王淦昌与中微子的早期研究

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1、王淦昌与中微子的早期研究王淦昌先生是当代中国最杰出的物理学家之一。在长达六十余年的科学研究生涯中，王淦昌先生取得了许多重大的科学成就。五十年代末，他领导的科研小组在世界上首次发现了反西格马负超子，并获得１９８２年国家自然科学一等奖；六十年代，他参加试制原子弹和氢弹的研究和组织工作，是国内外公认的两弹元勋之一，并被称为“中国的奥本海默”；他是我国核物理学和粒子物理学的主要奠基人之一；他和前苏联巴索夫院士同时独立地提出用激光打靶实现核聚变的创议，是我国激光、等离子体物理等领域的开拓者。而在中微子的早期研究方面，王淦昌先生的贡献也是十分突出

2、的，他对β谱和中微子验证的研究是现代物理学的重要成就，早在４０年代初就被载入美国出版的百年来科学大事记，为中华民族赢得了崇高的荣誉。由于种种复杂的历史原因，长期以来，王淦昌的这些成就在物理学史上未得到正确反映，一些专著和教科书有意无意地歪曲了历史事实，以至一些著名的科学哲学家和科学史家也以讹传讹，散布了错误的影响。因此，全面系统地分析、论述王淦昌先生在中微子理论方面的贡献与成就，并给予公正、客观的评价是十分必要的。　　一、导论－－从“能量和动量守恒定律危机”到“鬼魂粒子”之谜中微子－Neutrino是自然界中最稳定的少数几种粒子之一，

3、也是基本粒子家族中性质最为奇特的一种粒子，它不带电，没有大小，没有静止质量，没有磁矩，它几乎不与物质发生作用，能以光速在“虚无飘渺”中贯穿地球如入“无物之境”。由于中微子有奇特的性质而极难捉摸，所以科学界称其为“鬼魂粒子”。早期中微子理论的发展，即中微子的发现被公认为“是一件令人兴奋的真正的科学奇谭”。众所周知，二十世纪初测定射线能谱的研究，相继证实α射线和γ射线的能谱同原子光谱一样呈线状分布。然而对β射线能谱的研究结果，却出乎人们的预料。１９１４年，英国科学家查得威克（J.Chaders）和斯莱特（J.C.Slater）发表《辐射的

4、量子理论》，对连续β谱提出了一个惊人的解释：只有放弃单一过程中的守恒定律，“特别是放弃了对经典理论来说那样带有特征性的能量守恒原理和动量守恒原理的直接应用”，代之以“能量和动量的统计守恒”，一个一致的理论才能得到发展［（２）］。这样β衰变的连续能谱的实验结果，就构成对能量和动量守恒定律的严峻挑战。为了“拯救”能量守恒和动量守恒这些自然科学最基本的定律，泡利（Eitner）是位杰出的犹太裔女物理学家，她和哈恩（O.Hahn）最早开始测定β谱射线能谱。１９１４年查德威克用计数器发现β谱是连续谱后，迈特纳和其他物理学家随即用实验加以确切证实

5、，并首先从理论上进行解释，虽然她的解释后来又被实验否定，但她提出的“量子化的原子核不应当发射具有可变能量的电子”的观点，对泡利有相当影响。泡利１９３０年１２月４日提出“中子”的那封信，正是写给盖革（HansGEIger）和迈特纳的。而王淦昌正是在导师迈特纳的指导下介入中微子研究的。１９３１年６月，泡利应邀参加美国物理学会在帕萨迪纳（Pasadena）举行的会议，第一次当众报告了关于β衰变中会出现一种穿透力很强的新的中性粒子的想法。据庞捷科尔沃回忆说，当泡利讲到这里时，费米（E.Fermi）激动地打断泡利的话高声嚷道：“那就叫它中微子吧

6、！”泡利深知，无论中微子在理论上多么重要，如果这种粒子不能被实验检验，就没有物理意义。但是，由于中微子独特的性质，要验证它，在当时看来，连泡利自己也觉得“似乎不太可能”。经过反复思索，泡利在帕萨迪纳会议提出了一个实验上可以检验的预言：从核里辐射的β粒子和穿透力极强的中微子的能量总和应该有一个明晰的上限。泡利指出：“从经验的观点看，我认为决定性的是电子的β谱是否显示一个明晰的上限”。［（３）］泡利认为如果β谱的上限是明晰的，那么他的关于中微子的设想就是正确的，而玻尔的观点是错误的。因为按照玻尔的看法，β谱将有一个强度逐渐减弱的长尾巴。不

7、久，在柏林大学的王淦昌按照迈特纳的指导，选取RaE的β谱进行研究。由于这是一项全新的探索，没有现成的实验装备，必须亲自动手制作仪器设备，王淦昌的此项研究是十分艰苦的。功夫不负苦心人，王淦昌的实验终于获得了重要成果。１９３２年１月，王淦昌在德国《物理学期刊》第７４卷上发表题为《关于RaE的连续β射线谱的上限》的论文［（４）］，在这篇文章中，王淦昌不仅介绍了用自制的计数管测量、研究ＲａＥ辐射的β射线的能谱的结果，并且由于精确地测定了Ｃｕ对ＲａＥ　β辐射的吸收曲线，从而准确地得出：“ＲａＥ的β谱的上限为：Ｈρ＝５３００；β粒子能量高于Ｈρ＝

8、５０００的数目，最多不超过总数的０．１％。”王淦昌的这篇论文以精确的实验结果，在物理学史上第一个证实了泡利关于β谱有明晰上限的预言，从而有力地支持了中微子假说。在王淦昌正式发表论文证实β射线谱有明晰上限之后，英国剑桥大学