2022逢《物理》刊慶50周年,我們精選了50篇文章,代表歷年所有的作品,獻(xiàn)給廣大物理學(xué)工作者,以及正在學(xué)習(xí)物理學(xué)和對(duì)物理學(xué)感興趣的朋友們。讓我們重溫品讀,一起感悟物理科學(xué)的真諦,領(lǐng)略學(xué)科大家的風(fēng)采。
|作者:何澤慧 顧以藩(中國科學(xué)院高能物理研究所)
本文發(fā)表于《物理》1999年第1期
■推薦理由
文章回顧了原子核裂變發(fā)現(xiàn)走過的一段彎路以及它所提供的生動(dòng)教訓(xùn),可以從中得到啟發(fā)和借鑒。文章由與錢三強(qiáng)先生共同發(fā)現(xiàn)原子核三分裂和四分裂的何澤慧先生執(zhí)筆寫出,別有風(fēng)味。
原子核裂變現(xiàn)象,作為本世紀(jì)的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn),其科學(xué)意義以及對(duì)于人類社會(huì)的深刻影響早已得到充分評(píng)說。至于對(duì)這一發(fā)現(xiàn)過程本身,固然不乏當(dāng)事人與知情者的回憶與反思,但多數(shù)側(cè)重于對(duì)史料的查證梳理以及對(duì)有關(guān)人物具體貢獻(xiàn)的估價(jià)方面,而缺乏深一層的剖析與檢討;對(duì)于如何從中汲取從事科學(xué)研究的有益教訓(xùn),偶有涉及,總嫌未能盡意。
弗里施(O. R. Frisch,“核裂變”名稱的首創(chuàng)者)的意見可能是最為全面、典型地概括了這種態(tài)度的。他在回憶時(shí)這樣寫道[9]∶“我認(rèn)為任何讀過它的化學(xué)家都可能認(rèn)為它是毫無意義的,是吹毛求疵的批評(píng),而讀過它的物理學(xué)家可能更是如此,因?yàn)樗麄儠?huì)說∶'如果不能說出道理表明批評(píng)是正確的,那么批評(píng)又有什么作用呢?’ ”
原費(fèi)米小組的成員阿馬爾迪(E. Amaldi)作了比較具體的分析[1]。他說∶“兩個(gè)原因,或者說,兩個(gè)作為事后辯解的理由……是這樣的。她的現(xiàn)已成為正確解釋的建議表現(xiàn)為其目的更多地在于指出生成第93號(hào)元素的論點(diǎn)是缺乏嚴(yán)密性的一種猜測(cè),而不是作為對(duì)觀察結(jié)果的認(rèn)真解釋。這種意見看來為以下事實(shí)所支持,即她從來沒有親自或者和她丈夫一起去做他們肯定能夠做的輻照鈾的實(shí)驗(yàn)……此外,在那些年里,諾達(dá)克夫婦因?yàn)樗麄兟暦Q發(fā)現(xiàn)了第43號(hào)元素而有損信譽(yù)。”他又補(bǔ)充道∶“較之這些半有意識(shí)半下意識(shí)考慮更為重要的是,來自柏林及巴黎的對(duì)我們結(jié)果的證實(shí),產(chǎn)生了費(fèi)米和我們大家都相信的用超鈾元素來詮釋鈾的疑案很可能是正確的效果。”阿馬爾迪還說∶“因?yàn)橹Z達(dá)克提出了一個(gè)全新的反應(yīng)形式,而費(fèi)米及其合作組成員不愿意輕易地采納一個(gè)未經(jīng)證明的新現(xiàn)象,一個(gè)新的假設(shè)?!?/p>
原費(fèi)米小組的另一位成員塞格雷(E. Segre)在總結(jié)這個(gè)小組當(dāng)年的教訓(xùn)時(shí)則對(duì)諾達(dá)克的論文作出了恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)[10]∶“如果我們中間的任何一個(gè)人真正把握了它的重要性,就會(huì)容易地在1935年發(fā)現(xiàn)裂變了?!卑ⅠR爾迪也承認(rèn)∶“費(fèi)米和我們所有人在這種情況下都過于保守了。”[1]
哈恩在這篇論文發(fā)表以前將結(jié)果寄給了那時(shí)已經(jīng)流亡到瑞典的原合作者邁特納。后者和她的外甥弗里施進(jìn)行了深入的討論,從物理上確認(rèn)了鈾核在中子作用下分解為兩部分的反應(yīng)形式,并在不久發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的文章[21]中首次使用了“裂變“(fission)這個(gè)名詞。于是,哈恩和斯特拉斯曼在他們的下一篇論文[22](發(fā)表日期1939 年2月10日)中,一改上一篇論文的不肯定的保留語氣,開始信心十足地根據(jù)核裂變的圖像來報(bào)道他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果了。
現(xiàn)在回過頭來重看上面這段持續(xù)了4年多的歷史,在此期間實(shí)驗(yàn)上出現(xiàn)的各種疑難自然地消除了。原來觀測(cè)到的許多放射性其實(shí)是核裂變的產(chǎn)物。當(dāng)時(shí)正是因?yàn)閷⑦@些放射性物質(zhì)和鈾的附近元素(首先是超鈾元素)硬湊到了一起,就不可避免地出現(xiàn)了重重矛盾。為了解決矛盾,不得不借助于三重同質(zhì)異能素以及接連α粒子發(fā)射那樣的奇特假設(shè)。后人指出[6,10],哈恩小組這幾年里發(fā)表的一系列論文經(jīng)常是正確與錯(cuò)誤夾雜在一起,回過頭去解讀已不值得。在這些結(jié)果中,對(duì)于尋找超鈾元素來說,惟有確認(rèn)U239是半衰期為23 min的β發(fā)射體是一個(gè)肯定的重要結(jié)果[6]。
居里小組關(guān)于R3.5h的觀測(cè)結(jié)果使研究出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī),而從轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)到核裂變的最終發(fā)現(xiàn)仍然走了一段并不平直的路。正如當(dāng)年發(fā)現(xiàn)中子那樣,居里小組完成了關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn),卻錯(cuò)過了發(fā)現(xiàn)裂變的機(jī)會(huì),其直接的原因固然是上面提到的釔鑭相混的問題,而根本的原因還是囿于鈾核的反應(yīng)產(chǎn)物不能遠(yuǎn)離鈾核的舊框框。哈恩小組進(jìn)一步的努力,使其擺脫了超鈾元素的束縛,卻還是遲遲不能邁出“違反核物理的所有以往經(jīng)驗(yàn)”的“這么大的一步”。只是面對(duì)不容改變的實(shí)驗(yàn)事實(shí),才得以從舊框框中徹底解脫出來。
在總結(jié)核裂變發(fā)現(xiàn)的歷史的時(shí)候,需要考慮到人們當(dāng)時(shí)在核物理及化學(xué)方面的認(rèn)識(shí)水平。這是阻礙人們走出誤區(qū)的客觀原因。
30年代對(duì)于核物理來說是一個(gè)最富創(chuàng)造性的歷史時(shí)期。一系列重要發(fā)現(xiàn)接踵而至,人們對(duì)于原子核的知識(shí)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是由于中子的發(fā)現(xiàn),原子核的組成問題基本上得到了解決,對(duì)于核力性質(zhì)也有了新的認(rèn)識(shí)。對(duì)于原子核的總體性質(zhì)進(jìn)行的研究則表明∶原子核中每個(gè)核子的平均結(jié)合能自中重核起以至鈾核是遞降的;但是鑒于鈾核的衰變?cè)谧匀唤缰袃H止于穩(wěn)定鉛核,人們不期望束縛在核中的全部核能能夠釋放出來。按照當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí),中子被核吸收之后最可能的一個(gè)退激方式是放出γ射線的輻射俘獲過程;慢中子從核上敲出重粒子的過程僅見于輕原子核,而α粒子是可以設(shè)想逸出核勢(shì)阱的最重粒子。30年代核理論是一些正在發(fā)展中的思想,還沒有成為嚴(yán)密的體系。第一個(gè)成功的核理論當(dāng)推伽莫夫(G. Gamow)建立的α粒子衰變理論[23]∶它解釋了核的α衰變,卻趨于否定核一分為二的設(shè)想。伽莫夫證明,一個(gè)比α粒子多出4個(gè)單位電荷的重粒子就不能穿越核的勢(shì)壘。這種圖像深刻地印在核物理工作者的頭腦中,成為當(dāng)時(shí)人們相信核只能轉(zhuǎn)變?yōu)槠溧徑说囊粋€(gè)原因。伽莫夫還首先提出了核的液滴模型,但是,這個(gè)模型開始只是用在質(zhì)量虧損的計(jì)算上面,后來才考慮到核的集體運(yùn)動(dòng)而用來討論核的反應(yīng)機(jī)制。在核裂變發(fā)現(xiàn)之前,沒有人想到用它來預(yù)言核裂變現(xiàn)象。布賴特(G. Breit)、威格納(E. Wigner)和玻爾(N. Bohr)在1936年提出了復(fù)合核模型[24],但是在這個(gè)模型形成初期,在預(yù)測(cè)核裂變的可能性方面,卻并不比伽莫夫的α粒子衰變模型更強(qiáng)些。
那時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果又似乎加強(qiáng)了上述的理論信念。在若干實(shí)驗(yàn)室中,曾經(jīng)尋找過鈾或釷用中子轟擊后發(fā)射出來的大能量α粒子。實(shí)驗(yàn)時(shí),為了摒除樣品本身放出的低能α粒子,通常在探測(cè)器前面擋一張薄膜。這樣做看起來沒有問題,實(shí)際上卻把核裂變產(chǎn)生的大質(zhì)量碎片擋掉了。據(jù)稱,蘇黎世的一個(gè)實(shí)驗(yàn)組確實(shí)在探測(cè)器中觀察到過大的電離脈沖,但他們認(rèn)為這樣的α粒子信號(hào)大得出奇,可能有誤,因而沒有發(fā)表結(jié)果[1]。
至于在化學(xué)方面的認(rèn)識(shí),30年代的周期表看起來是這樣的∶
其中垂直組中的元素具有相似性質(zhì)(例如堿土元素Ⅱ,稀土元素Ⅲ)。 當(dāng)時(shí)元素釷(Th)、鏷(Pa)和鈾(U)分別排在了鉿(Hf)、鉭(Ta)和鎢(W)之下,而超鈾元素則位于過渡元素錸(Re)到鉑(Pt)之下。當(dāng)時(shí)費(fèi)米、哈恩和居里小組都因此預(yù)期第93號(hào)元素的性質(zhì)與第75號(hào)元素錸相似,這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。實(shí)際上,玻爾早在20年代就曾考慮過5f電子軌道的填充以及一個(gè)新的稀土族的形成[25](但是他沒有從周期表的正確位置開始[10]);格羅斯(A. von Grosse)則曾于1934年指出第93 號(hào)元素可能與稀土元素相似[26];人們一直到40年代才確定89—103 號(hào)元素(96號(hào)后面的元素當(dāng)時(shí)尚未合成)構(gòu)成一個(gè)新的“稀土”系列,即錒系元素,與57—71號(hào)元素鑭系對(duì)應(yīng),占據(jù)周期表中一個(gè)位置[27]。
在科學(xué)史上,新的正確的東西在開始的時(shí)候得不到人們承認(rèn)而被看作是錯(cuò)誤的東西的現(xiàn)象是常常發(fā)生的。即使像核裂變這樣一個(gè)對(duì)于核理論發(fā)展僅有局部意義并不帶來革命性變革的觀念,從提出到為人們所接受,竟也經(jīng)歷了幾年艱難的路程。從這里可以看到∶已經(jīng)建立起來的理論和公認(rèn)的權(quán)威既可能在科學(xué)探索的過程中起到指導(dǎo)和促進(jìn)的作用,又可能成為束縛與壓制科學(xué)發(fā)展的消極力量,而對(duì)于權(quán)威與理論的迷信則又對(duì)這種消極力量起到了推波助瀾的作用。出現(xiàn)這種情況的原因,歸根到底,在于傳統(tǒng)觀念、舊道德因素以及認(rèn)識(shí)論方面的局限。科學(xué)工作者有必要自覺地樹立起科學(xué)的世界觀和方法論,敢于向傳統(tǒng)和權(quán)威挑戰(zhàn),把自己從各種狹隘的限制和盲目性中解放出來。
從核裂變發(fā)現(xiàn)的歷史,我們還可以在科學(xué)研究的基本態(tài)度與方法方面得到其他的啟發(fā)和借鑒。
自然科學(xué)研究必須以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為本,而實(shí)驗(yàn)工作者第一位的事是以老老實(shí)實(shí)的態(tài)度來采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使之經(jīng)受得起任何嚴(yán)格的推敲,并且客觀無偏見地揭示其中的事實(shí)真相,然后堅(jiān)持用實(shí)驗(yàn)事實(shí)去檢驗(yàn)理論,而不是反過來以實(shí)驗(yàn)事實(shí)去迎合理論。但是實(shí)際上,我們經(jīng)常會(huì)遇到本末倒置的現(xiàn)象,并且對(duì)之習(xí)以為常。這里說一個(gè)阿爾伐雷茨(L. Alvarez)舉過的例子[30]。許多人知道,弱相互作用中宇稱守恒破壞的實(shí)驗(yàn)證明是吳健雄(C. S. Wu)等在1957年首先實(shí)現(xiàn)的。但是,很少人知道,早在1928年考克斯(R. T. Cox)等曾經(jīng)報(bào)道過他們觀察到來自放射源的電子縱向極化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。那時(shí)理論家基于宇稱守恒的考慮斷定考克斯的結(jié)果是不對(duì)的;在他們的壓力之下,考克斯從此不提這個(gè)結(jié)果(雖然他并未撤回已經(jīng)發(fā)表的論文)。在見諸科學(xué)史的眾多成功事跡背后,這種因理論“專政”而被扼殺的大小實(shí)驗(yàn)成果可能不在少數(shù),當(dāng)初邁特納要斯特拉斯曼把他取得的鋇的結(jié)果扔到廢紙簍去就是一例。哈恩小組的教訓(xùn)正是在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)他們按照超鈾元素假設(shè)的要求片面地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并竭力將它們納入舊的核反應(yīng)理論框框中去。然而,哈恩終究是杰出的化學(xué)家,他和斯特拉斯曼以精湛的技術(shù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身是準(zhǔn)確可靠的。一旦反復(fù)確證了裂變產(chǎn)物鋇的存在時(shí),他們堅(jiān)持住了尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
諾達(dá)克關(guān)于核裂變?cè)O(shè)想的遭遇向我們提出了一個(gè)應(yīng)該怎樣對(duì)待科學(xué)想象的問題??茖W(xué)研究顯然是需要想象力的。愛因斯坦說過∶“想象力比知識(shí)更為重要”[31]。為了延拓已有的知識(shí)領(lǐng)域以及用新的知識(shí)取代舊的知識(shí),除了實(shí)驗(yàn)還需要猜想。一種猜想,不管是誰以什么形式提出,最終要看它是否符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)。一個(gè)完整的過程應(yīng)當(dāng)是∶提出猜想,繼之以理論計(jì)算及科學(xué)推論,而后與實(shí)驗(yàn)比較。但是,這整個(gè)過程并不必須由一個(gè)人來完成。歷史上,不少著名的猜測(cè)曾經(jīng)推動(dòng)了科學(xué)前進(jìn)的過程,泡利關(guān)于中微子的假設(shè)就是一例。然而中微子假說在提出時(shí)僅僅基于β衰變中能量守恒的要求,泡利自己既沒有作進(jìn)一步的理論計(jì)算,更沒有提出任何可以證實(shí)中微子存在的實(shí)驗(yàn)方案建議。是費(fèi)米在泡利提出假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了β衰變理論,是雷恩斯(F. Reines)和考溫(C. Cowan)最后完成了自由狀態(tài)中微子的實(shí)驗(yàn)證明。因此,人們實(shí)在沒有理由對(duì)諾達(dá)克提出過分的要求,要求她在提出核裂變?cè)O(shè)想的同時(shí)去做理論上的分析和實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。
在實(shí)驗(yàn)研究人員中間,有時(shí)出現(xiàn)一種不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)。一些人認(rèn)為∶產(chǎn)生重大應(yīng)用價(jià)值成果的研究工作總是可以預(yù)先設(shè)想和規(guī)劃的,而花錢愈多的大項(xiàng)目就愈是重要,得到的成果也會(huì)愈大。核裂變發(fā)現(xiàn)的過程和這種認(rèn)識(shí)形成了鮮明的對(duì)照。我們看到,這個(gè)具有劃時(shí)代意義的重大發(fā)現(xiàn)并不是一開始就有宏偉目標(biāo)的,哈恩等人開展研究的起因只是為了弄清中子轟擊鈾出現(xiàn)的反應(yīng)產(chǎn)物是否是超鈾元素,而工作也只是兩三個(gè)人利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)條件以標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)與物理方法進(jìn)行著常常是重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)操作。
誠然,現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域的一些前沿研究需要借助于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件,以期取得突破性的進(jìn)展。然而,科學(xué)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們∶在很多情況下,常常是一些在當(dāng)時(shí)看起來不起眼的研究工作導(dǎo)致了意義重大的發(fā)現(xiàn),純粹基礎(chǔ)研究成果的長(zhǎng)期積累最終打開通向應(yīng)用的廣闊道路,而刻意追求大的項(xiàng)目卻未必總能帶來等價(jià)的回報(bào)。在這個(gè)意義上,與實(shí)驗(yàn)條件相比,研究工作者的素養(yǎng)是更具根本重要性的。哈恩曾經(jīng)謙虛地談到自己幸運(yùn)地成為核裂變的發(fā)現(xiàn)者。確實(shí),在裂變發(fā)現(xiàn)過程中,不少人都有機(jī)會(huì),但是哈恩之所以成為第一人,他的豐富經(jīng)驗(yàn)、高超技術(shù)以及嚴(yán)格細(xì)致、一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)被公認(rèn)是起了決定性的作用的[7,8]。
核裂變的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去60年了?;仡欉@段歷史以及它所提供的生動(dòng)教訓(xùn),可以從中得到啟發(fā)和借鑒,在科研工作中用來端正我們的態(tài)度,指導(dǎo)和改進(jìn)我們的實(shí)踐。
致 謝 感謝王大珩、楊承宗、黃勝年、錢惠進(jìn)對(duì)本文提出寶貴意見。
附錄
論第93號(hào)元素1)
2) 指1934年本文發(fā)表前4個(gè)月。
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