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人生危机催生中微子假说 精选

已有 6888 次阅读 2016-4-26 01:02 |系统分类:人物纪事

人生危机催生中微子假说

——纪念泡利诞辰116周年

 

施郁

(复旦大学物理学系)

 

1900年4月25日沃尔夫冈•泡利诞生于维也纳。1958年12月15日,他在苏黎世罗特科鲁兹(Rotkreuz)医院137号病房去世。1/137是表征电磁相互作用强度的、他敬爱的导师索莫菲1916年首先引入的参数精细结构常数的近似取值,泡利一生为之困惑。

泡利去世2个月前,在给德尔布吕克(1929年哥廷根大学理论物理博士,后来转向生物学,1969年因病毒的复制机制和遗传结构的发现分享诺贝尔生理学或医学奖)的信中提到,中微子是“我人生危机(1930-1931)的傻孩子”。

为了理解他的所言,我们需要从β衰变说起。

  1. β衰变的疑难

“基本粒子与物质结构”【链接】一文中,我们介绍了各种基本粒子。

1898年,卢瑟福将当时所知的两种放射性射线称为α和β。同年,居里夫人指出放射性来自单个原子。1900年,人们知道了β就是汤姆逊于1897年发现的电子。1910年,卢瑟福提出原子由原子核和电子组成。1913年,玻尔提出β来自原子核里的电子。1914年,卢瑟福提出原子核由质子和电子组成。

1926年,克罗尼格发现,这个质子加电子的原子核模型有一个困难,如果原子核中有电子,那么核磁矩会很大,这导致与核外电子的作用导致的原子光谱的超精细结构会大得离奇。两年后,他又发现这个模型导致的原子核总自旋(自旋是一种内禀角动量)与实验不符。次年拉塞蒂又发现原子核的统计性质与实验相符。统计性质是指粒子是自旋为半整数的费米子还是自旋为整数的玻色子。奇数个费米子组成的复合粒子(如原子核)仍然是一个费米子,而偶数个费米子则组成玻色子。

还有一个疑难,就是著名的β衰变连续谱问题。1914年,查德威克首先发现,β衰变发出的电子能量在一定范围内所有取值都有可能。1920年代,艾利斯(C. D. Ellis)和伍斯特(B. A. Wooster)确立了这个现象,梅特納(L. Meitner)等人也有贡献。

为了解释这些疑难,1929年到1936年,玻尔主张需要一个新的物理定律,包括能量守恒定律只在平均意义上成立,类似于他以前与克莱默斯(Kramers)和斯莱特(Slater)试图调和原子分立能级、光子概念与经典电磁理论的一个失败理论【关于爱因斯坦的光子概念和量子辐射理论,可参见文章1(链接)文章2(链接)】。


2. 泡利的建议

19292月泡利在给克莱因(O. Klein)的一封信上指出:“玻尔考虑能量守恒定律的违背,是在完全错误的道路上。”1930121日海森堡给泡利的信上提到“你的中子”,说明泡利已经与海森堡讨论过关于“中子”的想法。

泡利的这个想法详细记载于他1930124日通过梅特纳给一个放射学家会议的信。这封信信息量很大,因此笔者试译如下。

“亲爱的放射性女士先生们:

我想到一个关于氮(N)和锂(Li)6原子核的“错误”统计定律和连续β谱的绝望的补救方法,能够挽救统计定律以及能量守恒定律。这就是,原子核中可能存在一个电中性的粒子,我称它为中子,它的自旋是1/2,满足不相容原理,而且与光量子不同,它不以光速运动。中子的质量应该与电子同一数量级,而且肯定不大于质子质量的0.01倍。假设β衰变时,1个中子和1个电子同时放出,它们的能量之和是常数,这就可以理解连续β谱。

还有一个问题,中子受到什么力?在波动力学基础上…中子最可能的模型似乎是,静止的中子是个磁矩为μ的磁偶极矩。实验似乎要求中子的电离效应不能大于γ射线,因此μ不能大于eX10-13cm。

目前我不敢就此想法发表任何东西,所以私下询问你们,亲爱的放射性朋友,如何在实验上证实这个中子,如果它的穿透能力等于或者十倍于γ射线。

我承认从先验的角度,我的方案不大可能,因为如果它们存在,早就应该被看到。但是敢拼才能赢,我的前任得拜先生最近在布鲁塞尔向我表达了连续谱问题的严重性:‘哦,就像新的税一样,最好完全不去想它。’因此需要认真讨论每条拯救的道路。——因此,亲爱的放射性朋友,请检查并判断。不幸的是,我不能亲临图宾根,因为12月6日晚至7日的有个舞会,我必须参加…你们谦卑的侍者,沃尔夫冈•泡利。”

泡利从来没有就他的“中子”假说正式发表论文。事实上,在给放射学家会议的信发出几天后,12月12日,在给克莱因的信中,泡利指出,因为他的“中子”的质量与电子接近而又必须通过磁矩与电磁场耦合留在原子核内,它与电子应该磁矩大小相仿,“照理云雾室照片上有很多中子的痕迹所以我不是太相信中子。”

19316月,泡利在美国就他的中子假说作了演讲。


3. 后续

1932年1月查德威克发现我们现在所说的、与质子质量相近的中子。值得注意的是,泡利提出“中子”以同时解决β衰变的诸疑难时,认为它与质子和电子同为原子核的组成部分,在原子核发生β衰变时和电子一起发出。而查德威克在发现中子之前就一直也用这个名词。他和卢瑟福找了它12年,他们认为它是原子核的组份,但是是质子和电子的复合体。所以作为原子核的组份,泡利假设的“中子”和查德威克发现的中子是一致的,当然二者质量有天壤之别。1933年4月开始,泡利采纳费米的建议,该称他预言的“中子”为“中微子”。

一个疑问是,难道原子核里除了查德威克的中子,还有泡利的“中子”(即中微子)这个问题1934年被费米漂亮地解决了。他告诉人们原子核内原来没有中微子,而中子衰变时,变为质子、电子和中微子。因此在中微子这件事上,费米的功绩远不止将泡利的“中子”改名为“中微子”。

 

4. 预言新粒子的勇气

后来,直到今天,利用各种守恒定律预言新粒子是粒子物理学家经常做的事(类似地,凝聚态物理学家乐于预言各种新物态)。

所以泡利刚想出“中子”假说时的犹疑也许令后生们不解。这就要了解当时的“文化”。当时人们只知道3个基本粒子:质子、电子和光子。除了爱因斯坦在早期量子论阶段预言的光子,人们还没有预言过新粒子。预言新粒子是非常具有革命性、需要勇气的。难怪泡利称之为“绝望的补救方法”。魏格纳则认为这是疯狂但是有勇气。

比这早一点,1928年初狄拉克从相对论性的量子力学方程(即狄拉克方程)中解出负能量解时,先是认为不符合物理,直接抛弃。然后克莱因和仁科芳雄的工作表明负能态丢不得。1929年底,狄拉克提出负能海的概念,但是把负能海的空穴解释为质子。虽然他知道空穴质量应该与电子一样,但是他寄希望于电磁相互作用可能改变这一点。对此,狄拉克后来说:“那时每个人都觉得电子和质子是自然界仅有的基本粒子。”直到19315月,狄拉克终于在1篇文章中提出,这个空穴是电子的反粒子——正电子。

所以,爱因斯坦的光子是第1个从理论上预言的粒子,正电子算第2个,中微子算第3个(按泡利公开演讲算)。与泡利和狄拉克的踌躇相比,爱因斯坦预言光子时的胆大心细显现出他的特别。

 

5. 泡利的勇气的来源

派斯认为,泡利作出中微子假说这种革命性举措与他通常的风格不一致。泡利本人就说过: “我年轻时认为自己是个革命者,但是我是个守旧者,不是革命者。”笔者认为,泡利对一生中对种种新理论的苛刻,就反映了他的保守。

那么什么因素促使他作出了中微子假说?

泡利本人已经回答了这个问题,这就是本文开头引用的他的信中所言,中微子是他“人生危机(1930-1931)中傻孩子”。派斯认为泡利将中微子假说与他个人危机所作的联系非常重要。

事实上,泡利的母亲在3年前自杀(19271115日)。这导致他停止去教堂。而在他给放射学会议的信发出前几天,19301126日,泡利刚结束短暂(11个月)、“松散”(泡利婚后给克莱因信中所说)、不幸的婚姻。这给了他很大的打击,导致他酗酒、抽烟。顺便提一下,这位前妻1974年给物理学史家梅拉作了个有趣的描述泡利和我在苏黎世结婚时,他总是告诉我他在世界物理学界真是非常重要。他经常像一个笼中的狮子在屋里走动,将他给别人的回答用最讽刺而机智的方式表达。这给了他极大的满足。

泡利在给放射学会议的信中说他不能参加会议,因为要参加一个舞会。这是当时苏黎世的一个大型舞会,这反映了泡利主动要走出几天前离婚的痛苦。

19321月开始,在精神分析师荣格的安排下,泡利一直写信描述自己的梦境,先是给荣格的一个学生,几个月后给荣格本人,一直持续到193410月,当时泡利再婚已半年。荣格认为分析是成功的。

也许人生的危机有时反而刺激出创造力的迸发,特别是对于泡利这种为物理创造而生的人。爱因斯坦的广义相对论、引力波、量子电磁辐射理论等重要工作诞生于他的婚姻危机中【相关文章链接1相关文章链接2相关文章链接3】。


 

参考文献:

[1]Pais A. Inward Bound.

[2]Enz C. No Time to Brief.

 

 

 

 

 

 




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