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王淦昌与中微子的早期研究-【新闻】

发布时间:2021-04-05 16:50:55 阅读: 来源:滴瓶厂家

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”。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)].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。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)]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。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。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。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。“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)]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。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。”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。”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。(历史论文 www.lishixinzhi.com)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:+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)]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。(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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