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一封开启未来的信 精选

已有 4714 次阅读 2015-12-25 08:39 |系统分类:科普集锦|关键词:泡利,十二月四日,,信,β衰变,中微子| 中微子, 泡利, 十二月四日, β衰变

 

相信不会有人怀疑,现实中的信件邮寄的需求如今越来越少了,连圣诞或新年的贺卡这些年也慢慢式微,甚至逐渐被淡忘,至少我是这样。当然这里面不包括快递。

前几日,有个梦想当宇航员的5岁英国男孩想把信寄到火星去,写信向邮局询问。英国皇家邮政有些犯难,好在咨询了NASA后终于给出报价——11602英镑,约合人民币11万多。据说他们的算法是依据“好奇号”的花费并根据重量折算出的,这对于一个男孩来说无疑是天文数字,零花钱显然是不够了。尽管现在看来寄信到火星还为时尚早,但谁又敢否认这个孩子天真背后的无限可能呢你看,马斯克的spaceX不是已经回收火箭了吗?

刚过去不久的十二月四日在物理学历史上也有一封著名的信件,这就是泡利的一封信,没错,就是被人称作“上帝的鞭子”的美籍奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E Pauli19001958)寄到苏黎世的信。


1930年的十二月四日,泡利给苏黎世联邦工学院物理研究所写了封信。信是写给准备在德国图宾根开会的核物理研究同行,抬头是略带着幽默的称谓:“亲爱的放射性的女士们、先生们”,据说这封信实际的收信人是盖革和迈特纳。在这封用打字机打印的一页纸的信中他大胆提出了一种新的设想:存在一种极小的还无法探测到的中性粒子,从而可以说明β衰变光谱连续的问题。正是这封看似寻常的信,使泡利成了最早提出中微子假说的人,并开启了物理研究的新篇章。


当然一开始泡利提出的名字是中子(neutron),而1932真正的中子被查德威克发现后,这个名字被占用了。随后恩里科·费米在研究β衰变的理论时根据意大利语中子(neutrone)的双关语将其改造,把后缀变了一下,因为后缀-one在意大利语中表示的东西,而表示的后缀是-ino。自此,中微子正式命名中微子(neutrino),中文译名有时也作微中子。

泡利为何要提出一种连他自己都不十分肯定的中微子呢,这还要从上世纪放射现象的研究中说起。简单说,β衰变是原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。放出电子的衰变过程称为β-衰变;而放出正电子的衰变过程称为β+衰变;原子核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子的衰变过程称为轨道电子俘获,俘获K层电子叫K俘获,俘获L层的叫L俘获……

二十年代末,一种放射性元素β能谱连续性的解释遇到了困难,与之前α衰变的分立谱截然不同,问题主要是原子核能量量子化,这样能谱必然是离散的。而且各种迹象表明,被奉为圭臬的能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律正面临挑战。在物理学家一筹莫展之际,量子力学的领军人物玻尔宣称:神圣不可侵犯的能量守恒定律失效了!并重提他的能量统计守恒性的假说。眼看经典的守恒定律也许真的要在量子中修改了。

泡利并不赞同玻尔等人的理论,他认为这个代价有点儿高,被无数次实验验证的守恒定律竟为了解释小小的β衰变而改变,让人很不甘心。泡利凭借过人直觉和洞察力这样思考:如果电荷守恒定律还成立,那么能量守恒没有理由不成立,而且如果能量不守恒,为何有只表现出减少而不是增加呢?在这封信中他大胆地提出假设:解释β衰变唯一的出路在于除电子外,还有一种穿透能力很强的中性粒子被释放出来,从而保证了能量的守恒。这种粒子自旋1/2并遵守不相容原理, 质量不应超过质子的0.01倍。它不易与其他物质作用,以至于任何探测器都无法探测到它……正如后来泡利自己所言,他提出了一种可能永远无法找到的“鬼”粒子。这样的假设当然需要足够的勇气与胆识。

他在信中也坦言,自己没有足够的信心发表这一假设,仅告之同行知晓并希望实验物理学家在实验中对这种穿透力10倍于γ射线给予足够关注。同时也承认自就己有点儿先验主义与赌博的意味。至于泡利无法参加学术会议的原因,理由那是相当的充分,就是要留下来参加舞会。这就是泡利。

之后,尽管有不少科学家对这种假设采取了怀疑的态度。但随着1932年中子的发现,1934年费米沿着泡利的思路对β衰变提出了更为深入的阐释,解决了另一个困扰人们的问题,即β衰变的电子到底从何而来。最终提出,费米的弱相互作用的衰变理论获得了成功。泡利的中微子假说解决了β衰变的两大难题,也开启粒子物理通向未来的大门。

np +     e +   ν
e


1945年,因他在1925年发现的泡利不相容原理泡利获诺贝尔物理学奖。他虽没有因中微子的预言而获得诺贝尔奖,但他在去世前两年的1956年等到了中微子的发现,美国物理学家柯万(Cowan)和莱因斯(Reines)等通过第一次通过核反应堆β衰变实验直接探测到了中微子,并第一时间告知了这位中微子之父,泡利在回给他电报中说: “感谢您的消息,对于懂得等待的人,一切终将了然。”1958年十二月十五日泡利去世。

当然后来中微子的发展不断突破,方兴未艾,篇幅所限,只能暂且搁笔。算一算包括今年在内中微子的相关研究已经收获了四次诺贝尔物理奖,而前路依然充满未知,仍有许多未解之谜等待发现。


此外,泡利的传奇故事也格外的多,他的天才与“泡利效应”,挑剔与刻薄,严谨与幽默让许多物理学家又怕又爱,故而有“上帝的鞭子”“物理学家的良心”的绰号。甚至还流传着这样的笑话:泡利死后去见上帝了,上帝拿出自己关于世界的设计稿让他看,泡利看完后耸耸肩,不以为意地说:你本来可以做得更好些……”




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