歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1946珀西·威廉斯·布里奇曼

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-20
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    1946年的諾貝爾獎頒給美國的物理學家珀西·威廉斯·布里奇曼(Percy Williams Brigman,1882年-1961年),因為他發明了產生超高壓的裝置,以及他在高壓物理學領域中的各種新發現而得獎。
     

    布里奇曼於1882年生於美國麻州的劍橋市。他的父親是一位新聞記者。布里奇曼於1900年進入哈佛大學,拿到博士學位後留在哈佛從事研究,他從1910年開始在哈佛任教,並於1919年成為正式教授。接著他在1926年成為Hollis教授,並於1950年成為希金斯教授。終其一生,他都在哈佛校園中從事學術活動。
     

    Bridgman
    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1946/bridgman-bio.html
     

    布里奇曼從1905年開始研究高壓下物質的性質。他最初打算研究的是壓力對液體折射率的影響,但是其中一些設備破裂了。在修理這些設備的過程中,他靈光一現,發明了一種特殊類型的密封件,其中墊圈中的壓力始終超過加壓流體中的壓力,從而使蓋具有自密封性。事實證明這個發明比預期的還要有效。 這使他進一步開發了可以產生極高壓力的設備。他的設備起初僅限於產生約6,500個大氣壓,但逐漸將範圍擴大到100,000個大氣壓,最終達到了約40萬個大氣壓。到1910年,布里奇曼徹底地重新設計了整個設備。他將螺桿壓縮機改成液壓柱塞。  此時產生高壓技術已經基本上完備。接下來它被持續使用了超過二十年。 布里奇曼有幸在冶金學發展提供了前所未有的高強度鋼的時代開始實驗。1930年代生產高強度的鈷結合的碳化鎢讓布里奇曼的實驗達成更高的壓力。布里奇曼驚喜地發現了新儀器可以承受的壓力遠遠超過基於簡單的彈性標準的預測。
     

    利用這些新設備就可以檢查高壓下各種物質和材料結構和性能的變化。他的新設備帶來了大量新發現,包括對100多種不同化合物的可壓縮性,導電性和導熱性,拉伸強度和粘度的研究。他的大部分工作涉及液體和固體的可壓縮性的測量,像是固體在壓力下的相變的研究(包括發現冰的高壓形式)以及固體的物理性質(例如電阻)的測量。 隨著壓力範圍的擴大,出現意料外的新現象。像是銫中的電子在一定的轉變壓力下會發生重排。這使布里奇曼以研究金屬中的導電性和晶體特性而聞名。
     

    此外,布里奇曼還發明了一種生長單晶的方法。稱之為布里奇曼-斯托克伯格法(Bridgman–Stockbarger method)。這方法是加熱多晶材料工件到它的熔點以上的溫度,然後再從工件容器有晶種的一端緩慢地開始進行冷卻。如果一塊多晶工件要長成單晶晶錠,就需要先找一顆單晶來擔任晶種,使其與工件之冷凝端相接,俟爐料經熔融凝固後,在冷卻爐段凝固新生的晶體沿坩鍋容器的長邊逐漸生成,且將與晶種有相同之結晶取向。該過程可以在水平或是垂直方向上進行,多半利用旋轉坩堝或安瓿來攪拌熔融液。布里奇曼法雖然是比較老式的晶體成長方法,可是在長某些特定半導體晶體的時候還是很好用,尤其是那些柴氏拉晶法很難長的晶體,譬如說發光二極體要用的砷化鎵。另外一項以他命名的是布里奇曼效應﹐這個效應指的是電流流經各向異性的晶體時,由於晶體內電流的分布不均勻而產生吸熱或放熱的現象,也稱為內部珀爾帖效應。在地質學上布里奇曼效應可以描述了岩石在非常高的壓力下的粘滑行為。1932年,布里奇曼(Bridgman)積極參與了在哈佛大學建立一個致力於地球物理問題的高壓研究的學程。他對校務向來沒有興趣,這次是惟一的例外。

     

    布里奇曼也是個愛國的科學家,在兩次大戰期間也都積極地從事軍事有關的科學研究。1917年美國參加第一次世界大戰後,他負責通過聲學方法來發現潛艇。 一個主要的困難是由船上自己的輔助電動機產生的噪音,在聆聽間隔期間無法將其關閉。他開發了一種隔音系統,不幸的是,安裝時出了差錯,裝在水線以上以致沒有發揮功效。另一項技術是直利用高壓技術,通過內部靜水壓力進行初步拉伸來增加火砲槍管降伏點的方法,這一過程可以使用單個鍛件生產槍支,而不像以前需要的一系列收縮管。不過當這項技術成熟時,第一次世界大戰也結束了。到了第二次世界大戰期間,布里奇曼開始專研鋼鐵彈性流,為的是了解如何讓砲彈更有效率地穿透裝甲。這些研究成果 後來發表在他的《巨大彈性流和斷裂的研究》一書中。 而應洛斯阿拉莫斯實驗室的要求,他也測量了鈾和鈽的可壓縮性。

     

    儘管布里奇曼本人並沒有成功地人工合成鑽石,但經過多次嘗試,他的實驗直接導致了通用電氣公司的科學家最終於1955年合成了鑽石。通過採用和擴展他的技術,許多其他礦物也得以合成。

     

    布里奇曼生發表了260多篇論文(其中只有兩篇列出了合著者)和13本書。 其中包括《高壓物理學》(1931年)和《物理學家的反思》(1950年)。他不僅實做工夫一流,也是個頗有想法的科學家。他的科學哲學著作《現代物理學的邏輯》(1927年)提倡操作主義,並創造了術語“操作型定義”。這本書在三零年代,四零年代對美國的社會科學界影響很大,特別是對心理學界,尤其是行為主義學派影響力特別深遠。

     

    布里奇曼晚年罹患骨癌,造成雙腳不良於行,他在癌症轉移惡化後在1961年的八月二十日舉槍自盡。他的遺書中這樣寫著:“社會上讓一個人自己做這個事情並不體面。也許這是我自己能這麼做的最後一天。”他享年七十九歲。

     

    2014年,國際礦物學協會(IMA)的新礦物,命名和分類委員會(CNMNC)批准了將鈣鈦礦結構(Mg,Fe)SiO3 這種地球上最豐富的礦物,命名為Bridgmanite。 以紀念他的高壓研究。


    本文作者:爾諾





     

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