一个接一个的粒子
如同对科学未来的大多数重大宣告一样，麦克斯韦的判断——实验永远不会就单一原子层面进行研究——被证实是错误的。确实，单个粒子的研究标志着物理实验领域的深刻变革：引入新的装置设备，将微观物理实体存在性相关的新辩论引入学科中来。“未来的科学史学家可能会将其记录为时代的一个突出特点，在过去的几十年间我们快速地获得了对单个和少量原子的研究能力。”一位当代观察家这样写道。卢瑟福（Rutherford）的电子计数设备和查尔斯·T.R.威尔逊（Charles T.R.Wilson）的云室为逐一测量相互作用提供了途径。这些方法共同为“根本性的新型研究”打下了坚实的基础。[1]
为了探寻这一“新型”实验研究，我们需要再一次将目标对准实验集群。此时关注点在宇宙射线上，它和放射现象的存在使物理学家不得不面对单个粒子的本质：它们是什么？如何互相影响？最明显但引起反响最弱的一个问题是：海平面宇宙射线的基本构成成分是什么？两种实验传统给出的解答揭示出了部分早期发现的“粒子”的结构。它也将阐明，对新型实体的信任判断是处于实验和理论预期的不同层面。
我们将再次涉及旋磁研究中探讨的一些主题，但此时实验室环境已变得更为复杂。我们将试图了解，不同的理论层面在这些实验结束过程中到底扮演了何种角色，如广泛使用的狄拉克（Dirac）和汤川秀树（Yukawa）的高级理论，甚至罗伯特·密立根基于宗教的推断等。需要纳入考虑范围的特定模型还有很多，较爱因斯坦的绕轨电子理论而言更为复杂。随着成群的实验者们对实验进行整合，为了获得实验结论进行三角测量，实验工作也变得更加复杂。就连实验装置的复杂程度也有了提高，触发云室及其感光子系统的计数器开始由真空管电路阵列控制。
考虑到实证工作中新技术的精密性，论证后物理学家对论证组成部分意见不一也就不足为奇了。比如，μ介子是海平面宇宙辐射的主要构成部分，若欲了解它的发现时间，获得的答案将是杂乱无章的。吉尔伯托·贝尔纳迪尼（Gilberto Bernardini）认为，“μ介子是大部分宇宙射线产生的一种特殊电离碎片，1929年玻特（Bothe）和科赫斯特（Kolhörster）在实验中发现了它的存在”。[2]约翰·惠勒（John Wheeler）认为尼尔斯·玻尔和E.J.威廉姆斯（E.J.Williams）的理论研究，连同卡尔·D.安德森与赛斯·内德梅耶的实验确证共同在1936年“证实了介子的存在”。[3]相比之下，布鲁诺·罗西认为，安德森、尼德美尔（Neddermeyer）、杰贝兹·科里·斯特里特和爱德华·卡尔·史蒂芬孙在“1937年发现了μ介子”。[4]斯特里特本人则将其归功于约翰·F.卡尔森（John F.Carlson）和J.罗伯特·奥本海默，两人在1937年首次主张可能存在新型粒子，其质量在质子和电子之间。[5]亚伯拉罕·派斯（Abraham Pais）在粒子物理学起源相关文章的开端表示，塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）在1947年发现了介子。[6]
这五位卓越的物理学家在回顾本学科的当代核心事件之时，对其诞生时间的看法竟然相差18年。这些实验是何时结束的？只有在对20世纪二三十年代的理论和实验假说进行重构之后，才可能了解这一看法差异产生的原因。在此过程中，战前的实验研究图景将逐步浮现出来，展示出实验实践与理论之间的关系，我们将获得较旋磁研究中所获的更为深入的了解。针对实验是如何结束这一问题，其中包含了比优先次序争论更为迫切的问题——至少对论证以外的问题而言十分迫切。问题正在于对这一含义的理解：实验家获得结论称，他们发现了微观物理学世界中的新物质。
同前一章一样，我们首先由实验装置谈起。麦克斯韦明确地拒绝对单个原子进行研究，因此任何人在习惯了他所形容的那种19世纪的工具组合之后，都自然会认为盖革计数器十分新奇。即便如此，麦克斯韦对科学装置的分类仍然适用于实验的新纪元。然而，现在能量的来源不再是火焰与灯光照明，而是放射性材料或宇宙射线。粒子探测器，尤其是云室，同过去的指示器不同，无需指向刻度盘上的数字。在带电粒子以任意轨线通过时，它的响应次数非常多，原则上讲是无穷大的。
20世纪30年代，基础物理学的兴趣点转移到了宇宙射线装置上，在装置尺寸和费用方面并无太大的变化。按照惯例，研究人员以不同的方法在试制车间制造盖革计数管，并非所有的计数管都有明确的说明：使用自来水冲洗3次、蒸馏水冲洗1次，将硝酸（HNO3）与硫酸（H2SO4）以1:3配比后再次清洗，然后在120度条件下烘干，烘干后以特殊的形式密封等。其主要成本仅仅是物理学家或技术人员所花费的有限时间。费用较贵的是精心制造的云室。1938年，哈佛大学的物理学家们在“大型”云室[7]上花费了500美元（1500美元）（见图3.1和图3.2）。斯特里特为宇宙射线探索配备设施的花销也不过如此：在1933至1934年间，1个大型电离室、3个小型电离室和6个计数器，合计约800美元（2200美元）。这些设备以后均可在其他实验中重复使用。[8]
图3.1 斯特里特的云室。斯特里特和史蒂芬孙在研究中使用该仪器，引领了μ介子的发现。斯特里特和他的学生们在最后的实验中制造了一个更大的木质云室。来源：Street and Steuenson，“Design and Operation，”Rev，Sci.Instr.7（1936）：349.
图3.2 卡尔·安德森（Carl Anderson）与云室、磁体（摄于1932年前后）。图中显示聚光灯灯光穿过中部黑箱（位于电磁体的中心）照射入云室。该设备被安德森用于质子和μ介子的发现实验中。来源：Institute Archives，California Institute of Technology.
这样的花销情况诠释出了许多美国实验室申请设备和提供资金支持的典型模式。斯特里特向实验室主管西奥多·莱曼（Theodore Lyman）申请800美元的资金，用于本人在一年内的研究。莱曼将申请书转递给弥尔顿基金，该基金是涵盖各所高等院校的资助型科研基金（见图3.3）。斯特里特需要的仅仅是莱曼手写的一封短信，说明项目的目的并简要解释其必要性：“康普顿教授和密立根得到的结果不一致，这表明学界内正深深期盼着对宇宙射线本质的数据积累。”这一请求获得了批准。
图3.3 斯特里特宇宙射线研究经费申请，1933年1月6日由西奥多·莱曼提交至哈佛大学弥尔顿基金会。来源：LP.file“Milton Fund.”.未经哈佛大学档案室允许不得转载。
大型电磁体的花费更加昂贵，宇宙射线物理学家们需要用它来使带电粒子偏转，进而确定其动量。如同斯特里特在1934至1935年的情况一样，此类大型辅助设备约需花费1000美元（2800美元）。[9]在之前的数年，安德森在美国西海岸地区组装了一台大型电磁体设备；英国的帕特里克·布莱克特（P.M.S.Blackett）购买了一块磁体，花费约1000英镑（20000美元），随后该磁体被用于多项实验。[10]严格说来，该项资金投入理应由使用了该设备的各个实验分摊。比如，在μ介子的发现实验中，斯特里特使用的磁体曾在之前的核磁共振研究中使用过。[11]即便磁体的使用寿命仅能满足宇宙射线实验的整个使用过程，斯特里特的装置花费仍不足每年2000美元（5500美元）。鉴于20世纪30年代时，绝大多数宇宙射线物理学家使用的工具仪器大体相同，如云室、电离室、计数器和磁体等，这一金额可以满足多种不同的特定实验安排需要。除硬件外，这些物理学家还购入了耐久性较低的物品和服务，以备高山和高纬度研究探测时使用。1934年，斯特里特的秘鲁探测前期预算为2000美元（5500美元）。[12]
由此可见，在20世纪30年代，宇宙射线研究装置的花费同19世纪70年代麦克斯韦学派的水准并无太大差别。实验的小规模性使其可重复、可移植，因此十分重要。宇宙射线实验通常必须在高山或不同经纬度地区进行。廉价的实验装置也使得学生们可以改造仪器，赋予实验部分的自动性和辅助性。这些特性与下一章中介绍的大规模实验所用的硬件设备形成了鲜明的对比。当然，实验规模并不代表一切，在实验家对研究结果的信任程度问题上，与单个原子过程相关的重要证据扮演了必不可少的角色。
注释
[1] Andrade，Atom（1924），285.因一些不确定的原因，安德雷德也将阿斯顿在质谱学方面的研究成果作为研究单个原子的一种方法。
[2] 费米实验室举办的国际研讨会上的文章，参见Bernardini，“Discovery”；（此处参考第1页）；随后布朗和霍德森对文章进行了概括，参见Birth（1983）.
[3] Wheeler，“Men and Moments，”in Nuclear Physics（1979），242.
[4] Rossi，Cosmic Rays（1964），109.
[5] Street，“Ray Showers，”J.Franklin Inst.227（1939）：765-788.
[6] Pais，“Particles，”Phys.Today 21（1968）：24-28.
[7] Lyman，“Milton Fund，”January 1938，LP，file“Milton Fund.”Woodward，thesis（1935），29.
[8] Lyman to Milton Fund，21 June 1934；Lyman，“Applicalion，”6 January 1933；Dunham，“Expedition，6，December 1932.”All from LP，file“Milton Fund”.
[9] Lyman and Street，“Milton Fund.8 January 1934”；Lyman to Jewell.1 February 1934.All from LP，file“Milton Fund”.
[10] J.G.Wilson，interview，4 September 1985.
[11] E.M.珀塞尔，私人交流。
[12] Lyman to Merriam 10 March 1933：Merriam to Lyman，15 March 1933.All from LP，file“Merriam.”这个资金由华盛顿卡内基研究所提供。