开原子核的中微子，但科学家想出了一个办法来研究中微子的逃逸带来的次级影响。如果你扣动步枪的扳机，枪托会对你的肩膀产生后坐力；沉重的炮弹离开炮膛以后，炮身也会向后滑动；以此类推，高速粒子离开原子核时应该也会产生类似的后坐效应。事实上，观测结果表明，发生β衰变的原子核总会获得一个与其释放的电子方向相反的速度。除此以外，科学家还发现，无论衰变产生的电子速度是快是慢，原子核获得的反冲速度总是恒定不变（图61）。这看起来十分奇怪，因为我们很自然地认为，速度快的子弹产生的反冲力肯定大于速度慢的。之所以会出现这种奇怪的现象，是因为除了电子以外，原子核还向外释放了一个中微子，它就是造成能量赤字的罪魁祸首。高速电子会带走大部分能量，相应的中微子速度就比较慢，反之亦然，所以我们看到，原子核获得的反冲速度恒定，因为这是两种粒子共同产生的影响。如果这种效应还不足以证明中微子的存在，那我们就真的束手无策了！[70]

现在我们可以总结一下构成宇宙的基本粒子到底有哪些，它们之间又有什么关系。

首先是核子，它代表基本的物质粒子。据我们目前所知，核子要么是电中性的，要么带正电，但也可能存在带负电的核子。

然后是电子，它代表自由的正负电荷。

接下来是神秘的中微子，它不带电，而且比电子轻得多。[71]

最后是电磁波，空间中的电磁力借助电磁波传播。

物理世界里的这些基本部件相互依赖，以各种方式结合在一起。因此，中子可以释放一个负电子和一个中微子，变成一个质子（中子→质子+负电子+中微子）；质子也可以释放一个正电子和一个中微子，重新变成一个中子（质子→中子+正电子+中微子）。两个电性相反的电子可以转化成电磁辐射（正电子+负电子→辐射），反过来说，辐射也能创造一对电子（辐射→正电子+负电子）。最后，中微子能与电子结合，形成我们在宇宙射线中观察到的不稳定的介子，它还有一个不太恰当的名字，“重电子”（中微子+正电子→正介子；中微子+负电子→负介子；中微子+正电子+负电子→中性介子）。

中微子和电子的结合体携带大量内能，所以它的质量大约是两种粒子质量之和的100倍。

“不过这就算结束了吗？”你或许会问，“我们凭什么宣称核子、电子和中微子就是真正的基本粒子，无法再分割成更小的组件？要知道，仅仅半个世纪以前，我们还以为原子不能再分割了呢！瞧瞧今天的原子结构有多复杂！”我们当然无法预测物理学未来的发展，不过现在，我们有充分的理由相信，核子、电子和中微子就是真正的基本粒子，它们无法进一步分割。因为从化学、光学和其他角度来看，曾经被认为不可分割的原子性质相当复杂，而且各不相同，但现代物理学的基本粒子性质非常简单；事实上，它们和几何意义上的点一样简单。此外，经典物理学中“不可分割的原子”种类繁多，但现在我们只有三种基本粒子：核子、电子和中微子。尽管科学家付出了极大的努力，试图揭示万物最简单的本质，但他们终究不能化有为无。因此，我们对物质基本元素的探索之路似乎真的走到了尽头。[72]