尼爾斯·波爾(Niels Bohr) 圖片來源:
能量守恒定律,是目前已知、界定于自然界里、最為基本的守恒定律當中的其中一個,它最初是被德國物理學(xué)家尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾(von Mayer),在1841年給提出來的 。
能量守恒定律,又被稱作熱力學(xué)第一定律,它有這樣一種廣為人知的表述,即“能量既不能自己產(chǎn)生,也不能自己消滅”。它是現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一,幾乎神圣到不可被侵犯。然而,有一些科學(xué)家曾嘗試去顛覆這條如同鐵般的定律,里最著名的代表人物,是量子論的創(chuàng)始人之一,丹麥物理學(xué)家尼爾斯·波爾 (Niels Bohr)。

20 世紀剛開始的時候,是量子論以及量子力學(xué)先后問世的不同尋常時期,那時有好些重要的科學(xué)問題,在對物理學(xué)家造成困擾,其中的一個問題,就是光跟電磁輻射的波粒二象性問題,一方面,光于雙縫干涉實驗里,展現(xiàn)出了它的波動性,另一方面,光在光電效應(yīng)實驗中呈現(xiàn)出的卻是它的粒子性。
在試著找尋一個可描述光的波粒二象性的量子理論之時,有人覺得放棄能量與動量守恒定律或許是一條行得通的途徑。在此期間,有一些大物理學(xué)家,其中涵蓋阿爾伯特·愛因斯坦( )以及阿諾德·索末菲( ),開始私底下探討能量不守恒的可能性,然而在這條道路上走得最遠的卻是波爾。
1924年,波爾同他的學(xué)生亨德里克·安東尼·克喇末合作,還與美國物理學(xué)家約翰·克拉克·萊斯特合作,發(fā)表了一篇題作“輻射的量子理論”的文章,公開拋出了一個極具爭議的思想,即能量和動量在單個微觀相互作用過程中不必守恒,只需在統(tǒng)計意義上保持守恒。這個挑戰(zhàn)能量和動量守恒定律的大膽想法雖非常具有煽動性,卻很快在1925年被著名的康普頓電子 - 光子散射實驗證實是錯誤的。面對著實驗所呈現(xiàn)出來的事實,身為大師級別的波爾即便難免會覺察到尷尬,然而卻并沒有心悅誠服地去舍棄他那看上去似乎瘋狂的想法。
使得讓波爾再度宣揚能量不守恒的直接促使原因乃是物理學(xué)家波爾簡歷,查爾斯·埃利斯(Ellis)以及威廉·伍斯特()于1927年針對β衰變能譜展開精密測量。他們的實驗成果證實了詹姆斯·查德威克(James)早在1914年便發(fā)覺的一個奇異現(xiàn)象,即原子核的β衰變能譜并非當時理論所預(yù)估的分立譜,而是呈逐漸衰減態(tài)勢的連續(xù)譜。分立譜是基于兩個假定的:其一,β衰變釋放出一個較輕的原子核以及一個電子;其二,反應(yīng)前后的能量與動量守恒。故此,若要對實驗觀測到的連續(xù)能譜予以解釋,起碼得舍棄其中一個假設(shè)。向來因思想深邃而聞名的波爾,此次依舊將希望寄托于能量與動量不守恒之上,在后續(xù)的幾年里,他四處展開演講,告知人們能量守恒定律不見得適用于亞原子的單個反應(yīng)過程。
行為和言語上的波爾,對一眾物理學(xué)家進行了刺激,其中,年輕氣盛的沃爾夫?qū)づ堇?Pauli),反應(yīng)格外激烈,他,在1929年,給波爾寫了一封信,信中,狠狠地指出,意思是,“我必須得說,你寫出的那篇放棄掉能量守恒的文章,讓我感到特不滿意,我,不是在說你不可以去做這份事兒,只是在講,那是一場充滿危險的游戲”,經(jīng)過一番深入仔細的思考,泡利做出的選擇乃是堅持能量和動量持續(xù)守恒,不過要對第一個假設(shè)予以修改 。他所擁有的設(shè)想是極為簡單的存在,β衰變這一過程,除了會釋放出一個相對較輕的原子核之外,且還會釋放出一個電子,另外還會放出一個特別輕的,屬電中性的,其自旋為1/2的微小粒子。而后者在當時所處的實驗條件之下是沒有辦法被探測到的,然而它卻帶走了一部分的能量以及動量物理學(xué)家波爾簡歷起步網(wǎng)校,進而使得反應(yīng)末態(tài)情況下的電子能譜變成了連續(xù)譜。

波爾(右)與泡利一起玩陀螺
實話說來,泡利對于自己所提出的新粒子假說,也沒有充足的信心,所以在1930年年底的時候,他僅僅是以信件的形式,把這一想法透露給同行好友,并未正式發(fā)表任何論文。1933年10月,泡利在匯聚了世界頂級物理學(xué)家的索爾維會議上,進行報告,公布了他的新粒子假說。一同參與會議的恩里科·費米,將泡利的新粒子稱作“中微子”,并在其后發(fā)展了弱相互作用的有效理論,成功地解釋了β衰變。1956年6月的時候,泡利提出的中微子假說,終于借助反應(yīng)堆實驗,通過逆β衰變這個過程,得到了證實,而這也就表明,波爾所提出的能量不守恒假說,最終變成了物理史上的一個被人當作笑談的事情。
如下改寫:科學(xué)方面的研究,它其實就是一次又一次地反復(fù)去尋覓那正確答案對應(yīng)的過程,在這樣的過程期間,任何顯得愚蠢的那些個想法以及出現(xiàn)的錯誤,都是能夠被原諒的。然而呢,對于就像波爾這樣處于大師級別的人物來講的話,一次又一次地對能量守恒定律持有懷疑態(tài)度,并且還貿(mào)然地去發(fā)表了一篇持續(xù)時間很短就沒了影響力的論文,這實在是讓人覺得難以想象。換從另外一個角度去進行看待的話,好像也并非是多么奇怪的事情呀:就算是在這整個世界上最為聰明的人,也會存在思維突然出現(xiàn)中斷的那種時候。
