一個接一個的粒子
如同對科學未來的大多數重大宣告一樣，麥克斯韋的判斷——實驗永遠不會就單一原子層面進行研究——被證實是錯誤的。確實，單個粒子的研究標誌著物理實驗領域的深刻變革：引入新的裝置設備，將微觀物理實體存在性相關的新辯論引入學科中來。「未來的科學史學家可能會將其記錄為時代的一個突出特點，在過去的幾十年間我們快速地獲得了對單個和少量原子的研究能力。」一位當代觀察家這樣寫道。盧瑟福（Rutherford）的電子計數設備和查爾斯·T.R.威爾遜（Charles T.R.Wilson）的雲室為逐一測量相互作用提供了途徑。這些方法共同為「根本性的新型研究」打下了堅實的基礎。[1]
為了探尋這一「新型」實驗研究，我們需要再一次將目標對準實驗集群。此時關注點在宇宙射線上，它和放射現象的存在使物理學家不得不面對單個粒子的本質：它們是什麼？如何互相影響？最明顯但引起反響最弱的一個問題是：海平面宇宙射線的基本構成成分是什麼？兩種實驗傳統給出的解答揭示出了部分早期發現的「粒子」的結構。它也將闡明，對新型實體的信任判斷是處於實驗和理論預期的不同層面。
我們將再次涉及旋磁研究中探討的一些主題，但此時實驗室環境已變得更為複雜。我們將試圖瞭解，不同的理論層面在這些實驗結束過程中到底扮演了何種角色，如廣泛使用的狄拉克（Dirac）和湯川秀樹（Yukawa）的高級理論，甚至羅伯特·密立根基於宗教的推斷等。需要納入考慮範圍的特定模型還有很多，較愛因斯坦的繞軌電子理論而言更為複雜。隨著成群的實驗者們對實驗進行整合，為了獲得實驗結論進行三角測量，實驗工作也變得更加複雜。就連實驗裝置的複雜程度也有了提高，觸發雲室及其感光子系統的計數器開始由真空管電路陣列控制。
考慮到實證工作中新技術的精密性，論證後物理學家對論證組成部分意見不一也就不足為奇了。比如，μ介子是海平面宇宙輻射的主要構成部分，若欲瞭解它的發現時間，獲得的答案將是雜亂無章的。吉爾伯托·貝爾納迪尼（Gilberto Bernardini）認為，「μ介子是大部分宇宙射線產生的一種特殊電離碎片，1929年玻特（Bothe）和科赫斯特（Kolhorster）在實驗中發現了它的存在」。[2]約翰·惠勒（John Wheeler）認為尼爾斯·玻爾和E.J.威廉姆斯（E.J.Williams）的理論研究，連同卡爾·D.安德森與賽斯·內德梅耶的實驗確證共同在1936年「證實了介子的存在」。[3]相比之下，布魯諾·羅西認為，安德森、尼德美爾（Neddermeyer）、傑貝茲·科裡·斯特裡特和愛德華·卡爾·史蒂芬孫在「1937年發現了μ介子」。[4]斯特裡特本人則將其歸功於約翰·F.卡爾森（John F.Carlson）和J.羅伯特·奧本海默，兩人在1937年首次主張可能存在新型粒子，其質量在質子和電子之間。[5]亞伯拉罕·派斯（Abraham Pais）在粒子物理學起源相關文章的開端表示，塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell）在1947年發現了介子。[6]
這五位卓越的物理學家在回顧本學科的當代核心事件之時，對其誕生時間的看法竟然相差18年。這些實驗是何時結束的？只有在對20世紀二三十年代的理論和實驗假說進行重構之後，才可能瞭解這一看法差異產生的原因。在此過程中，戰前的實驗研究圖景將逐步浮現出來，展示出實驗實踐與理論之間的關係，我們將獲得較旋磁研究中所獲的更為深入的瞭解。針對實驗是如何結束這一問題，其中包含了比優先次序爭論更為迫切的問題——至少對論證以外的問題而言十分迫切。問題正在於對這一含義的理解：實驗家獲得結論稱，他們發現了微觀物理學世界中的新物質。
同前一章一樣，我們首先由實驗裝置談起。麥克斯韋明確地拒絕對單個原子進行研究，因此任何人在習慣了他所形容的那種19世紀的工具組合之後，都自然會認為蓋革計數器十分新奇。即便如此，麥克斯韋對科學裝置的分類仍然適用於實驗的新紀元。然而，現在能量的來源不再是火焰與燈光照明，而是放射性材料或宇宙射線。粒子探測器，尤其是雲室，同過去的指示器不同，無需指向刻度盤上的數字。在帶電粒子以任意軌線通過時，它的響應次數非常多，原則上講是無窮大的。
20世紀30年代，基礎物理學的興趣點轉移到了宇宙射線裝置上，在裝置尺寸和費用方面並無太大的變化。按照慣例，研究人員以不同的方法在試制車間製造蓋革計數管，並非所有的計數管都有明確的說明：使用自來水沖洗3次、蒸餾水沖洗1次，將硝酸（HNO3）與硫酸（H2SO4）以1:3配比後再次清洗，然後在120度條件下烘乾，烘乾後以特殊的形式密封等。其主要成本僅僅是物理學家或技術人員所花費的有限時間。費用較貴的是精心製造的雲室。1938年，哈佛大學的物理學家們在「大型」雲室[7]上花費了500美元（1500美元）（見圖3.1和圖3.2）。斯特裡特為宇宙射線探索配備設施的花銷也不過如此：在1933至1934年間，1個大型電離室、3個小型電離室和6個計數器，合計約800美元（2200美元）。這些設備以後均可在其他實驗中重複使用。[8]
圖3.1 斯特裡特的雲室。斯特裡特和史蒂芬孫在研究中使用該儀器，引領了μ介子的發現。斯特裡特和他的學生們在最後的實驗中製造了一個更大的木質雲室。來源：Street and Steuenson，「Design and Operation，」Rev，Sci.Instr.7（1936）：349.
圖3.2 卡爾·安德森（Carl Anderson）與雲室、磁體（攝於1932年前後）。圖中顯示聚光燈燈光穿過中部黑箱（位於電磁體的中心）照射入雲室。該設備被安德森用於質子和μ介子的發現實驗中。來源：Institute Archives，California Institute of Technology.
這樣的花銷情況詮釋出了許多美國實驗室申請設備和提供資金支持的典型模式。斯特裡特向實驗室主管西奧多·萊曼（Theodore Lyman）申請800美元的資金，用於本人在一年內的研究。萊曼將申請書轉遞給彌爾頓基金，該基金是涵蓋各所高等院校的資助型科研基金（見圖3.3）。斯特裡特需要的僅僅是萊曼手寫的一封短信，說明項目的目的並簡要解釋其必要性：「康普頓教授和密立根得到的結果不一致，這表明學界內正深深期盼著對宇宙射線本質的數據積累。」這一請求獲得了批准。
圖3.3 斯特裡特宇宙射線研究經費申請，1933年1月6日由西奧多·萊曼提交至哈佛大學彌爾頓基金會。來源：LP.file「Milton Fund.」.未經哈佛大學檔案室允許不得轉載。
大型電磁體的花費更加昂貴，宇宙射線物理學家們需要用它來使帶電粒子偏轉，進而確定其動量。如同斯特裡特在1934至1935年的情況一樣，此類大型輔助設備約需花費1000美元（2800美元）。[9]在之前的數年，安德森在美國西海岸地區組裝了一台大型電磁體設備；英國的帕特裡克·布萊克特（P.M.S.Blackett）購買了一塊磁體，花費約1000英鎊（20000美元），隨後該磁體被用於多項實驗。[10]嚴格說來，該項資金投入理應由使用了該設備的各個實驗分攤。比如，在μ介子的發現實驗中，斯特裡特使用的磁體曾在之前的核磁共振研究中使用過。[11]即便磁體的使用壽命僅能滿足宇宙射線實驗的整個使用過程，斯特裡特的裝置花費仍不足每年2000美元（5500美元）。鑒於20世紀30年代時，絕大多數宇宙射線物理學家使用的工具儀器大體相同，如雲室、電離室、計數器和磁體等，這一金額可以滿足多種不同的特定實驗安排需要。除硬件外，這些物理學家還購入了耐久性較低的物品和服務，以備高山和高緯度研究探測時使用。1934年，斯特裡特的秘魯探測前期預算為2000美元（5500美元）。[12]
由此可見，在20世紀30年代，宇宙射線研究裝置的花費同19世紀70年代麥克斯韋學派的水準並無太大差別。實驗的小規模性使其可重複、可移植，因此十分重要。宇宙射線實驗通常必須在高山或不同經緯度地區進行。廉價的實驗裝置也使得學生們可以改造儀器，賦予實驗部分的自動性和輔助性。這些特性與下一章中介紹的大規模實驗所用的硬件設備形成了鮮明的對比。當然，實驗規模並不代表一切，在實驗家對研究結果的信任程度問題上，與單個原子過程相關的重要證據扮演了必不可少的角色。
註釋
[1] Andrade，Atom（1924），285.因一些不確定的原因，安德雷德也將阿斯頓在質譜學方面的研究成果作為研究單個原子的一種方法。
[2] 費米實驗室舉辦的國際研討會上的文章，參見Bernardini，「Discovery」；（此處參考第1頁）；隨後布朗和霍德森對文章進行了概括，參見Birth（1983）.
[3] Wheeler，「Men and Moments，」in Nuclear Physics（1979），242.
[4] Rossi，Cosmic Rays（1964），109.
[5] Street，「Ray Showers，」J.Franklin Inst.227（1939）：765-788.
[6] Pais，「Particles，」Phys.Today 21（1968）：24-28.
[7] Lyman，「Milton Fund，」January 1938，LP，file「Milton Fund.」Woodward，thesis（1935），29.
[8] Lyman to Milton Fund，21 June 1934；Lyman，「Applicalion，」6 January 1933；Dunham，「Expedition，6，December 1932.」All from LP，file「Milton Fund」.
[9] Lyman and Street，「Milton Fund.8 January 1934」；Lyman to Jewell.1 February 1934.All from LP，file「Milton Fund」.
[10] J.G.Wilson，interview，4 September 1985.
[11] E.M.珀塞爾，私人交流。
[12] Lyman to Merriam 10 March 1933：Merriam to Lyman，15 March 1933.All from LP，file「Merriam.」這個資金由華盛頓卡內基研究所提供。