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实验是如何终结的？ [:1700965612]
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实验是如何终结的？ 新粒子的两个例证
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1936年12月8日，《物理评论》收到了奥本海默和卡尔森投来的论文。其时安德森开始思考自己对新粒子的实验论证是否墨守成规，在这样的想法边缘犹疑不决。在之前的11月12日，安德森在加州理工学院物理系举办了一次小型讨论会，不久之前他刚刚获知自己因为发现正电子而获得了诺贝尔物理学奖。《科学服务》（Science Service）对此进行了报道，报告人火速发出消息称安德森“发现证据证明了宇宙射线中存在与电子类似但不同的未知粒子”。据称，安德森将不会“冒险去猜测未知粒子的真身，但他指出，虽然它们与电子的质量不同，却很可能带有同样的电荷”。奥本海默与卡尔森在准备簇射模型时，可能也受到了这一说法的影响。[1]但是安德森仍然犹疑不决，没有对观点进行发表。
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1936年12月12日，在诺贝尔物理学奖获奖演说中安德森又回到了这个问题上。在结束语中他谨慎地提出，确实存在“高穿透力的粒子，虽然并非自由正、负电子，但貌似包含了带有单位电荷的正、负粒子，这将为未来的研究提供有趣的题材”[2]，对此他并未作出详细的阐释。
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但是，安德森和尼德美尔必定已意识到了，若欲在物理学界发表研究成果，他们需要在同样的能量条件下对簇射粒子和穿透粒子的能量损失进行成熟的对比研究。这将粉碎这一可能性：两种类型的粒子都是电子，只是在高能条件下辐射较少而已。对每穿透1厘米时单个粒子的能量损失进行绘图后，他们认为奥本海默的结论更具说服力（见图3.10和图3.11）。两幅图中最为明显的就是两个数据点集间的泾渭分明，在1937年3月30日收到并于5月15日发表的文章中，两人对此进行了解释，为学界同僚们提供了非此即彼的选择：
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图3.10 安德森提出的新粒子能量损失之证据。图3.10和3.11均说明了，簇射和非簇射粒子的表现并不相同。对每厘米铂板中的轨迹曲率变化进行测量后，发现了能量的变化。每个粒子均被标记为一个点，y轴代表比能损耗，x轴代表初始能量。E的测量单位为兆电子伏特。单独的标志表示单个穿透粒子、簇射中的粒子和产生簇射的粒子。来源：Neddermeyer and Anderson，“Nature of Particles，”Phys.Rev.51（1937）：884.
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图3.11 安德森和尼德美尔对新粒子存在的附加证据。同图3.10一样，本图中显示出了簇射和非簇射粒子的不同表现。图中描绘了观测到的能量损失较少的粒子的数量与该损失的观测次数之间的关系。阴影面积表示粒子伴随其他粒子进入，或粒子本身在铂板中产生簇射。ΔE/E的负值取自于结果的统计学分布及粒子获得能量的上行运动。来源：Neddermeyer and Anderson，“Nature of Particles，”Phys.Rev.51（1937）：884.
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对穿透粒子的理解遭遇了极大的困难，但从目前看来，是受到了这两种假定的限制：①电子（正电子或负电子）除了其带电性和质量之外还具有某种性质，这种性质解释了重元素中为何不存在大量大幅度的辐射损失；②存在带单位电荷的粒子，但是它的质量（可能不具有唯一值）要大于正常的自由电子的质量，但大大小于质子的质量。这一假设也可以解释为何不存在大量大幅度的辐射损失，并对观测到的电离现象做出了解释。鉴于电荷和质量是量子论描述电子特征时的唯一参数，第二种假说貌似更具可信性。[3]
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需要注意的是这一结论中暗含了多层的论证：基于量子论的论证、基于质量测定的论证以及基于簇射和穿透粒子之间区分性的论证。在后文中我们将在更深层次上对这一结论进行分析。
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现在让我们回到斯特里特和史蒂芬孙的研究中来，两人几乎同时（1937年4月）得出了相似的结论，但是两人的推论却不尽相同。他们的论证包含两个部分：首先，作为博士论文的一部分，富塞尔使用厚度约为0.07厘米的极薄板进行了簇射研究。[4]他希望凭此可以打碎簇射轨迹的复杂网络（见图3.8），对更为简单的部分进行研究。他在论文中写道，薄板将“通过实验途径在（量子电动力学）和认为簇射是由单个元素过程形成的早期（模型）间进行判断”。[5]我们可以真实地看到，如同卡尔森和奥本海默预测的那样，簇射是如何由电子对积累构建起来的。部分电子对的上方甚至存在空白区域，同光子的通过状态相符。富塞尔总结称，观测对簇射的辐射和电子对形成理论给予了强有力的支持”[6]（见图3.12）。
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图3.12 富塞尔使用薄板进行的簇射分析（1938年）。斯特里特试图对贝特-海特勒理论进行检验，他利用量子力学对带电粒子穿透物质时的能量损失进行计算。他令学生富塞尔将极薄板安装于云室中，若“爆丛”是由元素过程复合而来，那么在复合形成时可以进行研究。正如这一（立体）照片显示，构造的过程呈阶梯式出现，同量子电动力学的情况一致。一小部分的爆丛貌似是由单个点中产生的。来源：Fussell，thesis（1938），85.
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斯特里特之后转向了对宇宙射线穿透性部分的范围、能量和簇射能力的研究，对贝特-海特勒-卡尔森-奥本海默理论对簇射构成成分的解释能力具有完全的信心。[7]如图3.13所示，使用了双重云室来捕捉“新型”粒子。上方的云室显示出粒子的动量以及粒子是单个粒子还是簇射的一部分；计数器用于触发云室扩张；下方的云室显示出粒子是否会产生簇射。斯特里特将研究结果列入表格，结果显示与量子论所认为的相同动量电子相比，穿透了6厘米厚铅板的非簇射粒子数量是其的10000倍。不仅如此，斯特里特非簇射粒子中的许多粒子具有的能量可以同1936年安德森测量出的能量相提并论。[8]一方面而言，两种粒子的穿透能力完全不同。斯特里特总结称自己发现的粒子并非电子。另一方面，非簇射粒子的电离作用太弱，不可能是质子。这些穿透性微粒确实应该是“物理学的陌生领域”。
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图3.13 斯特里特和史蒂芬孙的范围能量损失实验装置（1937—1939年）。左图为侧面图，右图为正面图。C1、C2、C3和C4是四个盖革-穆勒计数管，触发两个云室Ch1和Ch2产生同时扩张。云室Ch1位于7000高斯的水平磁场中，用于测量粒子动量。Ch2中有三块铅板（阴影部分），用以辨认产生簇射的粒子。斯特里特使用这一复合装置来论证：同种能量条件下存在两种粒子，一种产生不具穿透力的粒子，另一种不产生簇射但具有强穿透力。产生簇射的粒子的表现与贝特-海特勒理论的观点是一致的。来源：Street，“Showers，”J.Franklin Inst.227（1939）：778.未经培格曼期刊有限公司允许不得转载。
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詹姆斯·巴特利特（James Bartlett）是一名来自伊利诺伊州的理论物理学家，造访了特普林斯顿高等研究院之后他立刻写信给斯特里特，对其研究结果进行了质疑：“总体来说，我觉得仅凭理论上的停止作用曲线就将质子排除在外是有相当大的风险的。”[9]1937年5月，斯特里特以信心满满的断言反驳了巴特利特：“质子被排除是毋庸置疑的。”[10]然后他又再次证明了电子论的不成立，详尽地计算了多种已知的质子轨迹具有的能量。
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贝特的《手册》（Handbuch）中认为低能质子（约100兆电子伏特）无法穿透1厘米以上的厚度，但斯特里特的实验中有6个粒子均能穿透6厘米以上的厚度。在中等距离内，30个粒子中有26个穿透的深度要大于质子的水平，“为了得出最终结论”，斯特里特称电离作用明确显示出部分粒子是质子，它们的穿透深度要浅于贝特“权威著述”中认为的深度。因此，巴特利特重新进行了实验，认为停止曲线“仅具有”理论性。斯特里特对此进行了反驳，他论证称被独立地辨认为质子的粒子是符合贝特-海特勒的质子公式的。
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此外也存在着其他与质子具有相同能量的粒子，它们的电离程度明显较小，穿透深度更深（见图3.14）。“我认为，”对自己的辩护之辞斯特里特这样总结道，“这些观测结果是新型粒子存在的充分理由。”
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图3.14 对质子论的反面论证。图为斯特里特和史蒂芬孙于1937年开始的实验中获得的典型照片，实验使用了图3.13中的两台云室装置。左侧为质子，右侧为新型粒子。上方的云室位于磁场中，轨迹曲率显示两种粒子的动量是相同的（6千亿电子伏）。下方的云室中装有铅板，当新粒子在最小电离情况下穿过三块1厘米厚的铅板时，显示出的质子轨迹十分密集，并且轨迹在经过首块铅板时消失了。在上方的云室中可以看到两种粒子的电离情况并不相同。来源：SP.Cf.Street，“Developments，”in Present state of Physics（1954），32.
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虽然使斯特里特和史蒂芬孙确信新粒子存在的是范围能量实验，但是他们被人们所铭记并非是由于这一研究。斯图尔特也能够设计一系列的计数器，拍下任何穿透厚铅板的事件照片，但是他未能在云室中完成这一过程。事实情况是由于粒子靠近其轨道尽头时移动速度十分缓慢，足以因磁体作用而产生偏转，因此有机会测量其质量。在拍下了近千张照片之后，1937年10月斯特里特和史蒂芬孙成功地发现了一个停止穿透粒子。几周后他们公布了该张照片。照片中密集的电离和曲率轨道显示，粒子的质量是电子质量的130倍，许多物理学家都对这张不平凡的照片感到信服。贝特也加入了支持者的行列，并在次年3月报告布莱克特称，新粒子的证据具有了决定性的说服力：“貌似我不得不相信（新粒子的）存在”。[11]在那之后，多篇文章都引用了图3.15中的照片。[12]
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