原子衰变与原子合成的理论和实验现状*

罗伯特·密立根

编者按

20世纪20年代中期，罗伯特·密立根将最新在高层大气中发现的高能辐射命名为“宇宙射线”。虽然有些物理学家认为这种射线可能来自大气电，而密立根则赞成其起源于地球之外。他在这篇文章中介绍了近期得到的一些证据以支持这一观点。不稳定放射性元素的发现说明：在不久以前，一定有某种轻元素合成重元素的过程产生了这些原子。密立根认为宇宙射线的碰撞可能就是起因。他还提出了较为广泛地在宇宙空间中形成重元素的过程，但当今确立的理论则认为重元素的生成过程起源于恒星和超新星内部的热核反应，或者形成于早期宇宙的某些反应之中。ft　　英文

我的任务是试图追溯关于物质元素起源和命运问题的科学证据的发展历史。我将列出10个最近100年内的发现或进展，它们会以这种或那种方式与此问题相关联，并且充当着通向答案之路上的指示灯或者路标。ft　　英文

在19世纪中叶以前，人们几乎得不到任何实验上的证据，所以这个问题的解答完全由哲学家和神学家说了算。然后出现了第一个发现，即热和功的等价性，由此导致了能量守恒定律，后者或许能称得上是迄今为止影响最为深远的物理定律。ft　　英文

在这之后，并与此直接相关，热力学第二定律作为第二个发现或构想出现了，该定律最初被解释为（某些人至今仍作此解释）宇宙必然要走向最终的“热寂”，各种活动最终都将停止；因为人们发现所有热的物体都在向外辐射自己的热量，以这种方式散发到宇宙中去的热量显然无法被人类收回。这和经典而简单的《汉普蒂·邓普蒂》歌谣中描述的情况相符（译者注：humpty-dumpty在歌谣中被比作“一经损坏就无法修复的东西”）。有些人提出这即使不是必然结果也是一种很自然的结果，完全适合了中世纪神学的要求，即最初是由救世主灭世或创世这个不断被耗尽的宇宙的。ft　　英文

然后出现了第三个发现，地质学和生物学对进化现象的研究结果表明：就生物学领域而言，创造生命的过程或从低级形式向高级形式发展的过程，已经持续了亿万年而且据推测现在还在继续。这似乎使人们的视线从救世主中转移开来，认为造物主与他的天地万物是等同的，从而强化了上帝无所不在的神学理论，这一理论充分反映了历史上大多数伟大的思想家，从列奥纳多·达·芬奇、伽利略、牛顿、弗朗西斯·培根，一直到爱因斯坦的哲学立场。ft　　英文

一般而言，进化论和进化论者都不倾向于无神论——达尔文尤其如此——但是由于他们的影响，人们的确已开始怀疑救世主理论以及与之相联系的热寂说的合理性。这个最后的学说直接需要假设，我们人类，这些宇宙中某一点上的无限小微粒，已经了解了宇宙中所有组成部分的行为，或者更明确地说，我们现在认定的辐射定律不可能在任何地方出现例外情况，尽管它就是那个曾让我们这些物理学家在过去的30年里犯过6次错误的并非普适的定律，也尽管我们很清楚地知道我们所在行星之外的环境是我们无法复制甚至是无法介入的。因此，大多数有思想的科学工作者都对热寂说采取保留的态度。在我所注意到的关于该问题的正确科学观点方面，没有谁的观点比吉尔伯特·刘易斯在最近讲话中的下述论断更简明、更有说服力，即“热力学并不支持宇宙在退化的假设”。“熵的增加通常只意味着信息的减少，仅此而已”。ft　　英文

第四个与我们这个主题相关的发现是，元素不可改变的观点是完全错误的。到1900年，元素镭已经被分离出来，并得出镭原子的平均寿命大约为2,000年。这显然说明现在的镭原子大约是在那个时间范围内形成的；一两年以后，人们可以观测到从镭中生成的氦元素。这使人们急切地想知道，所有这些由其他元素生成新元素的创造过程，或至少可以说是形成过程，是否不会连续进行——放射性的发现带来了观念上的巨大变化，也有益地告诫了物理学家们要谦虚。然而几年之后，目前已知的两种最重的元素——铀和钍，已被确认都能在生成镭以及一系列相关的衰变产物的过程中得到。既然现在发现作为母原子铀的寿命在10亿年左右，显然我们不用再去追问它是从哪儿来的了。然而，我们倾向于假定它不是现在在地球上形成的。实际上，我们有足够的理由相信所有的放射性过程只局限于极少数很重的元素，它们目前正在释放曾经储存在其内部的能量——我们不知道这种储存是怎样实现的——所以虽然放射现象起初似乎远离了热寂说，可到了最后却不是完全如此。放射现象看起来其实仅仅是储存能慢慢转化为明显不可逆转的辐射热的一种机制——“汉普蒂·邓普蒂”的另一个实例。ft　　英文

第五个重大发现是发现地球已经存在了很长时间——部分是根据元素放射性确定的，地球年龄至少为15亿年，而太阳和其他恒星的年龄则更长——这个年龄要比假设恒星作为一个炽热的天体仅是单纯地不断冷却所耗的时间长几千倍。这意味着我们不得不去寻找能使恒星在漫长岁月里不断释放出大量辐射的热能的新来源，这种能源迄今为止尚不可知。ft　　英文

第六个发现是找到了质量和能量相互转化的证据，从许多方面来看，这个发现是所有发现中最重要的。这可以从三方面说明。1901年考夫曼用实验证明，通过充分提高电子的速度可以增加电子的质量：也就是说，能量确实可以转化为质量。几乎是同时，新罕布什尔州达特茅斯学院的尼科尔斯、赫尔和莫斯科的列别捷夫用实验验证了辐射压的存在。这说明辐射具有质量的唯一与众不同的特征，即惯性。这样辐射和物质之间的根本区别就消失了。这些都是直接由实验发现的。紧接着在1905年，爱因斯坦利用狭义相对论推导出质量和能量之间的相互转化这一必然结果。假如太阳的质量可以通过某种方式转化为辐射热，那么就有了充足的能量来源以保持太阳在如此长的时间里放出热，而我们对太阳及其他恒星年龄的疑问也就不复存在了。但是这种转变机制又是什么呢？ft　　英文

于是就有了第七个发现，这个发现非常明确地指出：组成物质的元素之间有可能出现积聚或合成的过程，在生物形态中也是如此，人们发现元素无疑都是由氢元素构成的；因为自1913年以来用所谓的阳射线分析法发现：92种不同原子的重量均为氢元素重量的精确倍数且误差极小。仅仅是这一事实就使人们迫切想知道它们是不是现在正在某个地方由氢合成。它们肯定曾被这样合成过，而且现在它们之中的那些放射性元素会在裂变的过程中被发现。任何观测者都会说，很有可能在某处正进行着裂变的逆过程，特别是当这个过程并不违反能量原理和热力学第二定律的时候。氢作为构建其他元素的必要成分，相对于其他92个元素来说，其重量并不正好是1，而是比1大1%。所以既然在第六个发现中质量或重量可以表现为能量的形式，则任意数目的氢原子合并成任何较重元素时意味着全部可利用势能的1%消失了，并转化成了可以释放的热能。ft　　英文

大约在1914至1915年，这个事实被麦克米伦、哈金斯等人用作解释第五个发现中所需的一种新能源，以保持太阳长期散发出巨大的热量。对整个物理学界来说，由氢构成更重元素的过程实际上已被证明在太阳和恒星内部环境下确实在发生。这并不能使宇宙摆脱热寂的结局，但可以极大地推迟它的到来，也就是说，可以推迟到宇宙中所有的氢都被转化成了较重的元素时才发生。ft　　英文

然而，假设这些像太阳一样的恒星全部由氢元素构成，并将它们投入其自身的熔炉之中，这一过程最多只能消耗掉其总质量的1%，宇宙中99%的质量在燃料烧尽热寂来临时将变为冰冷的死灰。但在1917年前后，天文学家开始对这个强加给他的时间限制感到烦扰，并由此引出了与我们这个主题相关的第八个设想。他从现在起可以获得比那个时间限制长几百倍甚至更长的时间，因为据推测现在宇宙中的物质只有一小部分是氢——假设在重原子内部，偶尔一个负电子对自己不得不生活在电子世界中感到厌倦而决定通过自杀结束这一切；但自然界注定电子要和正电子配成对，它必须筹划与自己的搭档一起自杀，这样在原子核中它们两个分别跳到了对方的怀抱中，这两个正负互补的电子的生命同时结束；但在死亡时并非没有发出临死前那可怕的叫喊，因为它们两个的总质量必然转化成一个强大的以太脉冲，并被周围物质吸收，该过程被认为是保持恒星内部剧烈热反应的原因。这个发现或提议，即利用原子核内部正负电子的彻底湮灭来解决预测的恒星年龄大得不可思议的难题，使人们至少在恒星年龄问题上不需要假设由氢合成重元素的过程。的确，原子合成和原子湮灭这两类过程在同一地点同一条件下同时进行看起来不太可能，所以我们必须通过更多的实验得到更清楚的解释。ft　　英文

1927年，当阿斯顿对原子的相对质量进行了一系列非常精确的测定，使爱因斯坦在质量和能量之间建立的公式，即E = Mc2得到了新的验证之后，第九个里程碑也就出现在了人们的视野中。阿斯顿曲线是我们目前拥有的最具启发性的指证之一。它说明了以下几点：

  1. 爱因斯坦方程实际上可用作放射性或衰变过程的有效的定量检验，因而增加了实验的可信度。

  2. 放出一个α射线的放射性或衰变过程肯定只局限于很少几个重元素之中，因为它们在曲线中处于质量可能减少的位置上，因而可以通过这样的衰变过程释放出热能。

  3. 所有除氢以外的最常见的元素都处于最稳定的状态之中，也就是说，它们处于质量最小的状态，所以如果我们想让它们发生衰变必须对它们做功，而不是从中获取能量。

  4. 因此，除了太阳以外，人类可能获得能量的方式只有通过用氢或氦合成普通元素，或正负电子全部湮灭的过程；这两个过程都不可能在地球上发生。

  5. 假如上述合成过程可以在任意地点进行，由此产生的穿透力最弱、强度最高的辐射，按照由氢合成氦的过程推算，应该能够达到最硬的γ射线能量的10倍左右，也就是说，大致相当于26百万电子伏特而不是2.5百万电子伏特。

  6. 与其他含量丰富的元素，即氧（氧、氮、碳），硅（镁、铝、硅）和铁（铁族元素）相关联的辐射过程所对应的能量应当分别约为“氦射线”的4倍、7倍和14倍。

  7. 由可能发生的最小的湮灭过程——正负电子的自杀过程发出的辐射是最硬的γ射线能量的350倍，是“氦射线”能量的35倍。ft　　英文

这把我们引入了与宇宙射线相关的第十个发现。观测表明†：

  1. 我们根据直接对比发现：一个主体部分是穿透力为最硬的γ射线5倍的辐射，用能量与穿透力之间最好的理论公式——克莱因–仁科公式计算，该射线的能量为最硬的γ射线的10倍，这是根据预测推算的精确结果。

  2. 宇宙辐射的特殊频带，大致位于由氢合成上述含量丰富元素时产生的辐射应在的位置，尽管（由于马上要提到的原因）除了氦元素以外，我们都不能进行精确的定量计算。

  3. 在正负电子湮灭假设对应的位置附近没有观测到数量显著的辐射，这说明观测到的宇宙射线至少有95%是由其他一些能量较低的过程造成的。

  4. 这种辐射与就在我们凸窗外面的那个巨大的发热体，即太阳完全不相干，而且与银河系或离我们最近的旋涡星云——仙女座星云也没有关系，它几乎均匀地从天穹的各个位置向我们而来，在某一特定的高度，其观测值不随时间和纬度而变，个别观测站观测值的微小涨落仅仅是由于射线在到达观测器之前必须要穿过的大气吸收层的厚度变化造成的，这种涨落是吸收层厚度变化的真实反映。ft　　英文

最后一个特性是宇宙射线最令人惊异也是最重要的特性，在下最终定论之前将对这个问题的重要性进行讨论。因为这意味着宇宙射线在进入地球大气层时基本上是由纯以太波或光子组成的。如果它们是高速运动的电子，或曾经在穿透物质的过程中因发生康普顿碰撞而转化成了高速电子或β射线，那么这些电子必然是以围绕地球磁力线的螺旋形轨迹前进的，因此进入地球两磁极的射线应该比低纬度地区的多。但去年夏天在距离北磁极730英里的马尼托巴省丘吉尔市（北纬59°）进行的实验说明事实并非如此，在那里测量的射线平均强度值与在北纬34°的帕萨迪纳得到的测量值没有什么区别。ft　　英文

进入地球大气层的宇宙射线几乎全部由光子组成这一结论并不仅仅是根据去年夏季的测量结果，它也能从1922年4月密立根和鲍恩利用探空气球在高空处进行的实验和与之相关联的赫斯和柯尔霍斯特1911～1914年低空区的气球实验中找到根据。因为在到达15.5千米的高度时，验电器的放电量并没有达到我们根据前人实验曲线外推得到的计算值，而仅为它的四分之一。这说明在大气中某个低于15.5千米的地方，密闭容器内宇宙射线导致的电离程度先是达到了一个最大值，但当升至更高的高度后又开始急剧下降。我们刚刚对派克峰（4.3千米）峰顶以下各个高度处的射线强度进行了精确的测量，发现在这个范围内，射线强度随高度上升的增加率与赫斯和柯尔霍斯特在气球飞行实验中得到的结果一致，所以存在一个最大值是毋庸置疑的。但这个最大值说明宇宙射线在到达地球大气层之前并没有穿过足够厚的物体以能与它们的次级粒子——β射线和频率降低的光子达到平衡。也就是说，这些射线在从它们的发源地到地球之间未曾穿过数量可观的物质。ft　　英文

这证实了地球磁场对宇宙射线强度没有影响；这两个现象完全不相干，并且相距若干光年，当把它们联系在一起的时候，我认为可以下结论说：宇宙射线不可能发源于恒星，哪怕是在它的大气外层，尽管那里有大量处于高温中的氢和氦。不过它们肯定是来自宇宙中那些能让它们甚至不必穿透和地球大气层一般厚的物质就可以到达地球的地方——换句话说，宇宙射线必定起源于星际空间深处的超低温区域。ft　　英文

此外，由康普顿碰撞产生的β射线的穿透力越强，进入大气层的纯光子束在与它的次级粒子达到平衡之前需要穿透的物质厚度就越大；且当达到此种平衡时，测得的表观吸收系数肯定小于根据辐射产生过程中释放的能量通过克莱因–仁科公式计算得到的系数。因为一年前的博思–柯尔霍斯特实验证明，当入射光子的能量足够高的时候，由康普顿碰撞产生的β射线确实表现出格外强的穿透力；所以可以预测，如果宇宙射线是在由氢合成像硅和铁这样较重的常见元素时产生的，则所观察到的吸收系数将比根据合成过程可获得的能量计算得到的系数低一些。这正是我们的宇宙射线深度–电离曲线揭示出来的特性。在我们最近测量的最大高度处（14,000英尺），氦射线已经和它们的次级粒子达到了平衡，因而系数测量值和计算值达到了应有的一致。对于氧射线，系数测量值略低于计算值——约低17%；硅射线更低一些——约30%；而铁射线则低得更多——约60%；但它们都与所述的理论要求定性地一致。ft　　英文

根据上述结果显然可以得到以下结论：

  1. 宇宙射线的发源地不是恒星，而是在星际空间。

  2. 宇宙射线起源于太空深处的氢合成较为常见的重元素的过程，太空的光谱表明这些重元素广泛地分布于宇宙中。鲍恩的最新发现证明氦和常见元素氧、氮、碳甚至硫都存在于恒星间的太空中，这个出色的发现即“氰线”就是由这些元素引起的。

  3. 这样的原子合成过程不可能在太阳或其他恒星内的高温高压环境下进行，根据金斯和爱丁顿的设想，这些天体的热量也许只能靠发生在那里的原子湮灭过程来维持。

  4. 所有这些都没有提及热力学第二定律或热寂，但它确实包含了这样一个假设：假如由氢合成其他原子的过程在宇宙空间中普遍存在，就像我们现在看到的这样，那么氢元素有可能也在同一地点以某种方式得到补充，即通过我们已知的从恒星向星际空间不断释放能量的唯一方式——辐射能。为了使造物主的工作得以延续下去，这一点以前已经被设想过多次了。在这方面也许有一点点实验上的迹象。但它根本就得不到验证，甚至可能连提出的必要都没有。如果在这个问题上詹姆斯·金斯爵士支持一个论点而我倾向于另一个，没有人能说我们不对。也许只有一件事情我们能完全确定，那就是我们俩对此都一无所知。不过宇宙射线就可以很好地为在广漠星际空间中存在由氢不断合成常见元素的过程提供实验上的证据。我不是不知道要找到一个完全令人满意的动力学解释来说明这些现象的来龙去脉是困难的，但是在20世纪，可接受的明显事实似乎无意于长期等候合适的机械性理论解释的出现。事实上，当代物理学不是已经彻底把纯粹机械的宇宙观赶出门外了吗？ft　　英文

（王锋　翻译；朱永生　审稿）

* 卸任美国科学促进会会长的演说辞，12月29日发表于克利夫兰市。

† 见密立根以及密立根和卡梅伦发表在《物理学评论》上的文章，1930年12月1日，即将出版。