物理學的詭異現象（物理學史上的能量失竊案）

2023-04-11 19:16:51 1

尼爾斯·玻爾在其物理學研究生涯中有兩次對角動量守恆和能量守恆定律提出質疑。1914年，查德威克測量到原子核的β衰變過程產生的電子具有連續能譜，這與二體衰變過程中能量-動量守恆的預言相矛盾。

1924年，玻爾與他的學生克拉默斯以及於1923年底到訪哥本哈根的美國青年斯萊特合作發表了一篇題為「輻射的量子理論」( The quantum theory of radiation)的文章，公開提出了一個極具爭議的思想：能量和動量在單個微觀相互作用過程中不必守恆，而只需在統計意義上守恆，這個挑戰能量和動量恆定律的大膽想法雖然很具有煽動性，卻快在1925年被著名的康普頓( Compton)電子一光子散射實驗證明是錯誤的。

那篇論文所提出的理論後來被冠以三人的姓氏首字母而稱為了BKS理論。正是這篇BKS論文，記錄了玻爾的錯誤。愛因斯坦在獲悉了BKS理論之後，再給玻恩( Max born,1882~1970,1954年諾貝爾物理學獎獲得者)的信中毫不含糊地表示了反對並寫下了一段後來很出名的話，那就是假如BKS理論是正確的話，

「我寧願去當一個修鞋匠，甚至賭場的僱員，也不願做物理學家(Ifso, I'd rather be a cobbler or even an employee ina gambling house than a physicist)」.

後來當BKS理論被實驗證偽後，玻爾向斯萊特表示了歉意，而斯萊特當時雖然客氣地表示了不介意，時隔近四十年後(那時玻爾已經去世卻在接受訪談時表達了對玻爾的強烈不滿，甚至用上了

「我對玻爾先生不曾有過任何敬意，因為我在哥本哈根度過了一段可怕的日子」

那樣罕見的語氣。

然而，這次慘痛的失敗還並沒有慘痛到足以讓玻爾心服口服的「死心」的地步，以至於為他第二次重蹈覆轍埋下了伏筆。讓玻爾再次「鼓吹」能量不守恆的直接動因，來自於艾利斯( Charles Ellis)和伍斯特( William Wooster）在1927年對β衰變能譜所做的精確測量.他們的實驗結果證實了查德威克在1914年就發現的一個奇特現象：原子核的β衰變能譜並非當時的理論所預期的分立譜，而是逐漸衰減的連續譜分立譜基於兩個假設：(1)β衰變放出一個較輕的原子核和一個電子；(2)反應前後的能量和動量守恆。因而要想解釋實驗所觀測到的連續能譜，至少要放棄其中一個假設。一貫以思想深刻而著稱的玻爾這一次仍舊把寶押在了能量和動量不守恆上，他在隨後的幾年中四處演講，提醒人們能量守恆定律不一定適用於亞原子的單一反應過程。

泡利的大膽預言

1929年，玻爾將自己的觀點寫成篇題為「β射線譜和能量守恆」的短文寄給了泡利( Wolfgang Pauli,1900-1958,1945年諾貝爾物理學獎獲得者)。在那篇短文中，玻爾不僅提出了β衰變中能量動量不守恆的可能性，而且還設想這種不守恆性或許有助於解釋當時尚未蓋棺論定的太陽的發光之謎不過有了上一次的前車之鑑，在給泡利的信中，玻爾謙虛地表示：

我將很樂意聽取您有關所有這些的看法，無論您覺得適宜用多麼溫和或多麼嚴厲的語氣來表達

泡利沒有辜負玻爾的信任，看完之後給出了很「溫和」地評價：「我必須說它幾乎沒給我帶來任何滿足」在做了若干技術性批評後，泡利的最終建議是：「讓這篇短文先休息一長段時間，並讓星星安靜地照耀它吧。」

經過深思熟慮，泡利的選擇是堅持能量和動量守恆，但修改第一個假設。1930年，泡利提出了一個假說，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現了能量虧損這種粒子與物質的相互作用極弱，以至儀器很難探測得到。未知粒子、電子和反衝核的能量總和是一個確定值，能量守恆仍然成立，只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。當時泡利將這種粒子命名為「中子」，最初他以為這種粒子原來就存在於原子核中。

但在1931年6月，泡利在美國物理學會在帕薩迪納舉行的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在於原子核中，而是衰變產生的。1932年1月真正的中子被查德威克發現後，費米將泡利的「中子」正名為「中微子」。1933年，費米提出了β衰變的定量理論。β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子。他的理論定量描述了β射線能譜連續和β衰變半衰期的規律，β能譜連續之謎終於解開了。

1956年6月，泡利的中微子假說終於在反應堆實驗中通過逆β衰變過程被證實，而這也意味著玻爾的能量和動量不守恆假說最終成為物理學史上的一個笑料。

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