一封开启未来的信
相信不会有人怀疑,现实中的信件邮寄的需求如今越来越少了,连圣诞或新年的贺卡这些年也慢慢势微,甚至逐渐被淡忘,至少我是这样。当然这里面不包括快递。
前几日,有个梦想当宇航员的5岁英国男孩想把信寄到火星去,写信向邮局询问。英国皇家邮政有些犯难,好在咨询了NASA后终于给出报价——11602英镑,约合人民币11万多。据说他们的算法是依据“好奇号”的花费并根据重量折算出的,这对于一个男孩来说无疑是天文数字,零花钱显然是不够了。尽管现在看来寄信到火星还为时尚早,但谁又敢否认这个孩子天真背后的无限可能呢?你看,马斯克的spaceX不是已经回收火箭了吗?
刚过去不久的12月4日在物理学历史上也有一封著名的信件,这就是泡利的一封信,没错,就是被人称作“上帝的鞭子”的美籍奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利寄到苏黎世的信。
在1930年的12月4日,泡利给苏黎世联邦工学院物理研究所写了封信。信是写给准备在德国图宾根开会的核物理研究同行,抬头是略带着幽默的称谓:“亲爱的放射性的女士们、先生们”,据说这封信实际的收信人是盖革和迈特纳。在这封用打字机打印的一页纸的信中他大胆提出了一种新的设想:存在一种极小的还无法探测到的中性粒子,从而可以说明β衰变光谱连续的问题。正是这封看似寻常的信,使泡利成了最早提出中微子假说的人,并开启了物理研究的新篇章。
当然一开始泡利提出的名字是中子,而1932真正的中子被查德威克发现后,这个名字被占用了。随后恩里科·费米在研究β衰变的理论时根据意大利语中子的双关语将其改造,把后缀变了一下,因为后缀-one在意大利语中表示“大”的东西,而表示“小”的后缀是-ino。自此,“中子”正式命名中微子,中文译名有时也作微中子。
二十年代末,一种放射性元素β能谱连续性的解释遇到了困难,与之前α衰变的分立谱截然不同,问题主要是原子核能量量子化,这样能谱必然是离散的。而且各种迹象表明,被奉为圭臬的能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律正面临挑战。在物理学家一筹莫展之际,量子力学的领军人物玻尔宣称:神圣不可侵犯的能量守恒定律失效了!并重提他的能量统计守恒性的假说。眼看经典的守恒定律也许真的要在量子中修改了。
泡利并不赞同玻尔等人的理论,他认为这个代价有点儿高,被无数次实验验证的守恒定律竟为了解释小小的β衰变而改变,让人很不甘心。泡利凭借过人直觉和洞察力这样思考:如果电荷守恒定律还成立,那么能量守恒没有理由不成立,而且如果能量不守恒,为何有只表现出减少而不是增加呢?在这封信中他大胆地提出假设:解释β衰变唯一的出路在于除电子外,还有一种穿透能力很强的中性粒子被释放出来,从而保证了能量的守恒。这种粒子自旋1/2并遵守不相容原理,质量不应超过质子的0.01倍。它不易与其他物质作用,以至于任何探测器都无法探测到它……正如后来泡利自己所言,他提出了一种可能永远无法找到的“鬼”粒子。这样的假设当然需要足够的勇气与胆识。
他在信中也坦言,自己没有足够的信心发表这一假设,仅告之同行知晓并希望实验物理学家在实验中对这种穿透力10倍于γ射线给予足够关注。同时也承认自己有点儿先验主义与赌博的意味。至于泡利无法参加学术会议的原因,理由那是相当的充分,就是要留下来参加舞会。这就是泡利。
之后,尽管有不少科学家对这种假设采取了怀疑的态度。但随着1932年中子的发现,1934年费米沿着泡利的思路对β衰变提出了更为深入的阐释,解决了另一个困扰人们的问题,即β衰变的电子到底从何而来。最终提出,费米的弱相互作用的衰变理论获得了成功。泡利的中微子假说解决了β衰变的两大难题,也开启了粒子物理通向未来的大门。
1945年,因他在1925年发现的“泡利不相容原理”,泡利获诺贝尔物理学奖。他虽没有因中微子的预言而获得诺贝尔奖,但他在去世前两年的1956年等到了中微子的发现,美国物理学家柯万和莱因斯等通过第一次通过核反应堆β衰变实验直接探测到了中微子,并第一时间告知了这位中微子之父,泡利在回给他们的电报中说:“感谢您的消息,对于懂得等待的人,一切终将了然。”1958年12月15日泡利去世。■