正文 第4章 1963年諾貝爾物理學獎——原子核理論和對稱性原理(1 / 2)

1963年諾貝爾物理學獎授予美國物理學家維格納以表彰他對原子核和基本粒子理論,特別是通過基本對稱原理的發現和應用所作的貢獻;另一半授予美國物理學家瑪麗·戈佩特-邁耶夫人和德國物理學家延森,以表彰他們在發現核殼層結構方麵所作的貢獻。

瑪麗·戈佩特-邁耶和延森是在1949年提出核殼層模型理論的,這個模型理論很好地解釋了原子核物理中的幻數問題,而維格納則是在20世紀上半葉,為原子核和基本粒子的基礎理論作出了一係列重大貢獻。

早在1924年索末菲的學生拉坡特發現鐵原子具有兩類不同的能級,並提出所謂的拉坡特躍遷選擇定則,當時量子力學尚未形成,無從解釋這一定則。年輕的維格納率先在1927年找到了正確的解答。他把原子能級分為正常項和反射項,認為這兩類能級是由於描述原子的波函數在空間反射中具有不變性引起的。1928年2月他又回到這個問題,寫了一篇文章,題為:“量子力學中的守恒定律”。這個定律用於分析原子光譜,取得了很大成功,後來廣泛運用於原子核物理、介子物理和粒子物理的研究中,甚至一度被尊為微觀世界的基本規律,稱為“宇稱守恒原理”,直到1956年李政道、楊振寧提出弱相互作用過程中宇稱不守恒,這一原理的局限性才被揭示。

維格納在群論方麵有卓著貢獻。他在1931年出版了《群論及其在量子力學和原子光譜中的應用》,幾十年來一直是廣大物理學工作者手中的一部經典論著。他把群論運用於原子物理,發現核力的特性,證實核子之間有一種非電磁性的作用力,在超短距離內比電磁作用力強得多,從而解釋了為什麼原子核中的核子結合在超短距離內。

他還證明了核子所遵循的基本運動規律。

維格納的成果是多方麵的。例如,1927年,他和約丹合作,建立了一種工具以描述位形空間中具有反對稱波函數的波動力學,提出二次量子化方法。1937年,獨立地提出同位旋概念,並且率先表述了核子-核子相互作用中同位旋守恒定律,隨後指出同位旋與核力的電荷無關性的關係。

1936年,維格納與布萊特合作,提出中子的有效俘獲和散射截麵的色散公式,這個公式就叫做布萊特-維格納公式。1937年,維格納提出均勻核模型,並且應用這一模型於比氧重的核。1939年,重核裂變得到發現之後不久,維格納即論證了在鈾中進行鏈式反應的可能性。他在美國第一座原子反應堆的試製工作中起過特殊重要的作用,當時他負責反應堆的理論設計工作。

1949年,維格納提出了重子數守恒定律。1952年,又從重子數守恒定律和電荷守恒定律進一步分析了粒子物理的基本規律。

1935年,他還曾對分子氫轉變為金屬態進行了計算,並且估算了轉變的壓力。

維格納1902年11月17日出生於匈亞利的布達佩斯,1925年畢業於柏林高等技術學校,1930~1971年,到美國普林斯頓大學工作,1938年任教授。1942~1945年世界大戰期間一度轉到芝加哥大學,在冶金實驗室裏工作,並參加了“曼哈頓計劃”。1952年以後曾兩度在美國原子能委員會擔任總顧問委員會委員。維格納是一位多產的理論物理學家,應該說,他是嚐試建立核模型的作者之一,雖然並不成功,但他的嚐試和他在核物理方麵的理論工作為戈佩特-邁耶夫人和延森等人的原子核模型理論奠定了基礎。

建立核模型在物理學研究中占有重要地位。人們作過各種不同的嚐試,有的取得了成功,甚至還因此獲得了諾貝爾物理學獎。為什麼建立一個模型會有如此重要的作用呢?

正如原子模型的建立是原子物理學史的重要組成部分一樣,原子核模型的建立也是原子核物理學發展中的重要組成部分。模型是人類認識自然的必要途徑,也是理論思維的一種方式。在物理學的研究中,往往是先提出恰當的模型,然後才能得出簡明的運動規律,建立適宜的理論體係。恰當的模型,可以概括已知的事實,這些事實經一定的理論聯係在一起,得到統一的解釋,而建立在可靠事實基礎上的理論進一步又能預言新的事實,指導人們作出新的發現。

然而,原子核模型的研究,比起原子模型來,經曆了漫長得多的過程,至今仍在發展之中。

幾十年來,先後有好幾種核模型被提出,它們從不同側麵反映了原子核的某些現象和某些性質,每種模型都隻能解釋一定範圍內的實驗事實,難以用同一種模型概括和解釋全部實驗事實。這反映原子核的複雜性,也反映了人們對原子核的認識還不很充分。在原子核的殼層模型之前,除了維格納的均勻核模型外,還有其他一些模型。