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实验是如何终结的？ [:1700965607]
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实验是如何终结的？ 竞争的装置与理论
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安德森本科就读于加州理工学院，在毕业前的1927年就开始了云室研究。在1930年递交的X射线光量子空间分布主题的博士论文中，也包含了云室研究相关内容。[1]完成博士学位学习后不久，密立根建议这位年轻的物理学家发挥自己在云室方面的专业知识，研究由进入地球大气的“初生”γ射线释放出的微粒辐射能量。[2]密立根希望这些实验可以为宇宙光子的初始能量提供较吸收实验中所获的更佳的数据。正如当时密立根由奥本海默的信中了解到的一样，入射光子能和吸收之间的关系并不清晰。密立根一定也曾期望过，安德森在云室实验中观察到的次级电子能够显示出假设的、初始宇宙射线光子的能带结构。[3]
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为了得到测量值，安德森制造了一台强力电磁体，其中可以装配云室（见图3.2）。[4]云室感光片很快开始产生正粒子。1931年11月3日，他向密立根报告了这一发现，并评论称结果表明了“正粒子和电子的存在，说明核衰变由宇宙射线引起”。他认为这些正粒子是α粒子或质子，通常情况下，正粒子和电子会同时自原子核中喷射出来。最后，安德森报告了“至少一个实例中出现了三种粒子的同时喷出”。在信件的最后，安德森展望了未来的研究，断言称“头脑中立刻出现了对这些效应具体细节的百种疑问……这个领域内有希望获得巨大的收获，毫无疑问，一个基本性质的许多信息将从中产生。”[5]
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1932年，安德森和密立根共同发表了首次宇宙射线云室实验的研究结果。[6]两人认为，正粒子是质子，是核衰变的产物。由此，在康普顿散射效应和光电发射之后，他们引入了对物质吸收射线过程的新解释。密立根之所以能认可原子核在光子吸收过程中的作用，在部分程度上可能是听取了奥本海默信件中的评论意见。但是，两人发表的原子核结构相关探讨文章仍然具有严格的非量子力学性质。两人保留了原子核的可视化理念：电子和质子被束缚在一起，因为高能光子的作用产生偶然释放。若密立根对原子相关的新型量子力学研究怀有反感之情，则他将保持对原子构建理论的忠诚性。在共同论文的结尾处，作者重复了密立根在1926年的主张，在此基础上添加了对观察到的核衰变的评论：“简言之，就一切情况而论，假设轨迹产生原因是质子或电子，那么在所有观察到的碰撞中，十分之九产生了能量，能量的范围在爱因斯坦公式计算结果和原子构建假说结果之间。”密立根对自己的理论深信不疑，以至于他推测另外“十分之一”的、216兆电子伏特（MeV）以上的“次级”质子和电子可能原本就明显具有能量，只是在云室湍流中消失了而已。[7]安德森在回忆录中写道，他曾强烈主张存在更具能量的粒子，但是主张的结果以失败告终。[8]
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之后不久，安德森最大程度地减少湍流，改善云室内的光照情况，成功获得了更为清晰的感光片。较佳的曲率和电离密度的测量值说明，他可以更为精确地确定粒子的能量。从安德森的手册《轨迹目录1-947》（Track Catalog 1-947）中，我们可以了解到他对每张云室感光片的最初印象。他最初的兴趣点单纯在于技术层面：轨迹是否足够长（到可以被测量的程度）？弯曲程度是否“过度”或“不足”？若粒子能量较低，并因磁场作用产生“过度”弯曲，则安德森仅仅能判断它是否是质子。若轨迹可测量，则他可以研究粒子的特性：轨迹之间是否“具有关联”？它们是“喷射”过程吗？可以穿透铅吗？具有散射性吗？[9]
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在冲洗感光底板时，安德森开始猜想光电离现象说明了正粒子较质子要轻，但是他和密立根在数据解释的问题上产生了不一致。安德森辩称，正粒子质量较轻说明它们是上行的负电子，这与它们的光电离结果相符，但是密立根认为“人们都知道宇宙射线粒子是下行而非上行的”，因此粒子是下行的质子。为了解决这种经常出现的“热烈讨论”[10]，安德森在云室中放置了一块铅板，粒子在经过铅板时会损失一些能量，同时显示其离开方向，在该方向上曲度也会增加。
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1932年8月2日，安德森在仪器中安装了6毫米厚的铅板，使用1600安培电流泵激磁体，然后拍下了20张照片。按照顺序他一张张地加上了备注：“碰撞？”、“穿透铅板？”、“自铅板向下喷射？”、“能量降低”、“自铅板向上喷射？”可测量的轨迹仅是一少部分，在“备注”栏鉴定文字的后面大多数都带着问号。在75号轨迹（见图3.5）感光片上，安德森第一次在轨迹编号边标注了星号，选中了“可测量”栏后，又填上了两个星号，这样写道：“*穿透铅板（thru Pb.）表示能量改变或双喷射。*”双喷射说明实验结果可以这样解释：正粒子和负粒子同时释放，释放方向相反。两种可能性均说明安德森所面对的是一种新的基本物质。
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图3.5 1932年8月2日安德森所做的正电子实验，75号感光片。安德森在轨迹记录中写道：“穿透铅板（thru Pb.）表示能量改变或双喷射”。这表明他开始对两种可能性进行考虑：一是正电子由下至上运动，在经过铅板时失去能量；二是光子使一个正电子和一个负电子由原子中喷射。第二种可能性清晰地阐明了，安德森的思考并非基于狄拉克的电子对理论。来源：Institute Archives，California Institute of Technology.
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在之后的几周里，安德森继续搜寻更多的结果，发挥了云室相关的研究经验，挑选出可用的轨迹，虽然他仍然无法解释这些不可用轨迹的来源：“中部色线并非轨迹”、“铅板上两条异常色线”、“有问题的色线”等。有时他可以对背景轨迹的出现原因进行解释：“电离化过重，散射效果较差，可能是质子。”一些有效的轨迹由于难以测量（曲率“较小”），被安德森明确摒弃了。1932年8月27日，他将180号结果认作是两个相关联的可测量结果，包含“喷射”并标记为“正+负电子”，记录中显示出了一定的确信度。两天后，他将253号轨迹注上星号，标记为图像清晰而具可测量性，肯定是“（三级过程）导致的两次次级”过程。
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在这样的准备基础上，安德森在当年9月1日撰写了一篇简短的文章，并投稿给《科学》（Science）杂志。文章中介绍了三条轨迹，提供了对轨道的其他解释方法，但他认为这些方法在小质量正粒子假说面前都会黯然失色。比如，他对75号轨迹进行了详解，提出了四种分析法，其中的后两种是全新的、不值得考虑的，故而在他的笔记中没有呈现。四种分析分别为：①正粒子穿透铅板；②喷射两种粒子，一是电子，一是小质量正粒子；③20兆电子伏特的电子通过铅板时获得40兆电子伏特；④两个相互独立的电子轨迹（在完全偶然的情况下）处在完美的位置，看起来类似于穿透轨迹。前两种分析支持新型粒子的存在，第三种分析违背了能量守恒定律，而最后一种在“概率基础”上“可能性极低”，而且光电离排除了质子的可能性，因此安德森对带有电子质量的正粒子这一分析表示赞同。[11]
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在之后的几个月里，帕特里克·布莱克特和朱塞佩·奥基亚利尼（Giuseppe P.S.Occhialini）对安德森的结论表示肯定。[12]卡文迪什实验室的研究人员认为，正电子观点与狄拉克电子对观点间具有自然的符合性，即真能高能光量子产生一个正电子和一个电子，并非像密立根和安德森所称的那样——粒子是由原子核中喷射出来。
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问题的关键并不在于理论在一组实验中发挥了作用，而在另一组实验中则恰好相反。当然，安德森使用了初诞生理论来推进实验，通过质子与电子间的不一致来刺激铅板。即便是安德森笔记中使用的“喷射”的分类范畴也反映出了原子核及其组成部分的观点。但是，安德森同当时的其他英国物理学家不同，对狄拉克的相对论性量子力学高级理论未加考虑。
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然而，安德森观察到的正负电子数目几乎相同，因此很快就了解并暂时接受了布莱克特和奥基亚利尼对正电子来源的解释——电子对观点。[13]但是，对密立根的研究方向还是有必要进行肯定的，在1933年6月提交的论文中，安德森以这样的鼓励之语作为结尾：
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海平面初级宇宙射线束……存在于大部分的光子中，这是密立根教授多年以来一直持有的观点，现在又出现了另外的支持性事实：已发现ThC”的硬γ射线同宇宙射线一样会产生正电子。[14]
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正如预想的一样，密立根对此表示赞同。但是他对狄拉克的电子对观点仍不认可。1933年，密立根主张“（正负电子）轨迹均是在原子核衰变时即时出现的”。[15]这里并未涉及狄拉克的理论。密立根简单地引用了安德森的能量测量值，作为初级宇宙射线是光子的“最完整证据”[16]：安德森已然证明了绝大多数的被测粒子带电小于6亿伏特，这一结果同“初诞生”光子观点是匹配的。
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由多个方面看来，密立根理论貌似可以同新发现以及之前的一系列成功成果互相融合。另一个成功也貌似可以归功于初诞生理论：密立根使用配备有自记录式验电器的气球进行了试验，气球最高升至16千米高空。密立根在1931年11月的巴黎演讲中断言，此次测量说明了电离率在9至16千米范围内达到最大值，“若穿透大气层的射线是（γ）射线，则这正是我们所期待的。γ射线在与其次级射线达到平衡之前必然会穿透一定的大气厚度”。[17]
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在高层大气中电离作用的程度具有上限，因此密立根部分结论的出现也是必然。若大气层中的粒子通量达到峰值，则初始射线一定产生了次级射线。然而，在数年间这一点虽然并未被接受，但初始射线是质子而非光子。另一个具有高度争议性的观点支持了密立根的光子主张：他的研究小组并未发现“纬度效应”的证据。地球周围环绕着磁场，磁场超出了大气层的范围，延伸至宇宙空间中去。因此，若初始宇宙射线粒子带电，它们将会自近赤道纬度向两极方向偏转。反而言之，若像密立根认为的那样，初级粒子是（中性的）光子，则将不会出现这样的地理变异。密立根和他的同僚们多次试图对“纬度效应”进行测试，比如将马尼托巴省丘吉尔市的宇宙射线通量同加州帕萨迪纳市的通量进行对比。直到1931年，他们还是未能发现纬度效应“一丝一毫的证据”，密立根再次庆祝了原子构建假说的成功。[18]但是亚瑟·康普顿并非如此。
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密立根和康普顿的关系由友好变为整个世纪最激烈的公开科学争论的双方。由密立根一方的资料文件看来，很明显两个人都卷入了争论之中，甚至对彼此的科学笃实性进行了诋毁中伤。两名诺贝尔得主被卷入“狗咬狗的混战”（密立根有时这样称呼这次争论）之中，观战的新闻媒体从这样的景象中取乐，将其登载为头版新闻。[19]为了赶超密立根及其同僚的纬度效应研究，康普顿同一个开展大型宇宙射线密度地理考察的小组进行合作。在投稿给《物理评论》的通讯文章中，[20]他们宣称，纬度效应确实存在并且十分强烈，排除了密立根的观点：所有海平面带电粒子都是地球大气中的次级产物。[21]
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康普顿的挑战并不是密立根面临的唯一难题。1929年，瓦尔特·玻特（Watther Bothe）和沃纳·科赫斯特（Werner Kolhörster）进行的实验可能对初诞生理论造成了毁灭性的影响。[22]两人并未将关注点集中在不同位置的验电器的放电率上，而是希望直接发现射线的本质。为了这一目的，他们利用了最新发明的盖革-穆勒计数管，它本质上是一个大型的柱形电容器，其中含有一个空心圆柱体传导器，沿中轴带有导线。计数管和导线间具有高电位恒差。当带电粒子穿过空气时，部分原子产生电离。由于导线和管壁之间的电势梯度，离子迅速开始移动，使碰撞到的部分原子被电离。在离子产生传递效应时产生了大量电流，仪器开始放电。随后会出现电流浪涌，可以通过验电器等途径表现出来。
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玻特和科赫斯特计划使用两枚盖革-穆勒管，分别连接到一台验电器上，管之间用金块隔开。若计数管同时放电较预期随机放电情况更频繁，则明确证明单个带电粒子通过了中间的铅板。获得这一结论的首要困难在于，对两台验电器的简单观察所能提供的时间分辨率较差。然而，1929年玻特和科赫斯特对他们的数据十分相信，认为自己已经证明了宇宙射线中包含穿透性的带电粒子。
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在此可以发现将玻特和科赫斯特称为“μ介子发现者”的依据。需要注意的是他们的论证战略远大，后文中我们还将多次了解到这一点。其中存在着一种背景或模仿过程——此种情况下表现为独立粒子“偶然”触发计数器时的可测量率。实验者说明了符合计数率超过偶然率，证明了它们的信号盖过了背景。在后文中，我们将看到其他的物理学家们在新的背景条件下重新进行“已终结”的研究案例，这些案例并不是由独立事件引发的。
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20世纪20年代末，在佛罗伦萨进行研究工作的布鲁诺·罗西对这一来自德国的结论表示了赞同。罗西对玻特和科赫斯特的研究产生了兴趣，他来到了玻特的实验室，努力对他们的实验进行改进。[23]罗西在技术上的独创性贡献是真空管电路，仅在向电路同时施加两次或更多脉冲后，该电路会释放出一次脉冲。[24]这正是宇宙射线研究中需要的仪器，在改造之后，“符合电路”成为了实验物理学中使用最为广泛的工具。罗西将三个计数管连接到了符合电路上，使得只有具有垂直路径的带电粒子才能使三个计数管放电，由此记录仪器记下该事件。通过插入不同数量的铅板，他得以对德国结论进行再次确认，确定性大大提高：某些粒子穿透了1米厚的铅板。[25]
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