问题的由来

尼尔斯·玻尔在其物理学研究生涯中有两次对角动量守恒和能量守恒定律提出质疑。1914年,查德威克测量到原子核的β衰变过程产生的电子具有连续能谱,这与二体衰变过程中能量-动量守恒的预言相矛盾。

1924年,玻尔与他的学生克拉默斯以及于1923年底到访哥本哈根的美国青年斯莱特合作发表了一篇题为“辐射的量子理论”( The quantum theory of radiation)的文章,公开提出了一个极具争议的思想:能量和动量在单个微观相互作用过程中不必守恒,而只需在统计意义上守恒,这个挑战能量和动量恒定律的大胆想法虽然很具有煽动性,却快在1925年被著名的康普顿( Compton)电子一光子散射实验证明是错误的。

物理学的诡异现象(物理学史上的能量失窃案)(1)

玻尔的错误

那篇论文所提出的理论后来被冠以三人的姓氏首字母而称为了BKS理论。正是这篇BKS论文,记录了玻尔的错误。爱因斯坦在获悉了BKS理论之后,再给玻恩( Max born,1882~1970,1954年诺贝尔物理学奖获得者)的信中毫不含糊地表示了反对并写下了一段后来很出名的话,那就是假如BKS理论是正确的话,

“我宁愿去当一个修鞋匠,甚至赌场的雇员,也不愿做物理学家(Ifso, I'd rather be a cobbler or even an employee ina gambling house than a physicist)”.

后来当BKS理论被实验证伪后,玻尔向斯莱特表示了歉意,而斯莱特当时虽然客气地表示了不介意,时隔近四十年后(那时玻尔已经去世却在接受访谈时表达了对玻尔的强烈不满,甚至用上了

“我对玻尔先生不曾有过任何敬意,因为我在哥本哈根度过了一段可怕的日子”

那样罕见的语气。

物理学的诡异现象(物理学史上的能量失窃案)(2)

然而,这次惨痛的失败还并没有惨痛到足以让玻尔心服口服的“死心”的地步,以至于为他第二次重蹈覆辙埋下了伏笔。让玻尔再次“鼓吹”能量不守恒的直接动因,来自于艾利斯( Charles Ellis)和伍斯特( William Wooster)在1927年对β衰变能谱所做的精确测量.他们的实验结果证实了查德威克在1914年就发现的一个奇特现象:原子核的β衰变能谱并非当时的理论所预期的分立谱,而是逐渐衰减的连续谱分立谱基于两个假设:(1)β衰变放出一个较轻的原子核和一个电子;(2)反应前后的能量和动量守恒。因而要想解释实验所观测到的连续能谱,至少要放弃其中一个假设。一贯以思想深刻而著称的玻尔这一次仍旧把宝押在了能量和动量不守恒上,他在随后的几年中四处演讲,提醒人们能量守恒定律不一定适用于亚原子的单一反应过程。

泡利的大胆预言

1929年,玻尔将自己的观点写成篇题为“β射线谱和能量守恒”的短文寄给了泡利( Wolfgang Pauli,1900-1958,1945年诺贝尔物理学奖获得者)。在那篇短文中,玻尔不仅提出了β衰变中能量动量不守恒的可能性,而且还设想这种不守恒性或许有助于解释当时尚未盖棺论定的太阳的发光之谜不过有了上一次的前车之鉴,在给泡利的信中,玻尔谦虚地表示:

我将很乐意听取您有关所有这些的看法,无论您觉得适宜用多么温和或多么严厉的语气来表达

泡利没有辜负玻尔的信任,看完之后给出了很“温和”地评价:“我必须说它几乎没给我带来任何满足”在做了若干技术性批评后,泡利的最终建议是:“让这篇短文先休息一长段时间,并让星星安静地照耀它吧。”

物理学的诡异现象(物理学史上的能量失窃案)(3)

经过深思熟虑,泡利的选择是坚持能量和动量守恒,但修改第一个假设。1930年,泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”,最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。

但在1931年6月,泡利在美国物理学会在帕萨迪纳举行的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。1932年1月真正的中子被查德威克发现后,费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。1933年,费米提出了β衰变的定量理论。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。

1956年6月,泡利的中微子假说终于在反应堆实验中通过逆β衰变过程被证实,而这也意味着玻尔的能量和动量不守恒假说最终成为物理学史上的一个笑料。

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