核结构与核力的研究

1930年以后，因无法解决电子能量无限大的困难，使海森堡的研究转向了量子力学的实用课题上。他对玻尔表示，“我已经放弃了基础课题的研究，这些问题对我来说似乎是太难了”。［90］

这一时期海森堡发表的论文很多，其课题大多数是从德拜莱比锡研究所的实验物理部门中“翻找”出来的，其中包括磁性问题，X射线核作用的非相干散射，大气层外宇宙射线诱发的簇射理论研究等［91］。在其中一篇论文中，海森堡公开表示，对于小尺度，如核内的量子力学基础性问题，只能等待未来核问题的研究进展再加以解决了。

尽管海森堡这样说，但他一直没有放弃对核内问题的思考。没有等待多久，1932年2月查德威克宣布发现中子，使事情有了转机。中子的现身，促成了海森堡提出自己的第一个核力理论，此举震惊了他的同事。在此之前，人们只知道三种基本粒子，即电子、质子和光子。新发现的中子不带电且质量与质子相似，它的出现引起人们的思考，中子流是从原子哪部分发出来的？海森堡的思考围绕着有关核的两个问题进行，首先，他联想到了β射线。如果说β射线的电子流来自原子核中，但电子不可能以独立粒子状态在核内存在，根据“不确定性原理”，不允许电子在这么小尺度的核内，处于某个特定的位置上；其次，他考虑到了原子核的质量，由于光子不具有静止质量，如果说核的质量只由质子贡献，核内质子之间的电斥力作用就不可能把质子维系在这么小的尺度内。海森堡日夜思考着核尺度内量子力学的困难，想从中子的发现找到摆脱困境的突破点。中子发现之后的几个月，他罕见地沉默无语。1932年6月20日，他终于打破了沉默，给玻尔写了一封长信，随信寄去了一系列论文中已完成的第一篇《关于原子核结构研究》（On the Constitution ofAtomic Nuclei）［92］。海森堡告诉玻尔，这篇论文的主旨是要说明“量子力学在核问题上遭遇困难的基本原因在中子上”。［93］在这篇论文中，海森堡明确地指出，对于一般原子的原子核，中子不仅是其组成成分之一，而且以独立的粒子状态存在，中子与质子决定着核的质量，而质子的数量决定着其电量。接着，也是更重要的一个思想是，海森堡把中子视为一种“合成粒子”，它是质子与电子的合成物。他认为，正是由于这种“合成”，造成了核问题的复杂状况，使许多问题不得其解，甚至使他的“不确定性原理”都遇到了麻烦。他认为β射线就是在中子衰变为质子时所发出的高速电子流，无论是β射线还是中子流的发现，都证实了他的核结构设想。

正如10年前海森堡提出原子的“中心模型”那样，现在，在原子核物质的新领域上，海森堡再一次提出了质子和中子的“捆绑核结构”理论。就在这一理论提出不久，他又有了新发展，这就是提出具有开创性的“交换力”理论。他指出，由于质子间有斥力，这种力为一种静电斥力，但质子仍然被约束在尺度很小的核区域内，由此表明，自然界一定存在另一种更为强大的力，正是这种强力的作用克服了静电斥力，才把质子束缚起来。这种力不仅很强，作用力程也极短，仅限于核尺度之内。他还认为，这种力既存在于质子与质子之间，也存在于中子与中子、中子与质子之间，他把这种力称为“核力”。接着，海森堡为这种力的性质作出了进一步的分析，并提出了“交换力”的概念。他认为，这种交换力是一种量子力学相互作用力，仅发生在两个全同粒子之间。如果把中子视为质子与电子的“结合体”，中子与质子之间的交换力就是由于它们之间“交换电子”而产生。在进一步解释中，海森堡以电离氢分子做比喻，在电离氢分子中，一个单电子被两个相同的质子所拥有，因而维系在一起形成稳定结构；从某种意义上说，中子和质子也同时拥有一个电子，它们把电子作为交换粒子，在“玩”着你扔我接、我扔你接的“疯狂游戏”。有时，当一方失去一个“虚电子”时，这个“虚电子”有可能立刻变为真正独立的电子，从核中逃逸出来，这就是原子核的β衰变。(https://www.daowen.com)

海森堡关于核结构与核力的大胆设想，完全出于他强大的物理直觉与不懈的思索，更出于他深厚的数学物理基础。他为近代物理所创建的质子—中子核模型以及核子交换力理论，不仅对β射线和中子流的发现提出了解释，而且进一步解释了氢核，即α粒子的稳定性，在此基础上更进一步解释了氢同位素的形成，即中子俘获质子形成氘原子，当氘俘获氧原子时形成重水的物理机制。这一重要思想和理论的提出，证明了量子矩阵力学的实际应用，也构成了海森堡获得诺贝尔奖的重要基础。

1933年10月，在布鲁塞尔召开第七届索尔维大会，两年后，即1935年为纪念塞曼50岁生日，又在海牙（Hague）召开物理研讨会，在这两次会议上，海森堡递交了关于轻原子核的核结构理论的论文，引起了物理学界的热烈的反响［94］。

这一时期，实验物理的发展热火朝天，正电子的发现、宇宙射线粒子的实验证实都发生在1932年，新实验现象强烈地吸引着海森堡，他为消除无限大诘难继续进行着量子力学的基础研究。尽管后来德国局势的演变对海森堡的工作造成了强大的干扰，使他关于核理论的思考被迫中断，但不可否认，是海森堡打开了人类通往核理论研究的大门，是他推动了同代人的核领域研究，开启了量子力学的又一分支领域，揭示了自然界两种新作用力的存在，一是核子间的强相互作用力，二是有轻子（电子、中微子、μ子）参与的核反应的弱相互作用力。几十年以后，这两种力与电磁力相结合，形成三种力的统一理论——“标准模型”理论，这一理论的正确性已被高能物理实验所证实。