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被理論確證、被實驗確證

跟隨著安德森、尼德美爾、斯特裡特和史蒂芬孫等人的腳步,宇宙射線實驗家們將注意力轉至新粒子質量的確定。接受新粒子觀點的學界圈迅速擴展。仁科芳雄、竹內柩(Masa Takeuchi)和一宮虎雄(Torao Ichimiya)發表的估算質量大大高於斯特裡特兩人所認為的質量。仁科等三人認為m=200~300m0,其中m0表示電子質量。[1]這一結果很快被戴爾·科森(Dale Corson)和羅伯特·布羅德(Robert Brode)所印證,兩人給出了兩個質量估算值,其中較小的為350m0,較大的為700m0。[2]同斯特裡特和史蒂芬孫相符,E.J.威廉姆斯和皮卡普(E.Pickup)推導出的值為200m0;亞瑟·魯林格(Arthur Ruhlig)和賀拉斯.R.克拉內(Horace R.Crane)判斷粒子質量為120±30m0。[3]鑒於這些研究和自己未來實驗所具有的不確定性,尼德美爾推測,新粒子不應被認定為具有確定的質量。[4]大體而言,物理學家們已經接受了新實體的存在,並期望它能具有確定的質量,很快他們將其確定為210m0。

特別是在理論家中,對新粒子的認可受到了某種論證的有力促進,該論證源於量子場論的崇高高度,在之前它與實驗家們完全無關。諷刺的是,幾年之後理論家們也將它視為無關緊要了。1935年,湯川秀樹對量子電動力學的無質量光子交換觀點進行類比後,猜測束縛著原子核的核子力可能是由重粒子交換產生。[5]

由於μ介子的質量與湯川粒子的質量大致相同,1937年6月,奧本海默與賽培爾猜測湯川粒子與新發現的物質實際上可能是同一種粒子。[6]對此,弗裡持同意態度。在該年秋季前後,弗裡向研討會提交了一份名為《新帶電粒子假說的推測背景》(Speculative Background for Hypothesis of New Charged Particle)的文章,在文章中他概述了對「湯川介子」的論證。在「優越的條件下」,弗裡的筆記具有「合宜的力量,沒有分歧,幾乎是獨一無二的理論」。[7]因此,當實驗家們發現了符合正確質量範圍的粒子時,它是如此符合該範圍,以至於不可能不是湯川粒子。不久之後,貝特也在信中稱「我正在嘗試去發現,作為令人滿意的核力理論的基礎,(新粒子)還能走多遠。我認為霍米·賈汗季·巴巴(Homi Jehaugir Bhabha)的研究路線也是大致相同的。」[8]

如果說還需要對穿透粒子的「湯川介子」身份判斷進行確認,那麼貌似是在1938至1939年間進行的。在此期間,在不同海拔高度的μ介子通量觀察顯示出,介子在飛行狀態中的衰變與湯川理論中預測的情況大致相同。「二戰」期間,數位實驗者均對μ介子的衰變進行了直接的確認。[9]

賽培爾曾講述過一樁具有啟發性的軼事。很明顯,在「湯川介子」相關論文的準備階段,奧本海默在其中加入了一個章節,並指出:根據湯川理論,湯川粒子肯定會產生衰變,衰變後特定量空氣中的表觀吸收與同樣質量固體中的表觀吸收之間會有不同。這是因為粒子穿透空氣的時間相對更長,衰變的機會也更多。對這一章節中的內容,密立根持強烈的反對態度,以至於奧本海默將文章交予賽培爾進行多次修訂,直至最終惹惱了賽培爾,賽培爾建議在文章中刪除這一部分。這些引起不快的內容與密立根自20世紀20年代開始進行的實驗間產生了牴觸,這些實驗引領了初誕生理論的建立。這些內容最後沒有出現在文章中。密立根——那位被稱為「領袖」的人——是需要對付的力量。[10]

戰爭結束後,人們開發出了新的粒子檢測方法,至此μ介子和π介子——與原子核產生相互作用的「真正的」湯川粒子——之間才得到了決定性的區分。隨著多種新粒子陸續被發現,人們開始建造可以產生這些實體的新式大型加速器。幾乎同時,費曼、施溫格和朝永振一郎(Schinichiro Tomonaga)開始建立起可以被接受的量子場論——基本粒子物理學。

在μ介子的存在被認可之後,羅西、斯特裡特和安德森繼續進行著宇宙射線問題的研究。但是,密立根從未徹底捨棄過他的初誕生理論。到了1939年,連他都不得不承認存在高能宇宙射線粒子,其能量過高以至於無法通過原子構建理論中的能量轉換來解釋。與此同時,他提出宇宙中存在一種新的轉換形式,並以此來解釋宇宙射線粒子的構成:在整個宇宙中,原子不斷被湮滅,產生高能光子和電子對。在餘下的人生中,密立根未曾間斷對這最後理論的修改,但是他已經離物理學的主流方向越來越遙遠了。


註釋

[1] Nishina,Takeuchi,and Ichimiya,「Cosmic-Ray Particles,」Phys.Rev.52(1937):1198-1199.

[2] Corson and Brode,「Intermediate Mass,」Phys.Rev.53(1938):215.

[3] Williams and Pickup,「Heavy Electrons,」Nature 141(1938):684-685;Ruhlig and Crane,「Inter-mediate Mass,」Phys.Rev.53(1938):266.

[4] Neddermeyer,「Penetrating Particles,」Phys.Rev.53(1938):102-103.

[5] Yukawa,「Interaction.」Proc.Phys.-Math.Soc.Jap.17(1935):48-57.對於本作品中更好的歷史評論,參見Brown.「Yukawa\'s Meson.」Centaurus 25(1981):71-132.

[6] Oppenheimer and Serber,「Note on Particles,」Phys.Rev.51(1937):1113.

[7] Furry,「Speculative Background,」file「New Charged Particle Colloquium 1937,」FP.

[8] Bethe to Blackett,8 March 1938,BC,box 3.

[9] Rossi,「Decay,」in Brown and Hoddeson,Birth(1983),183-205.

[10] Oppenheimer and Serber,「Note on Particles,」Phys.Rev.51(1937):1113;Serber,「1930s,」in Brown and Hoddeson,Birth(1983),212-213;Neher,「Cosmic Rays,」in Brown and Hoddeson,Birth(1983),123.