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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果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
2、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的，他对谱和中微子验证的研究是 现代 物理学的重要成就，早在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
3、是自然界中最稳定的少数几种粒子之一，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，相继证实射线和射线的能谱同原子光谱一样呈线状分布。然而对射线能谱的研究结果，却出乎人们的预料。年，英国科学家查得威克最先用计数器和电离室观测到射线的能谱，并发现其呈连续分布。当时，量子理论特别是分立能级的观念已深入人
4、心。由于衰变前后的原子核都具有确定的能量，如果粒子带走全部能量，则粒子的能量应为确定值。因此连续谱的发现是当时的理论难以解释的。年，玻尔、克喇末和斯莱特发表辐射的量子理论，对连续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。这样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“孤注一掷”，提出了当时几乎完全不能被接受的“中子”假说：“在原子核中，可能存在中性的，我希
5、望称之为中子的粒子，它的自旋为，并且服从费米狄拉克统计，但它与光子不同，因为它不以光速传播，它的质量最大的数量级与 电子 的质量相同，并且在任何情况下，都不大于质子质量的倍。按这一假设，连续的谱就可解释为：在衰变中一个中子和一个电子一起被辐射出来，在此过程中，中子和电子的能量总和是守恒的。”泡利初次提出这个建议只是试探性的，他对自己设想的神秘粒子并非充满信心。年月日，他在提出上述观点的致蒂宾根国际物理学会议的“公开信”中谨慎地写道：“我还没有足以自信到发表关于这一想法的任何东西，所以我先信任地谨向您们亲爱的放射性研究者们，提出一个 问题 ：如果中子有大约倍于粒子的穿透能力，那么能否用实验验证确
6、实有中子存在？”。二、精湛的实验王淦昌对连续谱有明晰上限的验证在泡利提出“中子”假说前不久，即年秋，王淦昌官费赴德国留学，在柏林大学威廉皇帝化学研究所从师于迈特纳。迈特纳是位杰出的犹太裔女物理学家，她和哈恩最早开始测定谱射线能谱。年查德威克用计数器发现谱是连续谱后，迈特纳和其他物理学家随即用实验加以确切证实，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。泡利年月日提出“中子”的那封信，正是写给盖革和迈特纳的。而王淦昌正是在导师迈特纳的指导下介入中微子研究的。年月，泡利应邀参加美国物理学会在帕萨迪纳举行的会
7、议，第一次当众报告了关于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，费米激动地打断泡利的话高声嚷道：“那就叫它中微子吧！”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谱是否显示一个明晰的上限”。泡利认为如果谱的上限是明晰的，那么他的关于中微子的设想就是正
8、确的，而玻尔的观点是错误的。因为按照玻尔的看法，谱将有一个强度逐渐减弱的长尾巴。不久，在柏林大学的王淦昌按照迈特纳的指导，选取RaE的谱进行研究。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。年月，王淦昌在德国物理学期刊第卷上发表题为关于RaE的连续射线谱的上限的论文，在这篇文章中，王淦昌不仅介绍了用自制的计数管测量、研究辐射的射线的能谱的结果，并且由于精确地测定了对辐射的吸收曲线，从而准确地得出：“的谱的上限为：；粒子能量高于的数目，最多不超过总数的。”王淦昌的这篇论文以精确的实验结果，在物
9、理学史上第一个证实了泡利关于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射线谱有明晰上限之后，英国剑桥大学卡文迪许实验室著名物理学家埃利斯和莫特在年发表射线类型的放射性衰变中能量关系，也用实验证实连续谱确有一明晰上限，其能量等于衰变前后原子核的能量差。年，埃利斯的学生亨德森发表题为钍和的连续谱的上限的论文。他通过对钍和钍的实验研究，也证实谱有一明晰上限。至此，泡利在年由中微子假说导出的谱应有明晰上限的预言被实验完全证实。王淦昌、埃利斯、莫特和亨德森都做出了各自的贡献。而王淦昌的工作，有两点特别突出。其一，王淦昌的实验选取的是国际上关注的更适宜的元素，它在衰变时不夹杂
10、射线；其二，他实验结果发表的时间比埃利斯和莫特早一年半，比享德森早两年多。应该承认，是王淦昌最早用实验证实了泡利的预言。但遗憾的是，王淦昌的这一科学贡献，却长期被忽视了。美国西南大学物理和天文学教授布朗直到年月在今日物理上撰文，却仍把这一重要科学成就仅仅归功于埃利斯和莫特。而英国著名科学哲学家拉卡托斯在他的名著科学研究纲领 方法 论中也有着类似的失误。他写到：“但按照我们的标准，成功地预测某个新颖的事实是必需的。泡利理论也提供了这样的新颖事实，因为泡利理论有一个有趣的可观察的推断：假如没错，光谱必定有一个清楚的上限。这一问题当时没有定论，但埃利斯和莫特对它发生了兴趣，很快埃利斯的学生亨德森证明
11、实验支持泡利的纲领。”这些错误观点长期以来在科学界广泛流行，以至连对王淦昌十分崇敬的李炳安、杨振宁在王淦昌先生与中微子一文中也认为：亨德森于年发现和谱的上限确实如泡利所预言的那样是尖锐中断的。”我们不想对一些物理学家、科学史家的明显失误说三道四，也不想贬低埃利斯、莫特和亨德森各自的独特贡献，但却应该还历史以本来面目！事实上，王淦昌不仅对的谱进行了研究，而且对钍的谱也进行了深入地实验研究。年月，迈特纳和王淦昌联名在德国科学期刊发表论文射线的内光电效应，介绍他们用一个小的盖革弥勒计数器对在磁场中的发出若干射线进行测量的初步结果。年月日，王淦昌将自己的博士论文关于的谱寄往德国物理学期刊，并发表在该刊
12、第卷。王淦昌在这篇论文中分析了埃利斯等人所用实验方法的利弊，吸收了他们测量射线强度的基本思想，采用盖革弥勒计数器在磁场中计数，应用他自己的方法测量了的谱。他所得结果在强度方面比埃利斯的要精确得多。王淦昌的这一实验结果，对建立衰变理论有重要意义。据施士元教授回忆，费米年建立衰变理论时 参考 了当时有关谱强度的若干测量数据，王淦昌的工作可能对费米的工作有一定的参考价值。三、历史性的创见王淦昌关于用电子俘获探测中微子的建议虽然中微子假说在费米的衰变理论中占据重要地位，虽然有如谱上限等实验的间接支持，但是从年提出中微子概念后很长时间，中微子还从未在实验中被直接观测到。因此不仅中微子疑难依然存在，而且还
13、有重大反复。年香克兰在作光子散射的一次新设计实验时发现，实验结果似乎支持已被抛弃的玻尔克喇末斯莱特理论。香克兰的光子散射理论的明显失败发表后立即受到厌恶新粒子的物理学家们的热烈欢呼。狄拉克也很快发表能量守恒在原子过程中成立吗？，以尖锐的措词反对费米和泡利的中微子理论：“中微子这个观察不到的新粒子是某些研究者们专门造出来的，他们试图通过假定有这种应付平衡的不可观察的粒子，从形式上保住能量守恒定律。”但在玻尔的哥本哈根研究所中，人们立即重复并摒弃了香克兰的实验。玻尔本人也在自然上发表量子理论中的守恒定律明确指出：“人们可能注意到，关于射线现象的迅速增加的实验证据，同在费米理论中得以显著发展的泡利中
14、微子假说的推断之间有一种使人得到启发的一致，这在很大程度上排除了在来自原子核的射线放射问题上严重怀疑守恒定律的严格有效性的根据。”香克兰的实验虽然被摒弃，但狄拉克等人的诘难使得长期困扰物理学家们的一个最棘手的问题即验证中微子的存在，更为急迫。王淦昌一针见血地指出：“保里之假说，与范密之理论，固属甚佳。然若无实验证明中微子之存在，则两氏之工作，直似空中楼阁，毫无价值，而放射之困难仍未解决。”因此，从年之后，关于中微子的许多理论和实验都围绕着一个中心问题即如何验证中微子的存在。现在，我们知道，这是一个漫长而艰难的历史过程。在当时条件下，要验证中微子这种鬼魂粒子是极其困难的。年美国物理学家莱彭斯基做
15、了第一个测量衰变中原子核反冲的实验。年至年，美国物理学家克兰和赫尔彭先后做了实验，对过程：中的反冲效应进行研究，他们观察了电子在磁场中的偏转和原子核在云雾室中的射程。但这些实验都没有测出反冲振动的动量，因此都没能确凿地证实中微子存在。王淦昌充分认识到实验检验中微子的重大意义，并一直关注着这方面的进展，不断地进行探索。王淦昌于年月回国，先在山东大学任教，年又受聘到浙江大学物理系任教授。不久抗日战争爆发。从年月到年月，王淦昌与浙大师生一起走建德、过吉安、赴宜山、抵遵义。由于连年跋涉流离，劳累过度，加上营养不良，生活困难，抵达遵义时，他患上了肺结核。但他躺在病榻上，仍以惊人的毅力对中微子问题苦苦思索。年元月，王淦昌回忆他发现俘获验证中微子的经过时说：“年初，到了贵州遵义，虽
