一、簡介
作為20世紀物理學(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期。是1932年正電子的發(fā)現(xiàn)，以及隨后對于電子對產(chǎn)生和湮滅過程的理解，最終扭轉(zhuǎn)了對它不信任的潮流。
事實上，在比1932年更早幾年的時候，電子對產(chǎn)生和湮滅的過程已從實驗上被發(fā)現(xiàn)了，但未能從理論上得到理解，這些早期發(fā)現(xiàn)的報道在如下文章中：
（a）在1930年5月，由三組物理學(xué)家分別獨立發(fā)表的文章。這三組物理學(xué)家是英國劍橋的塔倫特，柏林一達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”的實驗現(xiàn)象。
（b）趙在1930年底發(fā)表的關(guān)于他的另一個實驗的文章。在這個實驗中，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產(chǎn)生的過程。而文章（b）是首次觀察到電子對湮滅的過程。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)著重要的進一步的實驗研究，為了評估趙的文章的作用，我們在這里引述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。他是用驗電器測量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-仁科公式的計算。由于驗電器很難給出細致的信息，所以他的實驗不可能對上述反常效應(yīng)做出深入的解釋。我建議的實驗是利用工作在磁場中的云霧室來研究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)生的次級電子，來測量它們的能量分布。從而研究和了解在趙的實驗結(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：
“奧恰里尼高度評價趙的成就，并說明趙關(guān)于Thc”γ射線反常吸收的工作是如何激發(fā)了他們遠在英國進行的有關(guān)研究”。
看來在80年代的今天，安德遜和奧恰里尼都強調(diào)，早在30年代趙的工作確實激發(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)家對量子電動力學(xué)的理解。而他們并沒有提及當(dāng)時與之相關(guān)的趙的競爭者的工作。
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質(zhì)貢獻，以及他的工作對于以后布萊克特和奧恰里尼關(guān)于電子對湮滅的假設(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，這是一個極其活躍、激動人心，而又令人迷惑的時期。
在這些迷惑與不解之中，很大一個問題是電子和質(zhì)子究竟是否是核的組成。由于在當(dāng)時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重困難，另一個謎團來自b衰變譜似為連續(xù)的觀察結(jié)果，而這一點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。當(dāng)然任何人都不能不承認狄拉克解釋電子自旋和磁矩的輝煌成就。它出自于完全的獨創(chuàng)性和簡捷的數(shù)學(xué)方法。但是負電子海仍被普遍認定是有缺欠的，泡利曾說：
“任何有這種缺欠的理論只能與偶然的驗證相一致?！?/FONT>
針對這種背景，從實驗上研究象康普頓散射這樣的涉及電子的散射過程并驗證理論計算是很有意義的。當(dāng)時有三個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)典理論來計算波長位移和反沖效應(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：對于硬γ射線，出射波集中于向前的方向。從量子理論的觀點來看，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，在空穴理論中一個正確的二階微擾計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，為了檢驗和區(qū)別這些理論，帕薩丹那的趙、英國劍橋的塔倫特和柏林一達赫萊姆的梅特納和赫布菲爾德做了上述三個測量硬γ射線吸收系數(shù)的實驗。
三、反常吸收
趙忠堯，1902年生于中國浙江省，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，密立根叫趙測量硬γ射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)以檢驗克萊因?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）會與宇宙線數(shù)據(jù)一致。
1929年將近年底的時候趙完成了實驗。他發(fā)現(xiàn)對于輕元素來說，實驗結(jié)果符合克萊因-仁科公式，而對于重元素例如鉛，實驗測得的吸收系數(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驗細節(jié)，他使密立根確信趙的實驗是可靠的，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)果宣讀于美國國家科學(xué)院。
塔倫特和梅特納和赫布菲爾德也獨立地獲得與趙相同的主要結(jié)果，但在細節(jié)上有些不同：
（a）在塔倫特的實驗中，吸收系數(shù)對介質(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驗結(jié)果中，更有一個“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）所用的探測器很不相同。據(jù)趙在1986年所說，他用的探測器是25個大氣壓下的氣壓電離室和真空靜電計，它們是更為可靠的儀器。
所有這三個實驗發(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)上的吸收機制，在緊接著第一個實驗之后，趙開始進行又一個新的實驗來研究散射輻射的強度和角分布。這是一個困難的實驗。原因在于散射輻射比背景更弱，實驗結(jié)果發(fā)表于1930年。在這以后一年，其他實驗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，它們引起更多的爭議，分散理論家的注意，因而很不幸地減小了趙的實驗結(jié)果的影響力，我們將在后面第六節(jié)里重述這些要點。
趙在第二個實驗中發(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質(zhì)是各向同性的。
（c）測得這種附加散射輻射的波長為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，他實際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電子對湮滅！在過程 
（4）中，每個光子帶走約0.5MeV的能量，而這正是趙所發(fā)現(xiàn)的。然而在當(dāng)時，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，在二年半的時間里，有三個課題擺在物理學(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、泰姆和狄拉克對于湮滅過程(4)截面的計算。但是這些作者中沒有一個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)象都被認為是核現(xiàn)象了)。
在這一時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)。
對于反常吸收，當(dāng)時有很多理論討論。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是錯誤的。在當(dāng)時這是一個很流行的題目。海德堡和卡蒙則推測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展。直到安德遜于1932年9月發(fā)現(xiàn)了正電子。幾個月以后，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。這時候,關(guān)于正電子穿過物質(zhì)時的性質(zhì)這樣一個問題才被提出來了。它將布萊克特和奧恰里尼引導(dǎo)到狄拉克早些時候關(guān)于湮滅過程(4)的計算。以及得出這樣一個推論：趙的附加散射線其實是湮滅過程的結(jié)果。
布萊克特和奧恰里尼還推測正電子產(chǎn)生于對生成的過程，但他們沒有得出在重核庫侖場中QED對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)這個結(jié)果與早時關(guān)于反常吸收的實驗發(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。
1933年之后，隨著所有上述問題的澄清，QED進入了在所有應(yīng)用方面都取得巨大成功的鼎盛時期。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，這不僅因為他們報道了許多新發(fā)現(xiàn)的正電子事例，而且因為他們解釋出反常吸收和附加散射線是分別由對生成和對湮滅引起的，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，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。在事實上，實驗發(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。特別是這個注腳對趙忠堯太不公平了。它包含二個印刷上或者是粗心造成的錯誤。
（i）趙在物理評論上的文章發(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)其實是在于趙一個人的文章，正如我們現(xiàn)在所要表明的，這一事實是被這樣一個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。因為它們在正常條件下不表現(xiàn)出與物質(zhì)的結(jié)合……似乎……它們好象是與負電子發(fā)生反應(yīng)形成2個或更多的量子然后消失的”。
他們繼續(xù)說到這種消失機制是由狄拉克電子論直接給定的，而且他們曾和狄拉克談過。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。因為它引發(fā)一個峰位在于0.5MeV的光量子譜，然后就是引文（A）。
這整個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是在于湮滅過程，這一過程是以其引發(fā)一個“附加散射線”而被確認的。而這種確認的能力又集中在于這樣一個事實，即湮滅輻射譜峰值為0.5MeV（見上文）。這一點與引文（A）所說“實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)”的內(nèi)容是一致的，由此可見，實驗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，可又同時找到一個大約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。
人們也許會想到這樣的問題，為什么布菜克特和奧恰里尼的文章對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。因為它是較早的發(fā)現(xiàn)，而且是基于難度較小的實驗，見第五節(jié)）。對這個問題的回答是布萊克特和奧恰里尼立論的焦點不在于此，而在于湮滅過程，進一步說布萊克特和奧恰里尼并沒有象在庫侖場的情況那樣釘住對生成的機制，這一工作是后來由奧本海默和普拉賽特從理論上進行的。
綜觀對生成和對湮滅的發(fā)現(xiàn)歷史，我們深深地被趙的實驗所感觸，這些實驗探索到了重要的問題，趙的競爭者們在反常吸收和附加散射線這二個實驗中都曾陷入失誤。這一事實又證實了這些實驗是很難做的，它們具有簡捷的經(jīng)典色彩，具有經(jīng)得住時間考驗的可靠性。不幸的是由于布萊克特和奧恰里尼在文章中疏忽的引證，以及由于其他實驗造成的混淆和爭議，趙的文章沒有獲得其本應(yīng)充分獲得的評價。（繼堯譯自《現(xiàn)代物理國際通訊《A》，第4卷17期4325一4335頁）
