歷史 物理

與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們: 被丟包的合作者(二)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-05-04
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    上一回阿文提到了幾位共同研究者抱走諾貝爾獎,而自己卻被丟包的悲慘案例。沒想到寫著寫著,發現”苦主”眾多,一篇還寫不完,只好繼續搖筆桿,把這些滿腹心酸的”準得獎人”的故事呈現給各位看官們,還請各位賞臉讀下去:
     

    先來談談奧基亞利尼(Giuseppe Paolo Stanislao“ Beppo” Occhialini ) 。奧基亞利尼的父親拉斐爾·奧古斯托·奧基亞利尼(Raffaele Augusto Occhialini,1878–1951年),本身是光譜學和電子理論領域的先驅。奧基亞利尼於1929年從佛羅倫斯大學畢業。之後他拿著三個月獎學金前去劍橋,沒想到一待就是三年。在劍橋卡文迪西實驗室,他學習將蓋格計數器與雲霧室相結合。1933年,他在帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett)的指導下,利用雲霧室發現了宇宙射線中的正電子,驗證了之前美國的物理學家安德森的發現。1934年奧基亞利尼回到義大利。布萊克特非常欣賞奧基亞利尼,當布萊克特在1948年得到諾貝爾獎時,還曾寫信給奧基亞利尼的父親,表示奧基亞利尼沒有與他一起得獎,讓他倍感遺憾呢。
     

    Occhialini
    奧基亞利尼(Giuseppe Paolo Stanislao“ Beppo” Occhialini )  圖片來源:維基百科 



     

    從1937年到1944年,奧基亞利尼應邀前往巴西的聖保羅大學物理研究所。奧基亞利尼是一位狂熱的登山者。在二戰期間,因為身為”敵國”公民, 無法在學校工作,所以他成為位於巴西里約熱內盧州和米納斯吉拉斯州的邊界處的伊塔蒂亞亞國家公園的高山嚮導,那裡有座山峰就叫“ Pico Occhialini”。1945年九月,他接受英國的邀請離開巴西來到布里斯托的威爾斯實驗室繼續研究工作。

     

    1947年,他與巴西物理學家拉特(Cesare Mansueto Giulio Lattes,1924 – 2005)和英國物理學家鮑威爾(Cecil Frank Powell)合作,在宇宙線中發現了π介子。這個發現是觀察專門的攝影乳劑上的痕跡所完成的。當時照相乳劑的主要缺點是顆粒留下的軌道出現會出現很大的間隙,嚴重妨礙了對軌道長度的測量。因此,能夠生產出含有大量溴化銀的新型照相乳劑非常重要。布里斯托小組與Ilford 的Cecil Waller 共同發明了一種新型的含硼砂的印版。大大地改善了這個問題。奧基亞里尼在一個假期中,去了庇里牛斯山,在Pic-du-Midi上曝曬了大約兩打C2 Ilford乳劑。就在他回到布里斯托的當晚,沖洗曝曬了一個月的乳液,然後將其顯影。立即看出普通板和硼砂板之間的差異。 正如鮑威爾(Powell)的回憶:


    “   顯而易見的是,一個全新的世界被揭露了! 慢質子的軌跡上充斥著顯影的顆粒,看起來幾乎像銀棒,並且在顯微鏡下出現的乳液很小,擠滿了快宇宙射線粒子產生的碎裂,這些粒子的能量遠大於任何當時可以人工生成的能量。突然之間,我們好像闖入了一個有圍牆的果園,在那裡備受呵護的樹木生長茂盛,各種奇珍異果早已成熟。       
     

    鮑威爾領導的團隊很快就發現了π介子衰變成渺子以及微中子。而鮑威爾在1950年榮獲諾貝爾獎,但是奧基亞里尼與拉特都與獎無緣。
     

    奧基亞里尼於1950年回到意大利,先後在熱那亞(1950)和米蘭(1952)任教。他持續投入曝露於高能宇宙射線中的照相乳膠的運用,這項工作在1954年歐洲的G-Stack計畫中達到頂點。 後來隨著粒子加速器的出現,奧基亞利尼也加入這一新的研究領域。他對太空物理學也頗有貢獻,歐洲太空總署 (European Space Agency)的成立他出力甚多。奧基亞里尼被提名諾貝爾獎達三十三次,其中鮑威爾提名他兩次(1952,1955),而布萊克特提名他提了六次! 之前都是單獨提名,最後兩次則是他與蘇聯的Pavel Alekseyevich Cherenkov一起被提名,Cherenkov在1958年得獎,但是無奈奧基亞利尼始終沒拿到諾貝爾獎。奧基亞利尼於1993年於巴黎過世,享壽八十六。
     

    論到發現π介子的功勞,年輕的拉特其實也是居功厥偉。拉特1924年出生於巴西的一個意大利猶太移民家庭。他在聖保羅大學攻讀數學和物理學,於1943年畢業。 他是最初的巴西年輕物理學家小組的成員,這些年輕人在諸如Gleb Wataghin和奧基亞利尼等歐洲老師的帶領下工作。拉特在25歲時就成為里約熱內盧巴西物理研究中心(Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas)的創始人之一。

     

    戰後,拉特和奧基亞利尼一起前往英國布里斯托大學。在那裡,他通過添加更多的硼來改進鮑威爾所使用的乳液。他不只參與了發現π介子的工作,還隨後撰寫相關論文投到期刊,甚至沒有徵求鮑威爾的同意呢。此外他還負責計算新粒子的質量。拉特還參觀了玻利維亞5200米高的查卡爾塔亞山頂上的一個氣象站,使用照相底片記錄了宇宙射線。後來拉特與加州大學柏克萊分校的尤金·加德納(Eugene H. Gardner,1913-1950 )合作,通過用α粒子轟擊碳原子,檢測實驗室迴旋加速器中人工產生的離子。1949年,拉特回到里約熱內盧聯邦大學和巴西物理研究中心擔任教授和研究員。去了一趟美國之後(1955年至1957年),他回到了巴西,並在母校聖保羅大學物理系任職。1967年,拉特建立了坎皮納斯州立大學的新物理學院,在那裡擔任全職教授。 他還擔任宇宙射線,年代學,高能與輕子系的系主任。 他被提名諾貝爾獎七次,其中四次都是克羅埃西亞科學家Leopold Ruzicka 所提名。Ruzicka 是1939年諾貝爾化學家得主。有一次是與鮑威爾以及奧基亞利尼一起被提名。還有一次是與 Gardner一起被提名,但是都沒得獎。拉特於1986年退休,2005年3月8日在聖保羅的因心臟病去世。

     

    除了粒子物理,核子物理也有好幾位物理學家有著類似的”悲慘”遭遇,最有名的莫過於發現核分裂的斯特拉斯曼與首先解釋核分裂的邁特納與弗里施。1944年,哈恩(Hahn)因發現核分裂而獲得了諾貝爾化學獎,儘管斯特拉斯曼被公認的合作者。而邁特納與弗里施也一樣”名落孫山”,這件事恐怕是諾貝爾獎的歷史上最引人非議的一次了。先讓我來介紹斯特拉斯曼。

     

    斯特拉斯曼(Friedrich Wilhelm“ Fritz” Strassmann,1902-1980)在杜塞爾多夫長大。他很小的時候就對化學產生了興趣,並在家裡進行了化學實驗。他父親去世時還很年紀,造成家裡經濟情況不佳,所以當他1920年在漢諾威工業大學開始了他的正規化學研究,還去做家教來添補家用。他於1924年獲得化學工程文憑,並於1929年獲得物理化學博士學位。他的博士研究是關於碘在氣相中在碳酸中的溶解度和反應性。從1929年開始,斯特拉斯曼獲得威廉皇帝化學研究所的部分獎學金。在那裡,他與奧托·哈恩(Otto Hahn)指導下研究放射性物質。

     

    1933年,當德國化學家協會被納粹控制後,斯特拉斯曼辭去他的會員資格。這讓他被納粹政權列入黑名單。這讓他無法在德國的化學工業中找到工作。他最終成為邁特納(Lise Meitner)和哈恩的特別助理。漢恩和邁特納在研究中子轟擊鈾所產生的產品時,利用了斯特拉斯曼在分析化學方面的專業知識。在這三位科學家中,只有斯特拉斯曼能夠繼續專注於他們的聯合實驗研究。邁特納因為是猶太人被迫離開納粹德國,而哈恩承擔著廣泛的行政職責,無暇他顧。斯特拉斯曼認為自己很幸運,因為“儘管我很喜愛化學,但我更珍視我的自由,為了維持自由,我甚至願意劈石頭為生。”

     

    1937年和1938年,科學家IrèneJoliot-Curie和PaulSavič報告了他們用中子輻照鈾的研究結果。他們無法識別由於鈾輻照而形成的物質。斯特拉斯曼和哈恩通過衰變鏈將識別出鋇是鈾中子轟擊後主要的最終產物。但是兩個元素的原子序數差異很大,鈾的原子序數為92,鋇的原子序數為56。1938年12月,哈恩和斯特拉斯曼向《自然通訊》(Naturwissenschaften)送了一份手稿,報告了他們的實驗結果。奧托·弗里施(Otto Frisch)在1939年1月13日通過實驗證實了斯特拉斯曼和哈恩的報告。很快地弗里施和邁特納就用核分裂的理論解釋了他們的結果。它們也用E=mc2 解釋了核反應損失的質量轉換成能量。

     

    從1939年到1946年,斯特拉斯曼在威廉皇帝研究所工作,主要是針對釷鈾和錼的核分裂產物的化學性質。他成了錒系元素的放射性的專家。他開發了根據放射性元素的半衰期和衰變產物的富集來確定礦物和其他無機物質年齡的方法。 Str他和Ernst Walling分別於1936年和1937年開發了利用鍶放射性輻射測年法,並且斯特拉斯曼於1942和1943年繼續進行這項工作。這對地球年代學領域至關重要。

     

    他在第二次世界大戰期間繼續進行放射化學研究,儘管他並未從事武器開發工作。他非常鄙視納粹政權,他曾說:“如果我的工作導致希特勒擁有原子彈,我會自殺。”斯特拉斯曼的妻子Maria也支持他反抗納粹黨。在二戰期間,他們窩藏猶太音樂家安Andrea Wolfenstein好幾個月。1985年,斯特拉斯曼還被耶路撒冷的Yad Vashem研究所認可為“國際義人。不過當時他早已過世了。

     

    1944年2月15日以及1944年3月24日,柏林被轟炸,威廉皇帝研究所被嚴重破壞。因此,該研究所被臨時轉移到符騰堡州的塔爾芬根(現為阿爾布施塔特),位於路德維希·哈西斯公司旗下的一家紡織廠中。1945年4月,哈恩和其他德國物理學家被軟禁在英國。在哈恩缺席的情況下,斯特拉斯曼成為該研究所化學部門的主任。1946年,斯特拉斯曼成為美因茲大學的無機化學和核化學教授。他於1948年成為代理主任。從1949年起威廉皇帝研究所更名為Max Planck化學研究所,並從Tailfingen遷至德國美因茨。1950年,斯特拉斯曼成為研究所的正式負責人。三年後他從所長下任。斯特拉斯曼一手創立的美因茲大學的核化學研究所,於1967年4月3日正式開幕。斯特拉斯曼於1970年退休。1980年4月22日在美因茲去世。

     

    斯特拉斯曼終生被提名諾貝爾物理獎三次,每次都是與哈恩一起被提名。而哈恩被提名了三十九次,(十六次物理,二十三次化學)。當然,榮耀獨歸哈恩!不過1966年斯特拉斯曼與哈恩,邁特納一起獲頒了費米獎,算是小小的安慰吧?

     

    另外對核分裂的發現有重大貢獻的還有邁特納和她的外甥弗里施。邁特納的生平已經在 MAUD 物語:原子彈前傳介紹過了,還請有興趣的讀者自行參閱,這裡要來介紹她的外甥弗里施。
     

    奧托·羅伯特·弗里施(Otto Robert Frisch, 1904-1979)出生在維也納的一個猶太家庭,父親Justinian Frisch是畫家,母親Auguste Meitner Frisch是鋼琴家。他的姨媽邁特納(Lise Meitner)則是有名的物理學家,也是維也納的第二位女博士。他受到這位厲害的姨媽影響很大,也往物理發展。他在維也納大學學習一段時間,並於1926年畢業,從事有關新發現的電子對鹽的影響的研究。在德國相對默默無聞的實驗室工作了幾年之後,弗里希在諾貝爾獎得主斯特恩(Otto Stern)在漢堡大學的實驗室找到工作。在那裡,他用晶體表面進行了原子繞射的研究,並參與質子的磁矩的測量。
     

    Lise_Meitner
    Otto Frisch, Lise Meitner, and Glenn Seaborg
    By IAEA Imagebank - https://www.flickr.com/photos/iaea_imagebank/4311592724/in/photolist-7WF6s8-puRNNH-gykca-8gsVjm-bpoTQL-gykiu-2A7QAS-mUHsRW-ngAfn2-gykod-gykfL-aadLRf-pfXcGF-ciby3U-bpN3Wk-7z13iA-7z13pW-7yWfXP-2AZbJK-KSZBi-aPzq4r-6PCamD-9XNyhA-9LTaZB-3P2LBJ, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40630533

     

    1933年,希特勒上台,弗里施馬上搬到倫敦,在那裡他加入了倫敦大學的伯貝克學院(Birkbeck College),並與物理學家布萊克特(Patrick Maynard Stuart Blackett)一起研究暗室技術和人工放射性。隨後,他在哥本哈根與尼爾斯·波爾一起工作了五年,在那裡他潛心研究核物理學,特別是中子相關的物理。1938年聖誕節假期期間,他拜訪了在Kungälv的姨媽邁特納。在那裡,她收到信說,柏林的哈恩和斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)發現中子與鈾核的碰撞產生了鋇元素。哈恩在給邁特納的信中稱這種新反應是鈾核的“爆發”。弗里施和邁特納假設鈾核分裂成兩半,解釋了這一過程,並估計了釋放的能量,弗里施還創造了核分裂一詞。由於納粹時代的政治限制迫使哈恩小組和他們分別發表論文。哈恩的論文描述了反應產物中發現了鋇。邁特納和弗里施的論文則是解釋了該現象背後的物理原理。弗里施回到哥本哈根,在那裡他迅速分離出核分裂反應產生的碎片。正如弗里希本人後來回憶的那樣,捷克猶太科學家喬治·普拉澤克(George Placzek )向他提出了直接實驗證明核分裂。

     

    1939年中,弗里施離開丹麥,到伯明罕做短期訪問,但是二戰爆發使他無法返回。在德國可能製造原子彈的陰影下,他和物理學家魯道夫·皮爾斯(Rudolf Peierls)在伯明罕大學共同撰寫了Frisch–Peierls備忘錄,這是第一個闡明如何產生核爆的過程的文件。他們主張若使用235鈾,只需要相當小的臨界質量,再使用常規炸藥來製造巨大爆炸,使其達到臨界狀態,進而引發巨大的爆炸。備忘錄還預測了這種爆炸的影響。該備忘錄是英國製造原子彈計畫的基礎(“管合金”計畫),也是弗里施作為英國代表團的一員參與的“曼哈頓計劃”的基礎。弗里施於1943年急忙成為英國公民,然後就前往美國參加曼哈頓計劃。

     

    1944年,弗里施作為關鍵組裝小組的負責人之一,在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)進行的任務之一是決定產生臨界質量所需的濃縮鈾的確切數量,即維持核連鎖反應的鈾質量。 為此,他一次堆放了數十個3 cm的濃縮氫化鈾,並在接近臨界質量時測量中子活度的上升。金屬棒中的氫增加了反應加速所需的時間。有一天,弗里施靠著反應堆幾乎引起了失控的反應,他稱之為“戈迪瓦夫人集會”"(Lady Godiva assembly,Lady Godiva 是反應堆的暱稱)。他的身體將中子反射回堆中。在他的眼角之外,他看到發射中子時間歇閃爍的紅色燈正在“連續發光”。意識到發生了什麼事,弗里施馬上用手將金屬棒丟開。後來他計算出他受到的輻射劑量“無害”,但如果他“在移走金屬棒之前又猶豫了兩秒鐘……輻射劑量就足以致命的”。 “按照當時的寬鬆標準,他在兩秒鐘內收到了一整天允許的中子輻射劑量。” 就這樣他就確定了在廣島上發射小男孩炸彈所需的鈾的確切質量。

     

    他還設計了“神龍擺尾”(dragon's tail)或“斷頭台”實驗,其中將鈾彈頭從較大的固定質量鈾中的一個孔中掉下來,達到臨界質量(0.1%)的時間不到一秒鐘。在審查實驗的會議上,理查·費曼在評論所涉及的短暫危險時說,“這就像在給熟睡的龍尾巴撓痒癢一樣”。這實驗在大約3毫秒的時間內,溫度以每秒2000°C的速度上升,並釋放出1015個中子。弗里施還真的是個瘋狂科學家。
     

    1946年,他回到英格蘭擔任Harwell原子能研究機構核物理部門的負責人,儘管他在接下來的30年中大部分時間都在劍橋任教,在那裡他曾擔任傑Jacksonian自然哲學教授, 三一學院研究員。弗里施於1972年退休。 他於1979年9月22日去世。弗里施終生被提名十三次(十一次物理,兩次化學) 每次都與邁特納一起被提名,而邁特納則是被提名了四十八次(二十九次物理獎,十九次化學獎) 一般大家提到核分裂的諾貝爾獎的爭議,都聚焦在邁特納而較少提及弗里施與斯特拉斯曼,阿文特別在此為他們抱個不平,不過,就像阿文回答學生時常講的一句”名句”:

    同學! 人生什麼時候公平過?
     

    下次阿文還要繼續告訴您與諾貝爾獎擦身而過的物理學家的故事,Ate breve! Obrigado!

    參考資料:

    • 中文 英文 德文維基相關條目
    • Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini: A cosmopolitan scientist by Pasquale Tucci, Leonardo Gariboldi

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    本文作者:高崇文   中原大學物理系

    延伸閱讀:
    與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們(一)
    與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們:被丟包的合作者(三)

     

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