互动科普

能量守恒定律是目前已知的、自然界中最基本的守恒律之一，最初是由德国物理学家尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔（Julius Robert von Mayer）于1841年提出来的。能量守恒定律也叫热力学第一定律，其广为人知的一种表述是“能量既不能自生也不能自灭”。作为现代物理学的基石之一，能量守恒定律几乎是神圣不可侵犯的。但是也有一些科学家曾试图颠覆这条铁律，其中最著名的代表人物就是量子论的创始人之一、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。

20世纪初期是量子论和量子力学先后诞生的非凡时期，当时有好几个重要的科学问题困扰着物理学家们，其中之一就是光和电磁辐射的波粒二象性问题。一方面，光在双缝干涉实验中体现了它的波动性；另一方面，光在光电效应实验中表现的却是它的粒子性。在尝试着寻找一个能够描述光的波粒二象性的量子理论过程中，有人认为放弃能量和动量守恒定律也许是一条可行的出路。在这期间，包括阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）在内的一些大物理学家们，开始私下里探讨能量不守恒的可能性，但在这条路上走得最远的却是玻尔。1924年，玻尔与他的学生亨德里克·安东尼·克喇末（Hendrik Anthony Kramers）以及美国物理学家约翰·克拉克·斯莱特（John Clarke Slater）合作发表了一篇题为“辐射的量子理论”的文章，公开提出了一个极具争议的思想：能量和动量在单个微观相互作用过程中不必守恒，而只需在统计意义上守恒。这个挑战能量和动量守恒定律的大胆想法虽然很具有煽动性，却很快在1925年被著名的康普顿（Compton）电子-光子散射实验证明是错误的。面对实验事实，身为大师的玻尔虽然不免感到尴尬，但并没有心服口服地放弃他那看似疯狂的想法。

玻尔（右）与泡利一起玩陀螺

让玻尔再次鼓吹能量不守恒的直接动因，来自于查理斯·埃利斯（Charles Ellis）和威廉·伍斯特（William Wooster）在1927年对β衰变能谱所做的精确测量。他们的实验结果证实了詹姆斯·查德威克（James Chadwick）早在1914年就发现的一个奇特现象：原子核的β衰变能谱并非当时的理论所预期的分立谱，而是逐渐衰减的连续谱。分立谱基于两个假设：（1）β衰变放出一个较轻的原子核和一个电子；（2）反应前后的能量和动量守恒。因而要想解释实验所观测到的连续能谱，至少要放弃其中一个假设。一贯以思想深刻而著称的玻尔这一次仍旧把宝押在了能量和动量不守恒上，他在随后的几年中四处演讲，提醒人们能量守恒定律不一定适用于亚原子的单一反应过程。玻尔的言行刺激了许多物理学家，其中年轻气盛的沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）的反应尤为激烈。他在1929年写给玻尔的信中不留情面地指出：“我必须得说，你那篇放弃能量守恒的文章让我很不满意。我并不是说你不可以这么做，而是说那是一个危险的游戏。”经过深思熟虑，泡利的选择是坚持能量和动量守恒，但修改第一个假设。他的设想很简单：β衰变除了放出一个较轻的原子核和一个电子，还放出一个很轻的、电中性的、自旋为1/2的微小粒子。后者在当时的实验条件下无法被探测，但它带走了一部分能量和动量，使得反应末态的电子能谱成为连续谱。说实话，泡利对自己提出的新粒子假说也没有足够的信心，因此他只是在1930年底把这一想法以信件的形式透露给同行好友，并没有正式发表任何论文。1933年10月，泡利在汇聚了世界顶级物理学家的索尔维会议上做报告，公布了他的新粒子假说。一同参加会议的恩里科·费米（Enrico Fermi）将泡利的新粒子称作“中微子”（neutrino），并随后发展了弱相互作用的有效理论，成功地解释了β衰变。1956年6月，泡利的中微子假说终于在反应堆实验中通过逆β衰变过程被证实，而这也意味着玻尔的能量不守恒假说最终成为物理学史上的一个笑话。

科学研究（research）就是反复（re-）寻找（search）正确答案的过程，其间任何愚蠢的想法和错误都是可以原谅的。但对玻尔这样的大师级人物而言，一而再地怀疑能量守恒定律并冒失地发表一篇短命的论文，实在令人不可思议。换一个角度来看，似乎也不奇怪：即便是这世上最聪明的人，也会有思维短路的时候。

（本文发表于《科学世界》2013年第2期）