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)