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[30] Blackett and Occhialini，“Photographs，”Proc.R.Soc.London，Ser.A 139（1933）：699-720.
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实验是如何终结的？ [:1700965608]
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实验是如何终结的？ 验证量子力学
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密立根和他的同僚、学生们并不是唯一一个对宇宙射线和相关问题感兴趣的研究小组。欧洲的物理学家们也进行了十分艰难的理论和实验研究，尤其是相对论性量子力学，它带来了带电粒子高能反应可以被理解的希望。试图描述高能粒子的量子理论家包括保罗·狄拉克、沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）、尼尔斯·玻尔、马克斯·玻恩（Max Born）和汉斯·贝特等，大多集中在哥廷根大学和哥本哈根大学。由于相对论性量子力学的实验性检验通常体现在高速电子和光的问题上，宇宙射线实验成为了新物理学的一个试验场，另一个试验场自然是光谱学。
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宇宙射线实验家们的争议点是穿透射线和普通低能带电粒子——电子和质子——之间的关系。高能射线可能是这些带电粒子中的一种吗？这取决于电子和质子在高速状态下的状态，因此在对宇宙射线穿透性质的判断实验中，快速带电粒子理论必定是不可或缺的一部分。本节将对中间计算的作用进行形象地举例，由于它并不是总括级别的理论，物理学家将其称为“现象的”理论。它关注的是实验家应该获得的发现。在这种情况下，通过理论家的计算，实验家能获得的不仅是对比实验结果的数值；这一计算对现象与基本理论实体间的联系进行了根本性的重新整理。
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关于对高能粒子的恰当理论解释，学界进行了最为广泛的猜测。比如，1936年海森堡和泡利专注于对激进理论的发展，将一种基本长度标度引入到了物理学中。他们的研究最终推进了对汤川秀树[1]和恩里科·费米（Enrico Fermi）1934年非电磁量子力研究的理解。尽管他们对此赋予了较高的期望值，最小长度观点仍然不是量子场论和宇宙射线实验工作中的主流。[2]
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量子论对宇宙射线实验的微粒说造成了直接影响，这也是笔者的关注点之所在。与其他理论问题相比，粒子探测的设计和阐释中心尤其集中在——快速带电粒子穿透物质时的能量损失问题上——由玻尔到贝特的思路扩展。这一问题塑造了20世纪30年代中期量子电动力学危机的理论背景。
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快速重带电粒子揭示了原子的结构。卢瑟福破坏原子核时使用的是α射线。在卢瑟福实验室，年轻的玻尔对α射线进行了研究，阻止研究最终回归“旧”量子论。[3]但是，对原子结构和光谱而言，玻尔于1913年至1915年间进行的吸收研究不仅是一块敲门砖。实际上，之后数年对粒子本质的确认尝试都是建立在带电粒子具有穿透物质特性的基础上。正如我们将了解到的一样，在对此的认可中这一基础性尤为显著——宇宙射线的穿透能力是由一种新粒子带来的。
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玻尔提出了一种清晰的经典近似方法，使用它来计算α粒子的能量损失。[4]如图所示，他的分析内容如下[5]：带电粒子由较重的原子核中散射出来时运动方向会改变，但损失的能量极少。反而言之，高动量带电粒子自原子电子中散射出来时，几乎不会因撞击而离开原始轨迹，但是会损失能量。因此，在探讨能量损失问题时，需要考虑的仅仅是带电粒子和原子电子间的碰撞。
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此后，玻尔的论证被分为两个部分。[6]一方面他说明了带电粒子和原子电子间的远距离交会仅会产生较少的能量转移。通过傅里叶（Fourier）对抛射电场的分析，玻尔证明了他的观点，即他展示了如何将电场视为简易平面波的总和。若认为原子电子被束缚于其原子核中，如同简谐振子一般，则问题将简化为经典电动力学的运动。玻尔可以将各个平面波分量的能量转移作为带电谐振子进行计算。通过对各个平面波的贡献进行求和，玻尔说明了远距离交会引起的总的能量转移量较小。
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玻尔又分析了抛射体和原子电子间的近距离交会。假设抛射体与电子近距离交会，则在这短暂的时间里电子不会出现明显的移动。问题被简化为了抛射体对自由电子的影响作用。仅当抛射经过时间短于电子振荡时间时，这一估计是有效的，即：
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图3.6 高速抛射和原子电子间近距离交会的示意图。
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其中γ=（1-β）-1/2，β≡v/c，c表示光速，v表示抛射速度，ω为电子轨道频率，bmax为近距离交会的外边界。图3.6对这一问题进行了阐释。碰撞参量b是抛射体与电子间的最近距离；e和m表示电子的电荷和质量，ez、M和v分别表示抛射体的电荷、质量和速度。
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在近距离交会中，若电子在抛射体经过过程中没有大幅度移动，则抛射开始和结束的方向上所受拉力相等，沿抛射运动方向的动量传递将为零。因此，受垂直于抛射运动的电场E⊥的作用后，电子开始加速。粒子与电子间距离最近（距离b）时，E⊥取极大值，因此得出结果：
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我们将抛射体对电子的有效影响时间Δt大致等同于抛射经过距离b所用的时间：
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则传递至原子电子的动量Δp为：
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据此得到：