歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1936

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撰文者:爾諾
發文日期:2019-12-19
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  • 1936年的諾貝爾物理獎頒給了發現宇宙射線 (Cosmic ray) 的奧地利科學家維克托·赫斯 (Victor Hess,1883-1964) 與發現正子的美國科學家卡爾·戴維·安德森(Carl David Anderson, 1905-1991)。
     
    自從發現放射性以來,科學家一直相信地球大氣層的電離的來源就是土中放射性物質或產生出的放射性氣體,像是氡的同位素所放出的輻射。所以當高度增加時,隨著與地球 (輻射源) 的距離增加,輻射強度應該會變弱。但是很快就有人發現在海拔較高處的輻射強度居然會比地面上的輻射強度還高。但是也有實驗呈現相反的結果。

    為了一探究竟,赫斯首先改良了測量儀器的靈敏度,接著他在1912年將測量器材放到氣球上,親自搭上氣球飛到高空上。赫斯的第一次氣球飛行是在日食時搭氣球展開實驗,這是為了證實高空的輻射並非來自太陽光。後續好幾次飛行也都是在夜間出發。第七次飛行達到5300公尺高。赫斯冒了生命危險,多次搭氣球飛行所得到的實驗結果顯示在5公里處檢測到的輻射遠高於地平面的輻射強度。他的結論是的確有輻射來自外太空,從四面八方轟擊地球。赫斯的工作結果發表在《維也納科學院院刊》上。

     
    Hess
    維克托·赫斯 (圖片來源:Wikimedia common)

    雖說赫斯並非第一個測量高空輻射的科學家,甚至不是第一個搭氣球到高空測量輻射的科學家,但是憑藉著他改良的精密儀器以及奠基在他多次實驗所得到的精確數據的縝密研究,一掃眾疑,確立了從太空來的輻射存在的事實。隔年德國科學家Werner Heinrich Gustav Kolhörster 搭氣球升到九千公尺高空,證實了赫斯的發現。1925年密立根 (Robert Andrews Millikan) 將這種輻射命名為「宇宙射線」。密立根認為宇宙射線主要是γ射線,但是康普頓則認為主要成分是帶電粒子。今天我們知道大約99%的宇宙線是原子核,1%是電子,而原子核中90% 是質子,9%是氦原子核 (即α粒子),1%是重元素。γ射線和超高能微中子只佔極小的一部分。

    早期的粒子物理與宇宙射線的研究息息相關,正子就是第一個在宇宙射線的實驗中被發現的基本粒子。發現正子的安德森出生在美國紐約,父母是瑞典移民。安德森1927年在加州理工學院獲得學士學位,1930年獲得博士學位。他的指導教授正是密立根。當他研究宇宙線在威爾遜雲霧室的軌跡時,注意到有一個粒子,它在磁場中的彎曲方向與電子在磁場中的彎曲方向相反。因此他知道這個粒子帶著一種相反的電荷,他還發現這個粒子的質量跟電子質量差不多。他回憶道:「我依稀記得,當時有一個研究生。我猜他跟其他研究生一樣,沒有讀過所有的理論。因此他 (看到實驗結果後) 沒有立即認識到那就是正子;而正子之前就已經被英國物理學家保羅·狄拉克預言出來了。」安德森提及的這件事是指的是密立根另一個學生,來自中國的趙忠堯在1929年曾經也發現過相關的實驗現象,但他當時的論文重點放在了硬伽馬射線的散射上,而不是正反物質 (正子與電子) 的對滅現象。所以與諾貝爾擦身而過。

     
    Carl_David_Anderson
    卡爾·戴維·安德森  (圖片來源:Wikimedia common)

    安德森的發現在1932年公布,由於他的結國完全符合保羅·狄拉克的理論預言,造成物理界的大轟動。而趙忠堯則是赴德國繼續研究,回到中國後擔任中央大學物理系主任,戰後赴美研究,1950年底取道香港返回中國大陸,在中國科學院物理研究所、高能物理研究所工作。文革時關進了牛棚。一直到1973年,高能物理研究所成立,趙忠堯才以恢復工作,擔任副所長並主管實驗物理部的工作。1998年5月28日在北京逝世。 享壽九十五。
     
    宇宙線中發現的不僅是正子。1936年,安德森和他的第一個研究生塞斯·內德邁爾 (Seth Neddermeyer) 從宇宙線中又發現了渺子,它的質量是電子的207倍,其他性質與電子完全相同。他們最初認為他們發現的是先前日本物理學家湯川秀樹 (Hideki Yukawa) 所假設的傳遞核力的粒子,但是渺子與核子的交互作用力太弱,顯然不是湯川所設想的粒子。今天我們知道電子與渺子都是所謂的輕子(lepton)。

    得獎之後的人生也未必一帆風順。身為虔誠天主教徒的赫斯從來沒有掩飾自己反對納粹的政治立場,所以德奧合併之後,赫斯飽受迫害。所以他和他的猶太裔妻子逃到美國,並在紐約市福坦莫大學繼續他的工作。1944年他獲得美國國籍。1964年逝世於美國紐約州弗農山。而安德森終身都在加州理工學院從事研究,二戰時他曾婉拒擔任原子彈計畫的負責人,1991年過世,享壽八十五。

     
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