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王淦昌与中微子的早期研究(1)

2013-10-01 01:13

王淦昌先生是当代中国最杰出的物理学家之一。在长达六十余年的科学研究生涯中，王淦昌先生取得了许多重大的科学成就。五十年代末，他领导的科研小组在世界上首次发现了反西格马负超子，并获得１９８２年国家自然科学一等奖；六十年代，他参加试制原子弹和氢弹的研究和组织工作，是国内外公认的两弹元勋之一，并被称为“中国的奥本海默”；他是我国核物理学和粒子物理学的主要奠基人之一；他和前苏联巴索夫院士同时独立地提出用激光打靶实现核聚变的创议，是我国激光、等离子体物理等领域的开拓者。而在中微子的早期研究方面，王淦昌先生的贡献也是十分突出的，他对β谱和中微子验证的研究是现代物理学的重要成就，早在４０年代初就被载入美国出版的百年来科学大事记，为中华民族赢得了崇高的荣誉。由于种种复杂的历史原因，长期以来，王淦昌的这些成就在物理学史上未得到正确反映，一些专著和教科书有意无意地歪曲了历史事实，以至一些著名的科学哲学家和科学史家也以讹传讹，散布了错误的影响。因此，全面系统地分析、论述王淦昌先生在中微子理论方面的贡献与成就，并给予公正、客观的评价是十分必要的。
　　一、导论－－从“能量和动量守恒定律危机”到“鬼魂粒子”之谜
中微子－Neutrino是自然界中最稳定的少数几种粒子之一，也是基本粒子家族中性质最为奇特的一种粒子，它不带电，没有大小，没有静止质量，没有磁矩，它几乎不与物质发生作用，能以光速在“虚无飘渺”中贯穿地球如入“无物之境”。由于中微子有奇特的性质而极难捉摸，所以科学界称其为“鬼魂粒子”。早期中微子理论的发展，即中微子的发现被公认为“是一件令人兴奋的真正的科学奇谭”。 （科教范文网http://fw.nseac.com）
众所周知，二十世纪初测定射线能谱的研究，相继证实α射线和γ射线的能谱同原子光谱一样呈线状分布。然而对β射线能谱的研究结果，却出乎人们的预料。
１９１４年，英国科学家查得威克（J.Chadwick）最先用计数器和电离室观测到β射线的能谱，并发现其呈连续分布。［（１）］。
当时，量子理论特别是分立能级的观念已深入人心。由于衰变前后的原子核都具有确定的能量，如果β粒子带走全部能量，则β粒子的能量应为确定值。因此连续β谱的发现是当时的理论难以解释的。
１９２４年，玻尔（N.Bohr）、克喇末（H.A.Kramers）和斯莱特（J.C.Slater）发表《辐射的量子理论》，对连续β谱提出了一个惊人的解释：只有放弃单一过程中的守恒定律，“特别是放弃了对经典理论来说那样带有特征性的能量守恒原理和动量守恒原理的直接应用”，代之以“能量和动量的统计守恒”，一个一致的理论才能得到发展［（２）］。这样β衰变的连续能谱的实验结果，就构成对能量和动量守恒定律的严峻挑战。
为了“拯救”能量守恒和动量守恒这些自然科学最基本的定律，泡利（W.Pauli）“孤注一掷”，提出了当时几乎完全不能被接受的“中子”假说：“在原子核中，可能存在中性的，我希望称之为中子的粒子，它的自旋为１／２，并且服从费米－狄拉克统计，但它与光子不同，因为它不以光速传播，它的质量最大的数量级与电子的质量相同，并且在任何情况下，都不大于质子质量的０．０１倍。按这一假设，连续的β谱就可解释为：在β衰变中一个中子和一个电子一起被辐射出来，在此过程中，中子和电子的能量总和是守恒的。”［（３）］
泡利初次提出这个建议只是试探性的，他对自己设想的神秘粒子并非充满信心。１９３０年１２月４日，他在提出上述观点的致蒂宾根（Tubingen）国际物理学会议的“公开信”中谨慎地写道：“我还没有足以自信到发表关于这一想法的任何东西，所以我先信任地谨向您们－－亲爱的放射性研究者们，提出一个问题：如果中子有大约１０倍于γ粒子的穿透能力，那么能否用实验验证确实有中子存在？”［（３）］。

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　　二、精湛的实验－－王淦昌对连续β谱有明晰上限的验证
在泡利提出“中子”假说前不久，即１９３０年秋，王淦昌官费赴德国留学，在柏林大学威廉皇帝化学研究所从师于迈特纳。迈特纳（L.Meitner）是位杰出的犹太裔女物理学家，她和哈恩（O.Hahn）最早开始测定β谱射线能谱。１９１４年查德威克用计数器发现β谱是连续谱后，迈特纳和其他物理学家随即用实验加以确切证实，并首先从理论上进行解释，虽然她的解释后来又被实验否定，但她提出的“量子化的原子核不应当发射具有可变能量的电子”的观点，对泡利有相当影响。泡利１９３０年１２月４日提出“中子”的那封信，正是写给盖革（Hans Geiger）和迈特纳的。而王淦昌正是在导师迈特纳的指导下介入中微子研究的。
１９３１年６月，泡利应邀参加美国物理学会在帕萨迪纳（Pasadena）举行的会议，第一次当众报告了关于β衰变中会出现一种穿透力很强的新的中性粒子的想法。据庞捷科尔沃回忆说，当泡利讲到这里时，费米（E.Fermi）激动地打断泡利的话高声嚷道：“那就叫它中微子吧！”
泡利深知，无论中微子在理论上多么重要，如果这种粒子不能被实验检验，就没有物理意义。但是，由于中微子独特的性质，要验证它，在当时看来，连泡利自己也觉得“似乎不太可能”。经过反复思索，泡利在帕萨迪纳会议提出了一个实验上可以检验的预言：从核里辐射的β粒子和穿透力极强的中微子的能量总和应该有一个明晰的上限。泡利指出：“从经验的观点看，我认为决定性的是电子的β谱是否显示一个明晰的上限”。［（３）］泡利认为如果β谱的上限是明晰的，那么他的关于中微子的设想就是正确的，而玻尔的观点是错误的。因为按照玻尔的看法，β谱将有一个强度逐渐减弱的长尾巴。 （转载自科教范文网http://fw.nseac.com）
不久，在柏林大学的王淦昌按照迈特纳的指导，选取RaE的β谱进行研究。由于这是一项全新的探索，没有现成的实验装备，必须亲自动手制作仪器设备，王淦昌的此项研究是十分艰苦的。
功夫不负苦心人，王淦昌的实验终于获得了重要成果。１９３２年１月，王淦昌在德国《物理学期刊》第７４卷上发表题为《关于RaE的连续β射线谱的上限》的论文［（４）］，在这篇文章中，王淦昌不仅介绍了用自制的计数管测量、研究ＲａＥ辐射的β射线的能谱的结果，并且由于精确地测定了Ｃｕ对ＲａＥ　β辐射的吸收曲线，从而准确地得出：
“ＲａＥ的β谱的上限为：Ｈρ＝５３００；β粒子能量高于Ｈρ＝５０００的数目，最多不超过总数的０．１％。”
王淦昌的这篇论文以精确的实验结果，在物理学史上第一个证实了泡利关于β谱有明晰上限的预言，从而有力地支持了中微子假说。
在王淦昌正式发表论文证实β射线谱有明晰上限之后，英国剑桥大学卡文迪许实验室著名物理学家埃利斯（C.D.Ellis）和莫特（N.F.Mott）在１９３３年发表《β射线类型的放射性衰变中能量关系》［（５）］，也用实验证实β连续谱确有一明晰上限，其能量等于β衰变前后原子核的能量差。
１９３４年，埃利斯的学生亨德森（W.J.Henderson）发表题为《钍Ｃ和Ｃ＂的连续β谱的上限》［（６）］的论文。他通过对钍Ｃ和钍Ｃ＂的实验研究，也证实β谱有一明晰上限。
至此，泡利在１９３１年由中微子假说导出的β谱应有明晰上限的预言被实验完全证实。王淦昌、埃利斯、莫特和亨德森都做出了各自的贡献。而王淦昌的工作，有两点特别突出。其一，王淦昌的实验选取的是国际上关注的更适宜的元素ＲａＥ，它在β衰变时不夹杂γ射线；其二，他实验结果发表的时间比埃利斯和莫特早一年半，比享德森早两年多。应该承认，是王淦昌最早用实验证实了泡利的预言。但遗憾的是，王淦昌的这一科学贡献，却长期被忽视了。美国西南大学物理和天文学教授布朗（L.M.Brown）直到１９７８年１２月在《今日物理》（Pyhsics Today）上撰文，却仍把这一重要科学成就仅仅归功于埃利斯和莫特［（３）］。而英国著名科学哲学家拉卡托斯（Imre Lakatos）在他的名著《科学研究纲领方法论》中也有着类似的失误。他写到：“但按照我们的标准，（一个新的理论－－笔者注）成功地预测某个新颖的事实是必需的。泡利理论也提供了这样的新颖事实，因为泡利理论有一个有趣的可观察的推断：假如没错，β光谱必定有一个清楚的上限。这一问题当时没有定论，但埃利斯和莫特对它发生了兴趣，很快埃利斯的学生亨德森证明实验支持泡利的纲领。”［（７）］ （转载自科教范文网http://fw.nseac.com）
这些错误观点长期以来在科学界广泛流行，以至连对王淦昌十分崇敬的李炳安、杨振宁在《王淦昌先生与中微子》一文中也认为：亨德森于１９３４年发现ＴｈＣ和ＴｈＣ＂β谱的上限确实如泡利所预言的那样是尖锐中断的。”［（８）］
我们不想对一些物理学家、科学史家的明显失误说三道四，也不想贬低埃利斯、莫特和亨德森各自的独特贡献，但却应该还历史以本来面目！
事实上，王淦昌不仅对ＲａＥ的β谱进行了研究，而且对钍的β谱也进行了深入地实验研究。１９３３年７月，迈特纳和王淦昌联名在德国《科学》期刊发表论文《γ射线的内光电效应》，介绍他们用一个小的盖革－弥勒计数器对在磁场中的ＴｈＢ＋Ｃ＋Ｃ＂发出若干β射线进行测量的初步结果［（９）］。１９３３年１２月９日，王淦昌将自己的博士论文《关于ＴｈＢ＋Ｃ＋Ｃ＂的β谱》寄往德国《物理学期刊》，并发表在该刊第８７卷。王淦昌在这篇论文中分析了埃利斯等人所用实验方法的利弊，吸收了他们测量射线强度的基本思想，采用盖革－弥勒计数器在磁场中计数，应用他自己的方法测量了ＴｈＢ＋Ｃ＋Ｃ＂的β谱。他所得结果在强度方面比埃利斯的要精确得多。王淦昌的这一实验结果，对建立β衰变理论有重要意义。据施士元教授回忆，费米（E.Fermi）１９３４年建立β衰变理论时参考了当时有关β谱强度的若干测量数据，王淦昌的工作可能对费米的工作有一定的参考价值。［（１０）］
　　三、历史性的创见－－王淦昌关于用Ｋ电子俘获探测中微子的建议
虽然中微子假说在费米的β衰变理论中占据重要地位，虽然有如β谱上限等实验的间接支持，但是从１９３０年提出中微子概念后很长时间，中微子还从未在实验中被直接观测到。因此不仅中微子疑难依然存在，而且还有重大反复。

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１９３６年香克兰（R.Shankland）在作光子散射的一次新设计实验时发现，实验结果似乎支持已被抛弃的玻尔－克喇末－斯莱特理论。香克兰的《光子散射理论的明显失败》［（１１）］发表后立即受到厌恶新粒子的物理学家们的热烈欢呼。狄拉克也很快发表《能量守恒在原子过程中成立吗？》，以尖锐的措词反对费米和泡利的中微子理论：“中微子这个观察不到的新粒子是某些研究者们专门造出来的，他们试图通过假定有这种应付平衡的不可观察的粒子，从形式上保住能量守恒定律。”［（１２）］
但在玻尔的哥本哈根研究所中，人们立即重复并摒弃了香克兰的实验。玻尔本人也在《自然》上发表《量子理论中的守恒定律》明确指出：“人们可能注意到，关于β射线现象的迅速增加的实验证据，同在费米理论中得以显著发展的泡利中微子假说的推断之间有一种使人得到启发的一致，这在很大程度上排除了在来自原子核的β射线放射问题上严重怀疑守恒定律的严格有效性的根据。”［（１３）］
香克兰的实验虽然被摒弃，但狄拉克等人的诘难使得长期困扰物理学家们的一个最棘手的问题－－即验证中微子的存在，更为急迫。王淦昌一针见血地指出：“保里（即泡利－－笔者注）之假说，与范密（即费米－－笔者注）之理论，固属甚佳。然若无实验证明中微子之存在，则两氏之工作，直似空中楼阁，毫无价值，而β放射之困难仍未解决。”［（１４）］
因此，从１９３４年之后，关于中微子的许多理论和实验都围绕着一个中心问题－－即如何验证中微子的存在。现在，我们知道，这是一个漫长而艰难的历史过程。在当时条件下，要验证中微子－－这种鬼魂粒子是极其困难的。
１９３６年美国物理学家莱彭斯基（Leipunski）做了第一个测量β衰变中原子核反冲的实验。

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１９３８年至１９３９年，美国物理学家克兰（Crane）和赫尔彭（Halpern）先后做了实验，对过程：
Ｃｌ［３８］→Ａ［３８］＋ｅ＋υ中的反冲效应进行研究，他们观察了电子在磁场中的偏转和原子核在云雾室中的射程。
但这些实验都没有测出反冲振动的动量，因此都没能确凿地证实中微子存在。
王淦昌充分认识到实验检验中微子的重大意义，并一直关注着这方面的进展，不断地进行探索。王淦昌于１９３４年４月回国，先在山东大学任教，１９３６年又受聘到浙江大学物理系任教授。不久抗日战争爆发。从１９３７年９月到１９４０年２月，王淦昌与浙大师生一起走建德、过吉安、赴宜山、抵遵义。由于连年跋涉流离，劳累过度，加上营养不良，生活困难，抵达遵义时，他患上了肺结核。但他躺在病榻上，仍以惊人的毅力对中微子问题苦苦思索。
１９９２年元月，王淦昌回忆他发现Ｋ俘获验证中微子的经过时说：“１９４０年初，到了贵州遵义，虽然各方面条件无法和杭州时的浙大相比，但总算有了一个比较安定的数学和研究环境。我集中阅读了近几年有关中微子问题的论文，看到不少物理学家做过这方面的实验，其中有一个实验引起了我的注意，就是１９３９年克兰和赫尔彭对过程
Ｃｌ［３８］→Ａ［３８］＋ｅ＋υ中的反冲效应的研究。他用一个云室测量Ｃｌ［３８］放射出的β射线及反冲原子核的动量和能量，获得了中微子存在的证据，可是，反冲原子核的电离效应很小。我认为他们的方法不是最好。普通β衰变的末态有三体，三种东西分不清楚，很难测出中微子，需要另外的方法来探测中微子。经过反复思考，我想到用Ｋ电子俘获的方法探测中微子。”［（１５）］
王淦昌将他的验证中微子存在的简单方法写成论文《关于探测中微子的一个建议》［（１６）］，于１９４１年１０月１３日寄到美国《物理评论》，并在１９４２年１月发表。
王淦昌在这篇论文中抓住了两个关键问题。
第一提出Ｋ俘获的办法来探测中微子的存在。他指出：
“当一个β［＋］类的放射元素，不是放射一个正电子，而是俘获一个Ｋ层电子时，反应后的元素的反冲能量和动量仅仅依赖于所放射的中微子……。”
这里王淦昌论述的核心，就是把普通β衰变末态的三体变为Ｋ俘获的二体，这就使中微子的探测有了实际的可能。
第二，是对放射源的选择，他建议用铍Ｂｅ［７］的Ｋ电子俘获过程去探测中微子的存在。Ｂｅ［７］的核衰变是特别有意义的。它是最轻元素的放射性同位素中的一个，核的质量愈轻，则它所经受的反冲作用也应该越显著；另外，实验证明，Ｂｅ［７］衰变为Ｌｉ［７］时，既不产生γ射线，也不产生正电子，即Ｂｅ［７］的核都是以Ｋ俘获的方式衰变的。这些特点在有关核的反冲作用实验的实现上，起着重大的作用。显然，王淦昌选用Ｂｅ［７］，其意义不仅仅是技术上和细节上的更动，它把前期核反冲实验推进到“反冲动量存在”的肯定性结论。
非常遗憾的是，由于当时国内根本不具备进行实验的起码条件，王淦昌没能亲自做这个实验，对此，当时王淦昌先生的学生许良英为我们提供了十分珍贵的历史资料，许良英当时是浙大物理系四年级学生，他的毕业论文导师正是王淦昌教授。
１９９２年底，在北京采访许先生时，有幸阅读了他那篇题目是《β衰变和中微子存在问题》的毕业论文。该论文全面地介绍了当时已知的β衰变的各种理论及著名实验，并深入地进行了具体探讨，其引用的英文文献总计７０篇。文章结尾写道：“本文在王师淦昌督导之下完成，愿意在着重分析实验数据和做几个实验的。但因近年国外书报残缺甚多，新的数据无从知悉；又自抗战以后，物资流通不易，加以王师设计之用Ｂｅ［７］俘获Ｋ电子时看反冲动量，以确切检查中微子的实验在国内根本无从着手，所述诸事，均甚感遗憾。”［（１７）］这段写于１９４２年７月２９日的文字，真实地记录了王淦昌把自己探索多年才获得的实验方法寄往国外，由别人去做的原因所在。

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王淦昌的论文发表后，美国物理学家阿伦（J.S.Allen）立即按照王淦昌的建议进行实验，并很快取得肯定结果。两个月后，即１９４２年３月１６日，阿伦把他的题为《一个中微子存在的实验证据》［（１８）］的论文寄到《物理评论》，并在该刊１９４２年６月发表。阿伦在文中一开始就明确指出：
“单个中微子存在的假说对β射线连续谱中自旋和能量守恒是必要的。由于中微子没有电荷，磁矩极小，以及静止质量极小，探测中微子的唯一实验方法就是探测辐射中微子的放射性衰变的反冲核。因为β衰变本身是三体过程，所以为了得到中微子的动量并进而知道它的质量，就必须测量放射出的电子和剩余原子核各自的动量，以及二者的角度。”
“包含一个Ｋ轨道电子的俘获的β衰变过程，提供了另一探测中微子的可能方法。Ｂｅ［７］的衰变是这种过程的最佳例子。王淦昌最近建议用这种物质来进行探测单个中微子的实验”。
“因为Ｂｅ［７］衰变很简单，没有放射出电子，所以如果观察反冲核，则它应完全取决于放出的中微子。故只需测量反冲的Ｌｉ［７］核的动量－－尽管这是困难的－－就可知道放射的中微子带走了多少能量和动量。假设中微子的静止质量为０，则Ｌｉ［７］反冲的最大能量为５８ｅＶ。而放出０．４５Ｍｅｖγ射线的另一过程应有最大能量为１５．６ｅＶ”。
“由于反冲的能量如此之小，这种实验证明必须在真空中进行，并且需要一优质的光电倍增管来探测这一很慢的反冲原子核。”
显然，阿伦正是根据王淦昌提出的原理进行实验的。阿伦实验表明：
（１）Ｂｅ［７］核在Ｋ俘获后没有放出别的带电质点；
（２）Ｌｉ［７］核反冲能量预期值为５８ｅＶ，实验测得为四十几电子伏。
尽管由于阿伦用的样品较厚和孔径效应，没有观察到单能的Ｌｉ［７］反冲。但实验结果说明，在Ｂｅ［７］以Ｋ俘获的途径衰变为Ｌｉ［７］的过程中，Ｂｅ［７］的核是受到反冲作用的。很显然，相应于这种反冲作用的能量，必会被某种粒子所携走。

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