一、簡(jiǎn)介
作為20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的里程碑，關(guān)于電子無窮海的狄拉克理論現(xiàn)在已被普遍認(rèn)為是粒子物理基礎(chǔ)的不可分割的一部分。然而它曾有過一段難以被人們接受的時(shí)期。是1932年正電子的發(fā)現(xiàn)，以及隨后對(duì)于電子對(duì)產(chǎn)生和湮滅過程的理解，最終扭轉(zhuǎn)了對(duì)它不信任的潮流。
事實(shí)上，在比1932年更早幾年的時(shí)候，電子對(duì)產(chǎn)生和湮滅的過程已從實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)了，但未能從理論上得到理解，這些早期發(fā)現(xiàn)的報(bào)道在如下文章中：
（a）在1930年5月，由三組物理學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)表的文章。這三組物理學(xué)家是英國(guó)劍橋的塔倫特，柏林一達(dá)赫萊姆的梅特納和赫布菲爾德，以及帕薩丹那的趙忠堯。這些文章都敘述了發(fā)現(xiàn)Thc”2.65MeV γ射線被重元素“反常吸收”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
（b）趙在1930年底發(fā)表的關(guān)于他的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的文章。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)了Thc” γ射線在鉛上的“附加散射線”。
現(xiàn)在回顧來看，文章（a）是代表著首次觀察到電子對(duì)產(chǎn)生的過程。而文章（b）是首次觀察到電子對(duì)湮滅的過程。在隨后的兩年，即1931-1932年，反常吸收和附加散射線吸引著理論物理學(xué)家極大的注意，并激發(fā)著重要的進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，為了評(píng)估趙的文章的作用，我們?cè)谶@里引述C.D.安德遜在1983年的一篇文章里寫的一段文字：
“我在加州理工學(xué)院做研究生論文的工作是用威爾遜云室研究X射線在各種不同氣體里產(chǎn)生的光電子的空間分布。在我做這項(xiàng)工作的1927-1930年間，趙忠堯博士就在我隔壁的屋子里工作。他是用驗(yàn)電器測(cè)量Thc”產(chǎn)生的γ射線的吸收和散射。他的發(fā)現(xiàn)引起我很大的興趣。當(dāng)時(shí)人們普遍相信，來自Thc”的2.6Mev的“高能” γ射線的吸收，絕大多數(shù)應(yīng)是按照克菜因-仁科公式表達(dá)的康普頓碰撞。但趙博士的結(jié)果清楚地表明，這種吸收和散射顯著地大于克萊因-仁科公式的計(jì)算。由于驗(yàn)電器很難給出細(xì)致的信息，所以他的實(shí)驗(yàn)不可能對(duì)上述反常效應(yīng)做出深入的解釋。我建議的實(shí)驗(yàn)是利用工作在磁場(chǎng)中的云霧室來研究Thc”γ射線與物質(zhì)的作用，即觀察插入云霧室中的薄鉛板上產(chǎn)生的次級(jí)電子，來測(cè)量它們的能量分布。從而研究和了解在趙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還反映著哪些更深刻的意義”。
另外，哈雅卡華在一篇文章里引述了他與奧恰里尼在1980年的談話，其中說：
“奧恰里尼高度評(píng)價(jià)趙的成就，并說明趙關(guān)于Thc”γ射線反常吸收的工作是如何激發(fā)了他們遠(yuǎn)在英國(guó)進(jìn)行的有關(guān)研究”。
看來在80年代的今天，安德遜和奧恰里尼都強(qiáng)調(diào)，早在30年代趙的工作確實(shí)激發(fā)了他們所完成的革命性的研究。這一研究轉(zhuǎn)而導(dǎo)致物理學(xué)家對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)的理解。而他們并沒有提及當(dāng)時(shí)與之相關(guān)的趙的競(jìng)爭(zhēng)者的工作。
在本文中，我們追溯1930年發(fā)現(xiàn)反常吸收和附加散射線的歷史。研究趙在其中做出的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，以及他的工作對(duì)于以后布萊克特和奧恰里尼關(guān)于電子對(duì)湮滅的假設(shè)具有多么重要的意義。
二、背景
在物理學(xué)中許多重要的事情發(fā)生在1930年前后，這是一個(gè)極其活躍、激動(dòng)人心，而又令人迷惑的時(shí)期。
在這些迷惑與不解之中，很大一個(gè)問題是電子和質(zhì)子究竟是否是核的組成。由于在當(dāng)時(shí)僅有這兩種已知的基本粒子（不包括光子），因此人們自然地假定核是由它們構(gòu)成的。然而這一假定面臨著許多嚴(yán)重困難，另一個(gè)謎團(tuán)來自b衰變譜似為連續(xù)的觀察結(jié)果，而這一點(diǎn)甚至曾使玻爾和其他人以為在b衰變中能量是不守恒的。
而在理論的范疇中，狄拉克方程和空穴理論也還苦于缺少一種本質(zhì)的要素，而遭到大多數(shù)權(quán)威物理學(xué)家的反對(duì)。當(dāng)然任何人都不能不承認(rèn)狄拉克解釋電子自旋和磁矩的輝煌成就。它出自于完全的獨(dú)創(chuàng)性和簡(jiǎn)捷的數(shù)學(xué)方法。但是負(fù)電子海仍被普遍認(rèn)定是有缺欠的，泡利曾說：
“任何有這種缺欠的理論只能與偶然的驗(yàn)證相一致?！?/FONT>
針對(duì)這種背景，從實(shí)驗(yàn)上研究象康普頓散射這樣的涉及電子的散射過程并驗(yàn)證理論計(jì)算是很有意義的。當(dāng)時(shí)有三個(gè)不同的公式描述康普頓散射：
（a）康普頓公式：
康普頓修改J．J．湯姆遜的經(jīng)典理論來計(jì)算波長(zhǎng)位移和反沖效應(yīng)。他得到如下的截面公式：
（1）
其中 
，這不同于湯姆遜的結(jié)果?？灯疹D的理論還在另一方面不同于J．J.湯姆遜的經(jīng)典理論：對(duì)于硬γ射線，出射波集中于向前的方向。從量子理論的觀點(diǎn)來看，正如康普頓自己所指出的那樣，他的公式在理論上是不正確的。
（b）狄拉克和高登公式：
狄拉克和高登從量子力學(xué)出發(fā)，使用不同方法推出了相同的公式：
（2）
這里沒有考慮自旋。
（c）克萊因-仁科公式：
（3）
這公式是把狄拉克相對(duì)論波函數(shù)移植到經(jīng)典輻射理論推導(dǎo)出來的。在狄拉克空穴理論之后，狄拉克和華勒表述出，在空穴理論中一個(gè)正確的二階微擾計(jì)算正好給出和克菜因-仁科公式相同的結(jié)果。
公式（1）（2）（3）在低能界內(nèi)相同，而在高能即硬γ射線區(qū)域則變得不同。所以在1929-1930年間，為了檢驗(yàn)和區(qū)別這些理論，帕薩丹那的趙、英國(guó)劍橋的塔倫特和柏林一達(dá)赫萊姆的梅特納和赫布菲爾德做了上述三個(gè)測(cè)量硬γ射線吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)。
三、反常吸收
趙忠堯，1902年生于中國(guó)浙江省，1925年畢業(yè)于東南大學(xué)化學(xué)系后，擔(dān)任清華大學(xué)葉企蓀先生的助教，1927年夏趙來到美國(guó)加州理工學(xué)院成為R.A.密立根的一名研究生，密立根叫趙測(cè)量硬γ射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)以檢驗(yàn)克萊因?qū)?仁科公式（3）。據(jù)趙本人在1986年回憶說，密立根最初曾經(jīng)是傾向于相信公式（2）而不是克萊因-仁科公式（3）會(huì)與宇宙線數(shù)據(jù)一致。
1929年將近年底的時(shí)候趙完成了實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)對(duì)于輕元素來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合克萊因-仁科公式，而對(duì)于重元素例如鉛，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收系數(shù)值大于公式給定值。密立根起初不相信趙的結(jié)果，因而趙的文章被拖延了數(shù)月沒有拿出去發(fā)表。幸而鮑文教授知道趙的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，他使密立根確信趙的實(shí)驗(yàn)是可靠的，并建議盡快將其文章送出去發(fā)表。該文送稿的日期為1930年5月15日。在此之前二周，1930年4月29日，趙的結(jié)果宣讀于美國(guó)國(guó)家科學(xué)院。
塔倫特和梅特納和赫布菲爾德也獨(dú)立地獲得與趙相同的主要結(jié)果，但在細(xì)節(jié)上有些不同：
（a）在塔倫特的實(shí)驗(yàn)中，吸收系數(shù)對(duì)介質(zhì)原子序數(shù)的依賴是不規(guī)則的。而在梅特納和赫布菲爾德的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，更有一個(gè)“跳躍”，這些都導(dǎo)致疑議，而與此相反的是，趙的結(jié)果非常平滑，是完全可信，不容置疑的。
（b）所用的探測(cè)器很不相同。據(jù)趙在1986年所說，他用的探測(cè)器是25個(gè)大氣壓下的氣壓電離室和真空靜電計(jì)，它們是更為可靠的儀器。
所有這三個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的硬γ射線在重元素上的附加吸收，被稱為“反常吸收”或曰“梅特納-赫布菲爾德效應(yīng)”。后一種說法源于梅特納和赫布菲爾德的朋友。所有這三篇發(fā)表的文章也都推測(cè)反常吸收是由于某種未知的核效應(yīng)引起的。
四、“附加散射線”
為了更多地了解輻射在物質(zhì)上的吸收機(jī)制，在緊接著第一個(gè)實(shí)驗(yàn)之后，趙開始進(jìn)行又一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)來研究散射輻射的強(qiáng)度和角分布。這是一個(gè)困難的實(shí)驗(yàn)。原因在于散射輻射比背景更弱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于1930年。在這以后一年，其他實(shí)驗(yàn)組才開始致力于研究散射輻射；這些后來的工作做得不漂亮且沒有結(jié)果，它們引起更多的爭(zhēng)議，分散理論家的注意，因而很不幸地減小了趙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響力，我們將在后面第六節(jié)里重述這些要點(diǎn)。
趙在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：
（a）伴隨反常吸收，存在著一種硬散射之外的附加散射輻射。
（b）這種附加散射輻射實(shí)質(zhì)是各向同性的。
（c）測(cè)得這種附加散射輻射的波長(zhǎng)為22X.U即相當(dāng)于0.5MeV的光量子。
趙得出的所有上述結(jié)論都是非常驚人地恰好正確，他實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電子對(duì)湮滅！在過程 
（4）中，每個(gè)光子帶走約0.5MeV的能量，而這正是趙所發(fā)現(xiàn)的。然而在當(dāng)時(shí)，以及直到那以后很久都沒有人理解其理論上的意義。這一點(diǎn)我們將在下一節(jié)討論。
五、解釋
從1930年中直到1933年初，在二年半的時(shí)間里，有三個(gè)課題擺在物理學(xué)界面前，按照后來的理解，它們包含量子電動(dòng)力學(xué)（QED）的所有方面：
反常吸收
附加散射線
狄拉克電子論
關(guān)于狄拉克理論的深入討論包括奧本海默、泰姆和狄拉克對(duì)于湮滅過程(4)截面的計(jì)算。但是這些作者中沒有一個(gè)人把這一過程和趙的附加散射輻射聯(lián)系起來.(其原因很可能是在于當(dāng)時(shí)核物理處于非?；煜臓顟B(tài),于是很自然地趙的結(jié)果和反常吸收這二種陌生的現(xiàn)象都被認(rèn)為是核現(xiàn)象了)。
在這一時(shí)期我們找不到任何關(guān)于附加散射輻射的理論文章。(從下面的第六節(jié)可以看出，到1933年，用電子對(duì)的湮滅和產(chǎn)生來表述的最終解釋是如何地基于附加散射輻射而不是反常散射)。
對(duì)于反常吸收，當(dāng)時(shí)有很多理論討論。奧本海默試圖構(gòu)想其來源于光電效應(yīng)，但這將導(dǎo)致結(jié)論說QED是錯(cuò)誤的。在當(dāng)時(shí)這是一個(gè)很流行的題目。海德堡和卡蒙則推測(cè)這是由于某些核過程引起的。
這些理論工作都未能獲得重大的進(jìn)展。直到安德遜于1932年9月發(fā)現(xiàn)了正電子。幾個(gè)月以后，布萊克特和奧恰里尼用絕妙的觸發(fā)云室又得到了更多的正電子。這時(shí)候,關(guān)于正電子穿過物質(zhì)時(shí)的性質(zhì)這樣一個(gè)問題才被提出來了。它將布萊克特和奧恰里尼引導(dǎo)到狄拉克早些時(shí)候關(guān)于湮滅過程(4)的計(jì)算。以及得出這樣一個(gè)推論：趙的附加散射線其實(shí)是湮滅過程的結(jié)果。
布萊克特和奧恰里尼還推測(cè)正電子產(chǎn)生于對(duì)生成的過程，但他們沒有得出在重核庫侖場(chǎng)中QED對(duì)生成過程的正確概念。而就在數(shù)月之后，奧本海默和普拉賽特按照狄拉克理論即QED產(chǎn)生和發(fā)展了這一概念。他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果與早時(shí)關(guān)于反常吸收的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相一致。而且安德遜在云室中也觀察到了光子生成的電子對(duì)。
1933年之后，隨著所有上述問題的澄清，QED進(jìn)入了在所有應(yīng)用方面都取得巨大成功的鼎盛時(shí)期。唯一留下來令人不安的事情只是發(fā)散問題了。
六、趙的決定性數(shù)值0.5MeV
布萊克特和奧恰里尼的文章具有重大的影響，這不僅因?yàn)樗麄儓?bào)道了許多新發(fā)現(xiàn)的正電子事例，而且因?yàn)樗麄兘忉尦龇闯Ｎ蘸透郊由⑸渚€是分別由對(duì)生成和對(duì)湮滅引起的，這就導(dǎo)致了物理學(xué)家關(guān)于狄拉克理論是否正確這一概念上的大翻身，關(guān)于這一點(diǎn)，在文章中最為關(guān)鍵的段落是：
也許g輻射被重核的反常吸收*是與正電子的形成及其在再次輻射中的消失相聯(lián)系的。在事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種再次發(fā)射的輻射具有與預(yù)期湮滅譜相同量級(jí)的能量。（A）
格雷和塔倫特，‘Proc.Roy.Soc’A卷136，第662頁（1932）。
梅特納和赫布菲爾德，‘Naturwiss．’第19卷第775頁（1931）。
趙，‘Phys.Rev.’‘物理評(píng)論’第36卷第1519頁（1931） （B）。
段落（A）是偉大的物理。注腳（B）是疏忽的歷史。特別是這個(gè)注腳對(duì)趙忠堯太不公平了。它包含二個(gè)印刷上或者是粗心造成的錯(cuò)誤。
（i）趙在物理評(píng)論上的文章發(fā)表于1930年而不是1931年。它領(lǐng)先于其他二篇文章1或2年。
（ii）盡管文內(nèi)的星號(hào)是打在“反常吸收”之上，但所有這三篇引述的文章都是關(guān)于附加散射線，而不是關(guān)于反常吸收的。
更重要的是，布萊克特和奧恰里尼的論據(jù)其實(shí)是在于趙一個(gè)人的文章，正如我們現(xiàn)在所要表明的，這一事實(shí)是被這樣一個(gè)不加分辨的注腳給弄模糊了。
布萊克特和奧恰里尼是在他們名為“正電子假設(shè)”的文章里的某一節(jié)中推出上面引述的偉大假想（A）。這一節(jié)開始提出為什么正電子“至今逃避觀察”，然后說：“顯然它們作為自由粒子，只有有限的壽命。因?yàn)樗鼈冊(cè)谡l件下不表現(xiàn)出與物質(zhì)的結(jié)合……似乎……它們好象是與負(fù)電子發(fā)生反應(yīng)形成2個(gè)或更多的量子然后消失的”。
他們繼續(xù)說到這種消失機(jī)制是由狄拉克電子論直接給定的，而且他們?cè)偷依苏勥^。后者曾把自己那篇1930年的關(guān)于給出湮滅截面的文章給他們看。
布萊克特和奧恰里尼然后結(jié)論說，狄拉克理論這樣估計(jì)正電子的壽命：“以在云霧室觀察正電子而言，它的壽命是足夠長(zhǎng)了。但要解釋為什么用其他方法發(fā)現(xiàn)不了它，又只能說它的壽命還太短”。接下來他們又說到，盡管如此，要觀察到這一湮滅過程，還是有可能的。因?yàn)樗l(fā)一個(gè)峰位在于0.5MeV的光量子譜，然后就是引文（A）。
這整個(gè)一系列推論反映著宏大的物理思想。它們也表明布菜克特和奧恰里尼的立論焦點(diǎn)是在于湮滅過程，這一過程是以其引發(fā)一個(gè)“附加散射線”而被確認(rèn)的。而這種確認(rèn)的能力又集中在于這樣一個(gè)事實(shí)，即湮滅輻射譜峰值為0.5MeV（見上文）。這一點(diǎn)與引文（A）所說“實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)”的內(nèi)容是一致的，由此可見，實(shí)驗(yàn)證明附加散射線的能量為大約0.5MeV這是他們立論的決定性根據(jù)。
由于某種原因，布萊克特和奧恰里尼沒有提及，在他們上面的引述（B）所提及的三篇文章里（這三篇文章都是關(guān)于附加散射線的），只有趙的文章給出了正確的決定性的數(shù)值0.5MeV，梅特納和赫布菲爾德1931年的文章比趙晚了一年，而且根本沒有找到附加射線。格雷和塔倫特1932年的文章比趙晚了二年，在大約0.47MeV處找到了附加散射射線，可又同時(shí)找到一個(gè)大約0.92MeV的分量，這是十分令人混淆的。而且甚至直到后來在他們1934年的文章中還仍然存在。
人們也許會(huì)想到這樣的問題，為什么布菜克特和奧恰里尼的文章對(duì)1930年的三篇關(guān)于反常吸收的文章完全不加引述（這些文章曾比附加散射線引起更多的注意。因?yàn)樗禽^早的發(fā)現(xiàn)，而且是基于難度較小的實(shí)驗(yàn)，見第五節(jié)）。對(duì)這個(gè)問題的回答是布萊克特和奧恰里尼立論的焦點(diǎn)不在于此，而在于湮滅過程，進(jìn)一步說布萊克特和奧恰里尼并沒有象在庫侖場(chǎng)的情況那樣釘住對(duì)生成的機(jī)制，這一工作是后來由奧本海默和普拉賽特從理論上進(jìn)行的。
綜觀對(duì)生成和對(duì)湮滅的發(fā)現(xiàn)歷史，我們深深地被趙的實(shí)驗(yàn)所感觸，這些實(shí)驗(yàn)探索到了重要的問題，趙的競(jìng)爭(zhēng)者們?cè)诜闯Ｎ蘸透郊由⑸渚€這二個(gè)實(shí)驗(yàn)中都曾陷入失誤。這一事實(shí)又證實(shí)了這些實(shí)驗(yàn)是很難做的，它們具有簡(jiǎn)捷的經(jīng)典色彩，具有經(jīng)得住時(shí)間考驗(yàn)的可靠性。不幸的是由于布萊克特和奧恰里尼在文章中疏忽的引證，以及由于其他實(shí)驗(yàn)造成的混淆和爭(zhēng)議，趙的文章沒有獲得其本應(yīng)充分獲得的評(píng)價(jià)。（繼堯譯自《現(xiàn)代物理國(guó)際通訊《A》，第4卷17期4325一4335頁）
附件下載：
