歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1948

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-04-14
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    1948年的諾貝爾物理獎頒給英國物理學家,帕特里克·梅納德·斯圖爾特·布萊克特(Patrick Maynard Stuart Blackett 1897-1974)。獲獎的理由是「改進了威爾遜雲霧室以及由此在核物理和宇宙射線領域得到的發現」。
     

    布萊克特出生在倫敦肯辛頓。他最初念的是海軍軍校,第一次世界大戰爆發後,他參加了福克蘭群島的戰役和日德蘭半島戰役等戰役。這期間他展現了他的科學才能,曾參與發明新型槍砲。戰爭結束後,他被海軍送去劍橋受訓,期間他對卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)留下深刻的印象,後來索性辭去了中尉的職務,並在拉塞福的帶領下從事物理學研究。布萊克特於1921年從劍橋的抹大拉學院(Magdalene College)畢業後,在卡文迪許實驗室工作了10年,並於1923年成為劍橋國王學院(King's College)的研究員,一直任此職至1933年。
     

    拉塞福曾發現,可以將快速的α粒子發射到氮氣中來分解氮原子核。他要求布萊克特使用雲霧室尋找這個反應的軌跡,布萊克特秉持軍人使命必達的精神,到了1925年,他已經拍攝了23,000張照片,顯示了415,000條粒子的軌跡。 其中八個是叉狀的,這表明氮原子與α粒子組合形成了一個氟原子,然後分解為氧的同位素和質子。 他在1925年發表了這個實驗結果。


    1932年,布萊克特與來自義大利的朱塞佩·奧基亞里尼(Giuseppe Occhialini)合作,設計了一個蓋革計數器系統,該系統僅在宇宙射線粒子穿過該雲霧室時才會拍照。 他們在700次自動曝光中發現了500條高能宇宙射線粒子。 1933年春天,布萊克特發現了十四條證實正子存在的軌跡,並揭示了立即可識別的正負電子對產生的相反螺旋形磁跡。他們不僅證實了安德森(Anderson)對正電子的發現,而且還證明了正電子和負電子的“shower”存在,兩者的數量大致相等。伽馬射線可以轉化為兩個物質粒子(正子和電子)通常稱為成對產生的現象。 還通過實驗驗證了相反的過程-正子與電子之間的碰撞,其中兩者都轉化為伽馬射線,即湮滅輻射。這使他成為最早的反物質專家之一。Occhialini 被提名了諾貝爾獎三十三次,比布萊克特的十九次要多得多,卻終生與諾貝爾獎無緣,只能徒呼負負了。


     

    就在這一年,布萊克特移居倫敦大學伯貝克學院 (Birkbeck College),擔任物理學教授四年。 他於1933年當選為皇家學會院士。1935年,布萊克特受邀加入由亨利·蒂扎德爵士主持的航空研究委員會。該委員會對催生防空雷達功不可沒。1937年,布萊克特前往曼徹斯特維多利亞大學,在那裡他接替William Lawrence成為Langworthy教授。沒有多久,二戰就爆發了。在第二次世界大戰初期,布萊克特參與研發Mark XIV炸彈瞄準器的設計。

    1940年初他成為海岸防空司令部的科學顧問,並開始反U艇戰的分析研究,建立了一個強大的作戰研究小組。 同年,他成為海軍部海軍作戰研究主任:在1940–41年,布萊克特也在MAUD委員會任職,得出原子彈是可行的結論。但是他不同意委員會關於英國可以在1943年之前生產原子彈的結論,並建議應與美國討論該項目。

    1940年8月,布萊克特成為防空司令部司令的科學顧問,從而開始了運籌學(OR)的研究。他從1942年到1945年擔任海軍部作戰研究總監,他與E. J. Williams的合作提高了護衛艦的生存機率,為飛機的裝甲提供了反直覺但正確的建議。布萊克特因他的戰時服務於1940年獲得皇家勳章。

     

    第二次世界大戰結束後,曼徹斯特大學恢復了對宇宙射線的研究。1947年,羅切斯特(G. D. Rochester) 和巴特勒 (Clifford Charles Butler)在實驗室工作,發表了兩張宇宙射線形成的雲霧室照片,一張照片顯示一個中性粒子衰減為兩個帶電的介子,而另一張照片顯示為帶電的粒子衰變為一個帶電的介子和中性的粒子。新粒子的質量約為質子質量的一半。並且會以大約10-10秒的壽命衰減成更輕的粒子。這些粒子現在稱為K介子。當時稱為V粒子
     

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    圖片來源:維基百科

     

    在發現之後不久,磁鐵和雲霧室被移到了庇里牛斯山脈的Pic du Midi天文台,以便在高處利用更大強度的宇宙射線粒子。在開始工作的幾個小時內,巴特勒及其同事幾乎立即發現了一個新的粒子,稱為Ξ-,它衰變為π介子,而另一個不穩定的超子Λ0,不穩定的超子本身又衰變成質子和π介子。
     

    這些新發現的V粒子衰變得非常緩慢。典型的壽命約為10-10 s。但是,一般粒子衰變就快得多,時間尺度為10-23 s。亞伯拉罕·佩斯(Abraham Pais)為了解決了這個問題,他提出了一個新的量子數,稱為“奇異性”,該量子數在強相互作用中守恆,但在弱相互作用中會改變。這解釋了帶奇異性粒子和反奇異性的粒子為何會一起“伴隨產生”。今天我們知道一般介子-質子反應產生的是u夸克與d夸克組成的粒子,而奇異粒子則是帶有s夸克的粒子。s夸克只有在弱作用下會衰變成u夸克或d夸克。這些發現引發了後來葛爾曼提出八正道理論以及夸克理論,對粒子物理的發展至為重要。
     

    戰後布萊克特開始對宇宙射線各向同性以及星際磁場的起源產生興趣,他甚至提出了一種理論,試圖將地球磁場與地球自轉連結起來,他希望將電磁力和重力統一起來。 他花了很多年時間開發高質量的磁力計以檢驗他的理論,最終發現是一場空。然而,他在該主題上的工作將他帶入了地球物理學領域,在他的指導下的大約十年中,一個小組研究了岩石特性的許多方面,目的是找出地球磁場的精確歷史結果。布萊克特的工作對說服許多懷疑論者認可大陸漂移是可以檢驗的理論至關重要 他的小組對古磁性論的研究,以及對古緯度(或古代土地質量緯度的位置)和古氣候的經驗研究的熱情支持,在大陸漂移理論的復興中發揮了巨大作用。

     

    布萊克特1953年被任命為倫敦帝國學院物理系主任,並於1963年7月退休。在1969年他受封成為切爾西的布萊克特男爵。他從1965年至1970年擔任皇家學會主席。他於1974年7月在醫院去世,享年七十七歲。

     

     

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