王淦昌与中微子的早期研究(1)(2)
2013-10-01 01:13
导读：“王淦昌－阿伦实验”是世界上第一个比较确切地验证中微子存在的著名实验。“这个结果不仅证明中微子存在，也证明在核范围内能量和动量都守恒，为
“王淦昌－阿伦实验”是世界上第一个比较确切地验证中微子存在的著名实验。“这个结果不仅证明中微子存在，也证明在核范围内能量和动量都守恒，为费米理论提供了巩固的实验基础。”
诺贝尔奖获得者杨振宁教授对王淦昌１９４２年的这篇论文非常推崇，并与李炳安合作对此进行了深入研究，发表了论文《王淦昌先生与中微子》，他们称赞王淦昌１９４２年的论文：“是一篇极有创造性的文章，在确认中微子存在的物理工作中，此文一语道破了问题的关键。”
近些年，杨振宁教授又多次谈到：
“美国的一位年轻物理学家杰姆斯·阿伦根据王先生的办法进行实验。……不幸的是，他的实验不够精确，结果不清楚，不能得到定论，”［（１９）］“直到１９５２年，戴维斯（R.Davis）终于用Ｂｅ［７］的Ｋ电子俘获实验证实了中微子的存在。可是现在人们提到中微子的存在实验时，往往只有戴维斯的工作，却把王淦昌的原始构想忽略了，所以我和李炳安一起写了这篇文章，以期引起世人的注意。”［（２０）］
杨振宁的这些论述对王淦昌的研究成就给予了高度评价，为恢复历史的本来面目起到了重要作用。但是需要强调说明的是，王淦昌的论文和阿伦实验并非没有而是确已“在当时造成相当的轰动”了，“王淦昌－阿伦实验”被认为通过费米理论，已完全足以证明泡利中微子假说。１９４３年，美国《现代物理评论》将“王淦昌－阿伦实验”列为国际物理学重大成就之一，并用了很长的篇幅专门介绍Ｂｅ［７］的性质、Ｋ俘获的实验方法等。文章指出：“……阿伦的工作看来是有决定意义的。他按照王淦昌和其他人的建议，用Ｂｅ［７］这一轻原子核进行Ｋ电子俘获实验。在这个反应过程中，并不放射出电子，同时也不伴随辐射γ射线和其他射线。阿伦发现反冲能量太强不能归因于Ｘ射线，遗憾的是，这个方法在定量方面相对来说要做大的修正。但由此，关于中微子的问题，可以作出如下结论：虽然单个中微子的探测，也许尚未给出完全确定的结果，但是对实验唯一可能的解释就是中微子的存在，通过费米理论，这已完全足以证明泡利中微子假说。”［（２１）］
（科教作文网http://zw.NSEaC.com编辑发布） 可惜的是，当时正值第二次世界大战最激烈、最残酷的时期，因此这样一个重大的科学突破并未引起物理学界以外的人们的注意，更不可能受到应有的起码的重视与宣传。但有一点已确定无疑，即从此之后，科学家们已不再对中微子的存在表示怀疑，而是进一步研究如何提高实验的精确性，以对中微子有更深入的了解。
在这里值得提到的是，对于已载入史册，且有崇高评价的“王淦昌－阿伦实验”的重大意义，竟然也还有人进行了歪曲。前苏联物理学家柯尔松斯基在他那本著名教科书《原子核》中，用了整整一节专门介绍１９４２年阿伦的Ｂｅ［７］Ｋ电子俘获实验。但他不仅只字未提王淦昌的创见之功，相反却把首先提出这一著名的实验原理的贡献归功于前苏联学者阿里瓦列茨。无独有偶，前苏联的Ｂ．Ｃ．别列津斯基在其著作《中微子》一书中又宣称“苏联物理学家列依蓬斯基在１９３６年首先提出了用实验来记录中微子的设想。而这个实验的实现却是在１９４２年由艾伦在美国完成的。”［（２２）］
对这些自相矛盾的说法毋庸多言，因为阿伦自己论文中明白无误地对王淦昌建议的肯定这一历史事实，胜过一切雄辩！
四、系统的开拓－－王淦昌对中微子的追踪探索（１９４５－１９５０）
１９４６年王淦昌随浙大迁回杭州，继续对探测中微子问题进行研究。１９４７年３月，王淦昌在美国《物理评论》上发表论文《建议探测中微子的几种方法》［（２３）］。文章首先承认阿伦的实验虽得到了肯定的结果，但由于精度有限，还需要进行大的修正。为此，王淦昌又提出三种新的探测中微子的方法：
第一种方法是用从Ｃ［１３］或Ｎ［１４］中得到的Ｂ［１２］，或用从核反应Ｏ［１６］（ｎ，ｐ）中产生的Ｎ［１６］来进行反冲研究从而探测中微子。因为Ｂ［１２］有很大的β辐射能量（１２Ｍｅｖ），而且质量比较小，所以用它探测原子核反冲动量，比克兰和赫尔彭用Ｃｌ［３８］（只有５Ｍｅｖ的β辐射能量）要容易得多，而Ｎ［１６］虽然不如Ｂ［１２］，但却比Ｃｌ［３８］有利。
大学排名 第二种方法是利用Ｎａ［２４］在经过β辐射后能辐射γ射线，发生内部转换而放出ｅ［＇］射线，通过云雾室或ｅ［＇］辐射定向重合计算技术，来探测中微子。
第三种方法是“应用具有Ｋ放射性质的某些物质，如Ｂｅ［７］、Ｃａ［４１］、Ｃｒ［５１］等，这些物质的原子核有一些会在较长寿命的γ辐射后捕获Ｋ电子，……由Ｋ俘获的反冲，两个同分异构体能被分离开来而进行检验。这个分离的成功将清楚地证明中微子的存在”。
此外，王淦昌还讨论了利用介子衰变来探测中微子的存在，…提出：“用云雾室和类似拉塞特（Rasetti）设计的特殊计数器联合进行这样的探测比较合适。”
如果说王淦昌１９４２年的论文是原理性的，提出了Ｋ俘获的方法，那么１９４７年的这篇论文则更明确，更具体，视野与思路更为开阔了。在这篇论文中，他探讨了利用Ｂ［１２］、Ｎ［１６］、Ｎａ［２４］、Ｂｅ［７］、Ｃａ［４１］、Ｃｒ［５１］等的核反冲来探测中微子，这些放射性元素都具有典型性，其中有些不仅在验证中微子的实验中被证明是有用的，而且在后来研究中微子的性质的实验中也被广泛采用。他对介子衰变的研究，在后来中微子的研究中，也被证明是具有远见的。五十年代和七十年代，科学家通过介子衰变的研究，相继发现除电子型中微子外，还存在μ型中微子和π型中微子等，应该说，王淦昌先生的工作，也是功不可没的。
需要特别强调的是，在这篇论文中，王淦昌还预言了用裂变来探测中微子，这是又一个全新的思路。在此之前，人们都只寻找轻的放射性元素，通过观察其反冲来验证中微子的存在，并没有考虑利用重核裂变的可能性问题。王淦昌在这篇论文中首先提出：
“除此以外，某些能连续地释放出很快的β射线的核裂变可能也是有用的。”
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王淦昌的这一观点，具有极强的创造性和科学预见性，深刻地指明了进一步研究中微子的道路和方向。大家知道，中微子是基本粒子家族中唯一的只有弱相互作用，而没有电磁相互作用和强相互作用的基本粒子。实验证明，中微子的平均自由程λ≈４．７×１０［１４］公里，换句话说平均一个中微子要穿过一千万万个地球才会与其内的一个原子核发生一次作用。这使人觉得直接探测中微子是不可能的。因此科学家们以往都认为“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。”但王淦昌的这一观点反过来揭示出，若有一千万万个中微子穿过一个地球时就会发生一次核反应，当我们通过用极快的中微子束，使极多的中微子穿过探测器，就能在较短的探测器中发生核反应而探测出中微子。例如一个装满水的探测器的长度为１０厘米，当有５×１０［１８］个中微子通过该探测器时，就有一个中微子能够在探测器中产生核反应。要产生如此强的中微子束，王淦昌指出可以通过核核裂变的方法来实现。从而使直接探测中微子在理论上成为可能。
１９４７年，王淦昌在《科学世界》上发表了一篇综述文章：《各种基子之发现及其性能》［（１４）］。这是当时国内权威的有关基本粒子的研究论文。文中对质子、中子、正介子、中介子、负介子、正电子、负电子及中微子和尚未发现的反质子全面深入地进行了探讨。还深入论述了反中微子的存在及其性质，指出：“依理论言之，微中子倘果存在，则反微中子亦应存在，其相互关系，恰与负电子与正电子然。惟因彼等皆系中性，其性质遂不如负电子与正电子之可以区别。”
１９５０年，王淦昌在《科学世界》发表论文《微中子问题的现阶段》［（２４）］，这是范旭东先生纪念奖论文，王淦昌更全面、系统地论述了对中微子问题的研究，并肯定中微子与物质间的作用是很弱的。指出：“我们目前的实验方法，尚不能足以测出微中子与一切物质的相互作用。……无论如何υ与物质的作用是很异乎寻常的小，是毫无疑问的。”
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罗德拜克（G.W.Rodeback）和阿伦在１９５２年用气体样品飞行时间做了Ａ［３７］的轨道电子俘获实验：
Ａ［３７］＋ｅ［，ｋ］→Ｃｌ［３７］＋υ占９３％
Ａ［３７］＋ｅ［，Ｌ］→Ｃｌ［３７］＋υ占７％
这个实验在世界上第一次发现单能的反冲核。Ｃｌ［３７］反冲能量的实验值与理论预言研究完全符合。预言Ｃｌ［３７］的飞行速度为０．７１１±０．０４厘米／微秒，测得速度峰值为０．７４厘米／微秒。［（２５）］
在上述实验发表了一个多月之后，戴维斯发表了他的Ｂｅ［７］Ｋ电子俘获实验结果。他测到Ｌｉ［７］的反冲能量为５５．９±１．０ｅｖ，理论预言为５７．３±０．５ｅｖ，实验值与理论值很好相符。［（２６）］
在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯科学实验室。由柯万和雷尼斯领导的物理学家小组，从１９５３年开始利用南加州萨凡河上的一座核反应堆，通过核裂变产生的强中微子束来作粒子源，把它吸收到靶上来验证中微子。此反应堆每秒可产生１０［１８］个反中微子，靶为水中的质子，其反应过程为：拢ｐ→ｎ＋ｅ［＋］
经过五年的努力，１９５６年，他测到最大反中微子的信号率为每小时２．８８±０．２２个反中微子。即每小时俘获３个中微子。雷尼斯和柯万及其合作者测定出如下截面：
Ｏ［ｅｘｐ］＝（１１±４）×１０［＇４４］ｃｍ［２］而理论预期的截面值约为１０×１０［＇４４］ｃｍ［２］，实验结果与理论符合得很好。［（２７）］
１９５６年６月１５日，泡利收到雷尼斯和柯万的电报：“现谨奉告：通过观察质子的逆β衰变，我们已经确定地从裂变碎片中观测到中微子，测得的 截面面积和预期值符合得很好。”泡利当晚高兴地复了电：“得到电，甚感，知道如何等待的人会等到每一事物。泡利。”［（２８）］
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经过实验物理学家长期艰苦、深入的一系列研究，最终确认了中微子的存在。Ａ．Ｃ达维多夫精辟地指出：“基于中微子假设的β衰变理论的成就，以及对于β衰变时核反冲研究的实验结果和中微子在核子上的直接相互作用的实验都给予这个假设以充分的理论根据，因此中微子的存在的现实在今日已不引起任何怀疑。”［（２９）］
王淦昌对验证中微子所做的历史性贡献，是现代中国科学家最早作出的最重要的国际性贡献之一。继１９４３年王淦昌的工作被美国《现代物理评论》称为国际物理学重大进展之一后，１９４７年王淦昌被授予范旭东奖金。第一届范旭东奖金授给了著名化学家、制碱专家候德榜。王淦昌是获此项奖金的第二人，也是最后一人。１９４６年，王淦昌被载入美国所编的百年来科学大事记。竺可桢在１９４９年初的
日记中记着：“据正之（指吴有训－－笔者注）云，近美国［科学促进］协会（American Associaton for the Advancement of Science）出百年来科学大事记，中国人能名列其内者只有彭恒武与王淦昌二人而已。”［（３０）］
参考文献
（１） J.Chadwick,Verh.d.D.Phys.Ges.16,383(1914).
（２） N.Bohr.H.A.Kramers ＆ J.C.Slater,Z.Phys.24,69(1924).
（３） L.M.Brown,Phys.Today,Sept.31(1978),344.
（４） K.C.Wang,Uber dis obere Grenze des Kontinuierlichen β-Strahlsektrums von RaE,Z.f.Physik,74,744(1932).
（５） C.D.Ellis ＆ N.F.Mott,Proc.Roy.Soc.(London),A141,502(1933).
（６） W.J.Henderson,Proc.Roy.Soc.(London),A147,572(1934).
（７） ［英］ 伊·拉卡托斯，《科学研究纲领方法论》，上海译文出版社１９８６年１２月版，第１１４页。
（８） 李炳安，杨振宁，王淦昌先生与中微子，《王淦昌和他的科学贡献》第１２页，科学出版社１９８７年版。 （科教范文网 fw.nseac.com编辑发布）
（９） L.Meitner ＆ K.C.Wang,Naturwissenschaften,119,594(1933).
（１０） 范岱年，丹方，王淦昌先生传略，《王淦昌和他的科学贡献》第２３２页。
（１１） R.S.Shankland,Phys.Rev.49,8(1936).
（１２） P.A.M.Dirac,Nature,137,904(1936).
（１３） N.Bohr,Nature,138,26(1936).
（１４） 王淦昌，各种基子之发现及其性能，《科学世界》１６，２３３－２４０（１９４７）。
（１５） 王淦昌，我在早期的一项研究工作，《科学》４４，１，４６。
（１６） Kan Chang Wang,Phys.Rev.,61(1942),97.
（１７） 许良英教授１９４２年的毕业论文。
（１８） J.S.Allen,Phys.Rev.61,692(1942).
（１９） 杨振宁，几个科学家的故事，《自然杂志》１４，（１）。
（２０） 张奠宙，杨振宁教授谈中国现代科学史研究，《科学》２，８３（１９９１）。
（２１） E.J.Kanopinski,Beta-Decay,Rev.of Mod.Phys.15,4,209-245(1943)。此资料系作者根据许良英先生的回忆线索查得。
（２２） B.C.别列津斯基，《中微子》科学出版社１９８５年版，第９页。
U.N.柯尔松斯基，《原子核》科学出版社１９５９年版，第２１７－２２３页。
（２３） K.C.Wang,Proposed Methods of Detecting the Neutrino,Phys.Rev.,71,645-646(1947).
（２４） 王淦昌，微中子问题的现阶段，《科学世界》１９（４），８９－９４（１９５０）。
（２５） G.W.Rodeback ＆ J.S.Allen,Phys.Rev.86(1952),446.
（２６） R.Davis Jr.,Phys.Rev.86(1952),976.
（２７） F.Reines ＆ G.L.Cown,Science 124(1956),103,Phys.Rev.113(1959),273.
（２８） 杨建邺，《惊讶·思考·突破》，湖北教育出版社１９８９年版，第２３３页。
（２９） Ａ．Ｚ．达维多夫，《原子核理论》，上海科技出版社１９６３年出版。
（３０） 《竺可桢日记》人民出版社１９８４年版，第１１９０页。
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