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世界欠这个中国人一个诺贝尔物理学奖?

撰文 | 田筱超然责编 | 叶水送●●●1902年6月,中国核物理学家赵忠尧出生于诸暨城关镇赵家弄堂。他不仅是第一个在实验上发现了正电子存在的物理学家,也是中国核物理学科的奠基人之一,为中国核物理学发展做出巨大的贡献。今天,就让我们截取赵忠……

专题: 中国现代物理学家 中国物理学家 中国菜谱翻译 中国平安世界500强 

撰文 | 田筱超然

责编 | 叶水送

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1902年6月,中国核物理学家赵忠尧出生于诸暨城关镇赵家弄堂。他不仅是第一个在实验上发现了正电子存在的物理学家,也是中国核物理学科的奠基人之一,为中国核物理学发展做出巨大的贡献。今天,就让我们截取赵忠尧先生人生的几个片段,从中领略这位杰出物理学家的风骨吧。

家国情怀——一个知识分子的担当

赵忠尧的父亲赵老先生是当地小有名气的医生,虽收入仅够维持家用,但对这个小儿子,赵老先生寄予厚望,希望他将来能够对国家、民族有所贡献。关于父亲的这一期望,赵忠尧在他晚年《我的回忆》中这样写道:“父亲早年自学医道,行医为生。他看到社会上贫穷落后、贫富不均的现象,常想为国出力,又感知识不足、力不从心。因此,他只望我努力读书,将来为国为民出力。”可以说,父亲的期望对赵忠尧后来的人生选择产生了潜移默化的重要影响。

他从东南大学毕业后,被归国任教的叶企孙教授看中,成为清华大学物理系最早的教员之一。在清华的工作过程中,赵忠尧切实体会到了当时国内的科学研究水平和西方的巨大差距,这让他焦虑万分,也让他产生了去西方更深层次地学习物理、再回来提升中国科学研究水平的强烈愿望。

和其他生于那个风雨飘摇年代的知识分子一样,家与国的艰难苦痛,都被赵忠尧一一看在眼里、记在心上。后来无论是在美国求学期间,还是在新中国核物理事业的开创阶段,这些记忆一直敦促着他、支撑着他向前跋涉过一道道坎坷,承担起一个知识分子的担当。

擦肩诺奖——发现正电子

出于对物理的热爱和对祖国科研未来的期许,赵忠尧在1927年决定前往美国深造。正是在这次美国之旅中,他完成了一个被后人认为是诺贝尔奖级别的科研工作——通过实验发现正电子的存在。

赵忠尧在加州理工学院师从著名物理学家密立根开展实验物理研究,彼时物理学正处于一个蓬勃发展的时期:构成物质的基本粒子被相继发现,量子力学、相对论等理论体系也逐步建立起来。而当时的加州理工学院也正处在这些研究发现的最前沿,其中赵忠尧的导师密立根教授,就是凭借以他名字命名的油滴实验,测出了当时最精确的普朗克常数h,并因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

经过一年基础课程的学习之后,赵忠尧顺利通过了预试,开始真正进行课题的研究。密立根教授一开始给赵忠尧的课题是利用光学干涉仪做实验,赵忠尧认为这个题目虽然容易获得学位,却学不到多少技术,这与他出国深造的初衷相违背,因此他要求密立根教授换一个课题。

在那个教授具有莫大权威的时代,做出这一举动需要相当的勇气。事实上,密立根对他提出这样的要求也颇感意外。过了一段时间后,他重新给了赵忠尧一个题目:“计算硬伽马射线在物质中的吸收系数”——当时无论是赵忠尧还是密立根本人,都没有完全意识到,这个课题把赵忠尧推到了一个伟大物理发现的门口。

密立根之所以安排这样一个课题,和当时的物理学发展情况是密不可分的。当时,物理学家们对物质的基本结构已经有了很多的发现,也产生了很多新的疑惑:为了描述进行高速运动的基本粒子,狄拉克将量子力学中的薛定谔方程和爱因斯坦的狭义相对论结合起来,得到了狄拉克方程。

根据这一方程,他进一步提出了空穴理论,认为存在一个电子负能量海,从理论上预言了正电子的存在。而另一方面,来自宇宙或核反应的粒子射线是当时物理学的重要研究对象,它们为人们理解基本粒子的物理性质、发现新的物质结构提供了一个绝佳的平台。正是出于这样的考虑,密立根给赵忠尧安排了“计算硬伽马射线在物质中的吸收系数”课题,他想研究涉及电子的散射问题并验证理论计算结果。

1929年底,赵忠尧用放射性元素钍衰变的中间产物ThC(即铊208)作辐射源,它能辐射出能量为2.6兆电子伏的伽玛射线。赵忠尧测量了这种硬伽玛射线在好几种物质中的吸收系数之后,意外地发现,射线只在通过轻元素时吸收情况才与理论公式相符,当通过重元素时,则出现了反常现象——实际吸收量大于公式给出的量。在我们已经知道有正电子存在的现在,这是可以理解的,因为射线在通过重元素时激发了正负电子对,所以产生了额外的吸收。这是人们第一次在实验上发现正电子存在的证据。尽管当时大家还不理解反常吸收产生的原因。

1930年,为了更多地了解硬辐射在物质上的吸收机制, 赵忠尧在第一个实验之后又紧接着进行一个新的实验,来研究散射辐射的强度和角分布。这个实验相比第一个难度更大,因为散射辐射的强度比辐射背景更弱,但赵忠尧以极大的耐心和细心,解决了许多技术难题,最终完成了实验,测量的结果意外地好。他在这个实验中发现,伽玛射线被重元素散射时,除康普顿散射外,伴随着前述的反常吸收还有一种特殊的光辐射出现。当时测定的这种特殊辐射的强度大致是各向同性的,并且每个光子的能量为0.5兆电子伏,这恰好就是电子对湮灭中,每一个光子带走的能量。这一结果表明,伽玛射线在重元素中的特殊吸收不是由康普顿效应引起的。它揭示了一种新的反应机制——也就是我们现在知道的正负电子对激发。而额外辐射则是由电子对的重新湮灭产生的。

由此可以看出,赵忠尧的研究工作确实从实验上看到了正负电子对产生和湮灭的过程,而这是世界上最早发现的正电子存在的证据。然而,1936年诺贝尔物理学奖却颁发给了1932年在云雾室中发现正电子径迹的安德逊(C.D.Anderson)。

从20世纪80年代起,杨振宁、李政道和丁肇中做了大量的调研、考证,充分肯定了赵忠尧的成就。安德逊在半个世纪之后的1983年也写出了当年的故事:在加州理工学院时,他与赵忠尧同为研究生,二人办公室只有一墙之隔。当时他就了解并意识到赵的实验结果表明存在一种人们尚未知道的新物质,他的研究是受赵的启发才做的。20世纪90年代,曾任诺贝尔物理学奖评委主任的瑞典皇家学会爱克斯朋(Ekspong)教授,在解密诺贝尔奖评选过程时就此评论道,这是一个“很令人不安的、没法再弥补的疏漏”。

近代物理学研究的一段历史至此形成公论,有媒体甚至报道:“世界欠中国一个诺贝尔奖”。

筚路蓝缕——四年的美国游学生涯

除了发现正电子,赵忠尧另外一大成就则是作为中国核物理科学的奠基人,为核物理的发展做出了莫大的贡献。其中他为了学习加速器建造技术而在美国游学四年的事迹尤其值得一提。

时间来到1946年,美国在日本投下两颗原子弹之后,又在太平洋的比基尼小岛上试爆了一颗。在距离小岛28公里的海面上有一艘军舰,一群来自各个国家的观察员正在观摩这次原子弹试爆,赵忠尧也身在其中。作为第一个看到蘑菇云的中国科学家,当其他观摩代表在实验结束后去美国游玩时,他则马不停蹄地赶回他在美国的母校加州理工学院,完成这次前往美国的任务——了解美国核物理科学的最新进展,设法购买核物理研究设备。

然而巧妇难为无米之炊,时任国民党中央研究院总干事的物理学家萨本栋辗转汇来的两笔钱款总共也才12万美元,要购买科研仪器,尤其是核物理研究亟需的加速器,这点儿钱远远不够用。为此,赵忠尧决定自己学习制作加速器的技术,购买零件回国自己组装。

于是,他放弃了再次来到美国能够做出更多研究成果的机会,先后辗转于加州大学、加州理工学院、麻省理工学院等各个院校的多个加速器实验室,尽可能多地掌握加速器的制作、使用技术,同时四处寻找工厂加工必需零件。与此同时,他也尽可能地抽出时间继续科研工作,在宇宙射线研究等方面取得了不错的成果。一直到1950年回国,赵忠尧利用这次在美国的四年时间,让自己再次进入到物理学研究的前沿。而更重要的是,他在静电加速器的设计和研究方面学习到了很多技术,为以后中国核物理的发展做出了重要的贡献。到1958年,在赵忠尧的带领下,中国的科研人员终于成功建造了自己的V2加速器,其中赵忠尧在美国的学习研究经历功不可没。

当然,除了前面所说的成就以外,赵忠尧在清华大学和西南联大时期为中国核物理人才的培育上做出的努力,1950年从美国返回中国时经历的种种刁难坎坷,回国后在核物理有关研究所和科研院系的建设上做出的贡献……这一系列事迹在此不再详述,但同样也是不可磨灭的功勋。

在晚年回忆自己的一生时,赵老这么说道:“我对自己走过的道路重新进行了回顾与思考,唯一可以自慰的是,60多年来,我一直在为祖国兢兢业业地工作,说老实话,做老实事,没有谋取私利,没有虚度光阴。”对于亲身经历过家国多难岁月的赵老来说,“为祖国兢兢业业地工作”绝然不是一句套话,而是他一生真实的写照。他与正电子的奇妙邂逅是历史上浓墨重彩的一笔,而他与中国核物理科学的休戚与共,更是一个令人感慨的传奇。

参考文献

[1] 《我的回忆》,赵忠尧,见《赵忠尧论文选集》,科学出版社1992年版;

[2] 《核物理先驱:赵忠尧传》,钟学敏、段治文,浙江人民出版社;

[3] 《赵忠尧,电子对产生和湮灭》,李炳安、杨振宁,《现代物理知识》第10卷第6期;

[4] Chao, Chung-Yao. The Absorption Coefficient of Hard γ-Rays. Proceedings of the National Academy of Sciences 16.6 (1930): 431-433.

[5] Chao, C. Y. Scattering of hard γ-rays. Physical Review 36.10 (1930): 1519.

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这样的霍金为什么没有获得诺贝尔奖?中国科学院高能物理研究所张双南研究员说,霍金本人也曾被问到过这个问题,他这样回答记者:“因为我的黑洞蒸发(即‘霍金辐射’理论——记者注)还没有被观测或者被实验证实。”

是否人类对超导的应用确实只能被限制在40K以下,还是麦克米兰使用的传统理论本身存在缺陷?为了探索这个问题,世界各地的科学家们做了无数次尝试。中国科学家首先发现了转变温度40K以上的铁基超导体,接着又发现了系列的50K以上的铁基超导体。与铜氧化物高温超导体不同,初步的研究表明,铁基超导体在工业上更加容易制造,同时还能够承受更大的电流,这为应用奠定了基础。但与此同时,铁基超导体性质极为复杂,对科研人员的理论功底和实验技能都提出了更高的要求。

在晚年回忆自己的一生时,赵老这么说道:“我对自己走过的道路重新进行了回顾与思考,唯一可以自慰的是,60多年来,我一直在为祖国兢兢业业地工作,说老实话,做老实事,没有谋取私利,没有虚度光阴。”对于亲身经历过家国多难岁月的赵老来说,“为祖国兢兢业业地工作”绝然不是一句套话,而是他一生真实的写照。他与正电子的奇妙邂逅是历史上浓墨重彩的一笔,而他与中国核物理科学的休戚与共,更是一个令人感慨的传奇。

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