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1700967439 听取了安德森和尼德美尔在讨论会上的意见后,贝特立刻认定了这些实验对于贝特-海特勒理论而言并不是好兆头。在会后的讨论阶段,他给出了这样的赞扬之辞:
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1700967441 对于理论物理学而言,安德森和尼德美尔的宇宙射线电子穿透铅板实验具有极大的价值。他们说明了在108伏特左右的能量范围内,大部分的电子能量损失是由(γ)射线而非碰撞引起的。因此,就超出这一范围的能量而言,量子论明显是错误的。[19]
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1700967443 贝特总结称,未来的实验将有必要主要集中在确定量子论出现明显失效时的准确的能量值分界点。
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1700967445 贝特对量子论看法的改变引起了德国人的重视,魏茨泽克、海森堡和其他物理学家也继续着对宇宙射线的相关研究。1934年12月,魏茨泽克向贝特进行了质询:
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1700967447 您现在真的相信E>137mc2这个辐射公式吗?就这一点而言,我觉得安德森在伦敦所做的报告并不是很清晰,但是您曾与他本人进行过交流。在此期间,您发表了一篇评论,从中看来您现在貌似主张(对贝特-海特勒理论)进行计算。但是我不能确定这样的逆转是部分性的还是全局性的。[20]
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1700967449 对于贝特而言,想要承认量子电动力学已然崩坏肯定并不容易。在他看来贝特-海特勒理论是一次巨大的成功,这正是因为它避开了多位物理学家更具“哲学性”的反对意见,这些意见是源于较能量损失测量而言实际性更低的问题。尤其是奥本海默,在得出能量损失具体测量值之前他就对理论表现出了担忧。1932年正电子被发现之后,许多理论家对狄拉克理论进行了再次检验,对其给出的解答给予了比以往更为严肃的对待。1933年春,玻尔在加州理工学院进行了演讲,并同奥本海默一起就电子对的产生相关问题进行了探讨。[21]在演讲之后,奥本海默曾在笔记中记载称自己在研究量子电动力学,在当年10月给其弟弗兰克·奥本海默(Frank Oppenheimer)的信中,也表示过自己仍在继续着这一研究。[22]
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1700967451 在1933年秋天,奥本海默确定狄拉克理论具有重大缺陷。他在给乔治·乌伦贝克的信中写道:“我认为,在应用于电子半径数量级的波长时,辐射理论方法给出的结论完全是错的。”[23]正如1934年6月对其弟透露的那样,奥本海默对物理学已经不抱希望了:
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1700967453 你一定也知道,中微子一直阴魂不散,哥本哈根的同僚违背一切证据、确信宇宙射线构成物是质子,玻恩提出了完全不可量化场论,还有正电子发射方面的难题,人们根本无法精确计算出任何数值,理论物理学现在真是糟透了。[24]
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1700967455 奥本海默对量子论的现状陷入了深深的悲观中,安德森在伦敦会上展示研究结果之前即是如此。1934年11月,安德森展示了这些最终数据后,奥本海默以《高能射线吸收公式是否正确?》为题向《物理评论》投稿。[25]针对文章题目中的问题,他本人给出了响亮的否定答案。他强调这一问题具有双重性:首先,贝特-海特勒理论预言出了能量云室电离作用的增强,安德森、尼德美尔和保罗·昆茨(Paul Kunze)并未观察到这一现象;其次,安德森和尼德美尔测出的比能损耗貌似也过低,无法与该理论相容。于是奥本海默认为,“承认公式是错误的,或者将穿透效果归因于其他某种可吸收性较低的射线构成成分,在此之后才有可能对宇宙射线的强穿透性质进行公正的评价”。[26]因此,从理论上奥本海默对发散问题等保持着根本性的反对意见。此后,安德森的穿透研究结果公布时,奥本海默将其用为证明该理论本质不健全的进一步证据。
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1700967457 奥本海默总结称,这些公式无法适用于高能情况,后来他又试图解释这一不适用的原因,并给出了基于经典洛伦兹电子理论的论证过程。假设电子是电荷在球体中的球面对称分布,经典电子半径为r0=e2/mc2,则只要我们将辐射视为电子的反作用力(v=球体速度),就可以通过F=ma可以得知电子的正确运动:
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1700967462 根据洛伦兹理论我们求出r0,即距离的时间性能量守恒,然后可以确定Frad的值。换言之,T约等于r0/c,其中c为光速,T表示球面一点辐射出的射线穿过球体、到达球面另一边的时间。实质上,球面对自身电场的反作用力使得球体表现出了附加质量;这一力所做的功在量上同球面辐射释放的能量是相等的。若球体释放的功率为P(t),则
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1700967468 由经典电磁学可知则由式3.11可轻易得出
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1700967474 为了明确地运用经典电子理论,该项和高次项必须较小。大概而言,则由上式可以得出
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1700967479 高阶导数项也受到类似的限制。电子运动频率高于(c/r0)时很明显违反了上式中的情况。在量子论条件下,波长小于康普顿电子波长mc2/hc的频率是危险的频率。基于魏茨泽克和威廉姆斯改进后的能量损失理论的影响,傅里叶对抛射体电场进行了分解,检测了各个成分对原子电子的影响作用。若分解的大部分在于临界频率之上的频率,那么奥本海默预见的是灾难。
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1700967481 实际上,上文探讨的一般性魏茨泽克-威廉姆斯理论说明了这样的高频率并不重要。奥本海默的执念只是表达出了他对量子论必将面临危机的强烈预感。他所寻找的是失败的迹象。如果观察得足够仔细,你几乎什么都可以发现,果然奥本海默援引了玻恩最近提出的另一种电动力学观点,观点认为可能确实存在一种很大的高频构成部分。[27]奥本海默认为这就是量子电动力学的坟墓。
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1700967483 奥本海默将自己对高能量子论正确性的高度怀疑态度告知了他的学生罗伯特·赛培尔(Robert Serber)和温德文·弗里(Wendell Furry)等。弗里和J.F.卡尔森重新计算了不同能量光子产生电子对的数量,而后断言在低能条件下他们的实验结论同铍实验(产生了约5兆电子伏特的γ射线)获得了较佳的一致性。但是:
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1700967485 对于2000万伏特以上的能量而言,预测的电子对产生数量甚至要多于奥本海默和普莱赛特所计算的数量,因此就更加无法与实验结果相符。貌似这样的不一致性同量子电动力学具有的根本缺陷之间具有联系。[28]
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1700967487 总而言之,量子电动力学在各个方面均陷入了困境之中。由于该理论即将倾覆,可以证明其缺陷的证据更是比比皆是。奥本海默援引了玻恩的量子电动力学观点来说明该理论将如何倾覆。贝特发现,安德森的穿透射线观点正是对量子论的致命一击。在一段时间里,鉴于新的实验结果和发射的难题,弗里、卡尔森和洛塔尔·诺德海姆(Lothar Nordheim)也认定量子论必将在高能领域收获失败的结局。海森堡相信物理学中包括一种基本长度,因此他也摒弃了量子论。但是,无论物理学家们采取的是哪一种路线,新的实验结果都展示出了一个从未如此严峻的抉择:量子电动力学,抑或可吸收性比电子低的电离辐射。至少在当时而言,对这些问题感兴趣的物理学家们都选择了量子电动力学在高能条件下的覆灭。在给威廉姆斯的信中,玻尔写道:“我越发相信实验结果暗示了电子理论一种新的、基础的可能性,由此有充分的理由相信,经典理论的局限性会为其让位,但是新的迹象并未能给出什么指引。”[29]一种全新的理论貌似才是当下所需。
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