歷史 物理

與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們(一)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-04-24
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    人生最悲慘的事不是沒遇到幸運之神,而是與幸運之神擦身而過,就好像買彩卷,沒中獎摃龜,也就算了,但若是與頭彩就差那麼一號,那可真要嘔死人了。諾貝爾獎是學界莫大的榮譽,能夠得獎可是祖墳冒青煙的上等好事,許多人皓首窮經,無奈不蒙諾貝爾獎基金會的青睞,那也就罷了,但是就有人明明做出了不起的研究,合作的學者捧走了獎金獎牌,偏偏自己卻是秋扇見捐,那可真是足以令人捶胸頓足,呼天嗆地,潸潸流下英雄淚了。歷史上的確有好幾位非常傑出的物理學家,遇到這等倒楣事,就讓阿文一一細數給您聽聽。

     

    若論起這幾位心有千千結的物理學家,最有名氣的首推以斯特恩-格拉赫實驗聞名於世的革拉赫(Walther Gerlach,1889-1979),他被提名諾貝爾獎達三十次之多,其中二十七次都是與斯特恩一齊被提名,只有在1934年他與英國科學家查德威克和法國科學家弗雷德里克·約里奧(Frédéric Joliot) 三人一齊被Stefan Meyer以及Egon von Schweidler 和Gustav Jäger提名。查德威克在1935年諾貝爾獎,而約里奧則是與妻子伊雷娜·居禮一齊拿到1935年的諾貝爾化學獎。 斯特恩被提名了八十二次,最後終於在1944年單獨得獎,但是革拉赫卻始終與諾貝爾獎無緣。據說主要的原因是他的政治立場。就讓阿文我簡單介紹這位因為牽扯了政治而痛失諾貝爾獎的傳奇科學家。
     

    革拉赫出生於德國的黑森-拿騷省比布里希,他於1908年進入杜賓根大學就讀,並在Friedrich Paschen的指導下在1912年獲得博士學位。他的博士論文的主題是關於輻射的測量。Paschen 是光譜學的專家,強磁場下原子光譜線的分裂稱為Paschen–Back 效應,就是由他與他的博士生Ernst Back所發現的。氫原子光譜中的Paschen series也是Paschen在1908年發現的,它們是在紅外線波段的光譜線,對應到從高能量的能階躍遷到n=3能階的量子躍遷。Paschen本身被提名諾貝爾物理獎四十五次,不過始終無緣得獎,師生兩人還真是同病相憐。革拉赫取得博士學位後,他繼續擔任 Paschen的助理。到了1916年,革拉赫在杜賓根獲得了特許任教與大學講師資格。1917年,革拉赫成為了哥廷根大學的講師,當時正值第一次世界大戰時期,因此格拉赫在1915至1918年間參軍,但是他參與戰爭的科研任務,所以學術生活得以延續。

     

    Walther_Gerlach
    By Source, Fair use, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=13252188
     

    1919至1920年間,革拉赫擔任拜耳公司的前身,位於伍珀塔爾的法本公司的物理實驗室負責人。1920年,他到法蘭克福大學擔任講師,1年後正式成為無講座教授(extraordinary professor),並在同年11月與奧托·斯特恩合作發現原子在磁場中取向量子化的現象,這就是赫赫有名的斯特恩-革拉赫實驗。革拉赫的朋友Wolfgang Gentner 就曾抱不平地指出其實革拉赫才是這個實驗真正的操盤手,因為斯特恩在實驗完成前就離開法蘭克福了,雖然斯特恩有回來法蘭克福參與實驗,但無疑地革拉赫才是這個實驗的靈魂人物。

     

    這個實驗的原始目的是為了驗證波爾-索末非原子模型中的空間量子化。空間量子化是指帶電粒子的角動量在沿著外加磁場方向的分量為h/2π 的整數倍。h 是普朗克常數。帶電粒子的磁偶矩與角動量成正比。所以帶電粒子的磁偶矩沿著外加磁場方向的分量也是離散的值! 為了驗證這個徹底違反古典物理的理論,斯特恩與革拉赫設法把高溫的銀原子從高溫爐中射出,經過狹縫後形成一個銀原子射線束,然後讓銀原子射線束通過一個不均勻磁場,銀原子射線束在這個不均勻磁場作用下受到力矩而發生偏折,最後落在屏上。這個力矩是磁矩與磁場的外積。要是銀原子磁矩的方向可以任意取向的話,那麼屏上應該會形成一片黑斑。但是實驗結果卻是屏上形成了兩條清晰的黑斑,表明銀原子的磁偶矩只能取幾個特定的方向,從而驗證了原子角動量的投影是量子化的。斯特恩-革拉赫實驗是歷史上第一次直接觀察到原子磁矩取向量子化的實驗。

     

    但是斯特恩與革拉赫的實驗結果在當時卻是讓相信與不相信波爾-索末非模型的人通通大吃一驚。由於高溫爐中的溫度不足以令大多數原子從基態激發到激發態,斯特恩-革拉赫實驗主要顯示的是基態原子的角動量和磁偶矩。如果只考慮原子的軌道角動量,屏上斑紋的條數應當是 2L+1,其中L 是角量子數。對於鋰、鈉、鉀、金、銀、銅等原子,實驗得到了兩條斑紋,反推得到角量子數是1/2。而根據索末非理論,角量子數只能取整數,因此斯特恩-革拉赫實驗顯示,原子中不只有軌道角動量,還應當有其他形式的角動量。得知這個實驗結果之後,奧地利物理學家包立 (Wolfgang Ernst Pauli) 就寄了張明信片給革拉赫,上頭寫道:"Jetzt wird hoffentlich auch der ungläubige Stern von der Richtungsquantelung überzeugt sein”意思是”希望現在連不相信空間量子化的斯特恩也能被說服了”。兩年之後包立提出了古典物理沒有的”自旋角動量”!這個實驗後來也用氫原子來取代銀原子而得到類似的結果。

     

    1923年,革拉赫與愛麗絲·高爾森(Alice Golsen)證實了輻射壓的效應。之後他還研究工業應用中磁性的溫度的關係,原子結構與磁性之間的聯繫,光電效應,熱輻射等相關的題目,並確定了波爾磁元的數值。所以1925年革拉赫就收到了杜賓根大學的邀請,接替 Paschen的位置,成為講座教授(ordinarius professor)。1929年革拉赫收到來自慕尼黑大學的電話,這次是接替因病逝世的威廉·維恩。從1930年到1936年,他出版了關於化學光譜定量分析的三卷專著。而身為猶太人的斯特恩則是在納粹上台後流亡到了美國。後來斯特恩在1944年獲得1943年的諾貝爾物理獎,獲獎理由是「發展分子束方法以及發現質子磁矩的數值」。獲獎理由中沒有提及斯特恩-革拉赫實驗,因為當時革拉赫已經成為為納粹麾下的高官了。

    1944年1月1日,革拉赫取代亞伯拉罕·以掃(Robert Abraham Esau),正式成為帝國研究委員會的物理學主任和核物理的全權代表。同年4月創立了《帝國物理學報》(Reichsberichte für Physik),這是《物理雜誌》(Physikalische Zeitschrift)的副刊。而在1937年至1945年間,格拉赫一直都是威廉皇帝學會的監事會成員。二戰結束後,他仍然是改組後成立的馬克斯·普朗克學會中最具影響力的成員之一。他在慕尼黑的職務做到1945年5月被美國和英國的武裝部隊逮捕為止。革拉赫在被英國和美國武裝部隊逮捕後,在盟軍的Alsos Mission 的指揮下,革拉赫被拘留在法國與比利時。1945年7月到1946年1月,革拉赫與其餘10位參加過研製核武器的德國科學家包括海森堡,發現核分裂的Otto Hahn,海森堡的學生Carl Friedrich von Weizsäcker 還有因X光繞射而到諾貝爾獎的馬克斯·馮·勞厄(Max von Laue)一起被軟禁在英格蘭高德曼徹斯特的Farm Hall裡,盟軍監聽他們的日常對話來了解德國的原子彈計畫到底進展到哪個地步。這個史稱Operation Epsilon,看得出革拉赫的地位,也難怪沒得到諾貝爾獎基金會的青睞了。


     

    1946年,革拉赫獲釋後重返德國,成為了波恩大學的客座教授。1948年,他成為慕尼黑大學實驗物理學和物理學部的主任,1957年離職。在此期間革拉赫曾經在1948年至1951年任該校校長。1979年8月10日,革拉赫於慕尼黑逝世享壽90歲。

     

    革拉赫如果是因為政治因素而與諾貝爾獎痛失交臂的話,那另外一位被諾貝爾獎丟包的科學家就更莫名其妙了,他就是與柯林頓·戴維森一起完成電子繞射的戴維森-革末實驗的雷斯特·革末(Lester Germer ,1896-1971)。戴維森與英國亞伯丁大學的物理教授喬治·湯姆森得到1937年的諾貝爾物理獎。令人不解的是戴維森被提名四十四次,其中二十六次是與革末一起被提名的。而喬治‧湯姆森只被提名八次,其中有七次是與戴維森以及革末一起被提名的。為什麼單單革末沒有得獎呢?這真的是諾貝爾獎的一大懸案呀。也許與當時諾貝爾不時興一次頒給三人有關吧,之前唯一頒給三人是1903年頒給貝克勒與居禮夫婦。
     

    Davisson_and_Germer
    Lester Germer (right) with Clinton Joseph Davisson

     

    革末從康乃爾大學畢業後,加入貝爾實驗室,但是由於一戰爆發,革末毅然決然加入空軍,他還曾擊落四架德軍戰鬥機呢。戰後他回到貝爾實驗室並且在哥倫大學攻讀博士。他與戴維森在1924年重新著手戴維森原本中斷的電子散射實驗。戴維森從1921年開始用電子轟擊氧化物陰極。他的實驗其實是發射電子束垂直地撞到鎳的晶體表面上,然後測量反射電子的數量如何隨檢測器和鎳晶體之間的角度而變化。該實驗是在真空室內進行的。1925年二月初在實驗過程中,反應室出現裂痕讓空氣跑進去,結果在鎳的表面上產生了氧化膜。為了去除氧化物,戴維森和革末在高溫烘箱中加熱了樣品,卻不知道這導致了鎳形成了大的單晶區域。當他們重開實驗時,電子撞擊到表面,產生了意想不到的圖案,這圖案是由鎳的原子排列所造成的,但是戴維森卻完全無法理解這個結果,直1926年夏天到戴維森參加了由英國科學發展協會主辦的牛津會議。戴維森驚訝的發現波恩 (Max Born) 用他之前在《科學》雜誌上發表的研究中的結果來支持德布羅伊的物質波假設。他才瞭解到,在過去幾年中,歐洲的眾多同行都曾嘗試進行類似的繞射實驗,但他們都因為無法產生足夠好的真空或是檢測所需的低強度電子束而功虧一簣。
     

    回到美國後,戴維森修改了真空室的設計和探測器的安裝。終於在1927年的一月初,戴維森和革末在65 伏特的和θ= 45°的條件下產生了一個很強的繞射信號!他們持續研究到三月,四月他們在《自然》雜誌發表了標題為“鎳單晶對電子的散射” 的文章。一個月後英國的喬治‧湯姆森和安德魯‧瑞德 (Andrew Reid) 也在《自然》雜誌的文章發表了標題為“陰極射線透過薄膜的繞射”,獨立地證實了德布羅伊的物質波假設。這一年革末拿到哥倫比亞大學的博士學位。這個實驗結束後,革莫繼續留在貝爾實驗室工作,研究了使用電子繞射萊決定材料表面結構的工作,這項工作最終導致了電子顯微鏡的發展。此外他還研究了熱離子學,金屬腐蝕和接觸物理學。 除了物理,革莫還有一項熱愛的事物ㄝ就是攀岩。1945年,革末開始了攀岩生涯。他的足跡遍布在美國東北部。他特別喜歡在紐約州的 Shawangunk Ridge 攀岩。 1971 年,就在他 75 歲生日的前一星期,當他又在Shawangunk Ridge 先鋒攀登時,不幸因心肌梗塞而過世。(所謂先鋒攀登(Leading)是指在岩牆上的保護點尚未架設前,攀岩者必須先鋒攀上去,沿路掛上快扣,再把繩子掛入快扣內作為確保。)意外之前革末擁有二十六年完美的攀岩安全紀錄。
     

    除了革拉赫與革末之外,還有一位諾貝爾獎的遺珠之憾也頗值一提,他就是與安德森共同發現渺子的內德邁爾(Seth Henry Neddermeyer 1907-1988)。內德邁爾在1929年拿到史丹佛大學的物理學士學位。之後前往加州理工學院(Caltech)就讀物理研究所,內德邁爾參與了1932年發現了正電子的實驗,安德森為此獲得了1936年諾貝爾物理學獎。1935年他在安德森(Carl D. Anderson)指導下完成了博士論文“高能電子的吸收”論文。他指出實驗結果顯示鉛中電子的大量輻射能損失與漢斯·貝特(Hans Bethe)和沃爾特·海特勒(Walter Heitler)提出的理論預測一致。

    1936年,內德邁爾和安德森使用雲霧室測量宇宙射線,結果發現了質量約為電子兩百倍的渺子。估計質量是內德邁爾一手主導的。得知他們的發現後,湯川秀樹指出他在1935年提出的介子理論就假定有質量相近的U粒子,它是傳遞核力的媒介。他認為這個新粒子有可能就是U粒子,這讓渺子的發現成了轟動科學界的大事,但是隨著渺子與原子核的作用太過微弱,科學家了解到渺子不是湯川預測的粒子。渺子的發現可以算是粒子物理史上的一大意外了。拉比曾說過:who order it?最能表達大家對這個”不速之客”的想法了。安德森和內德邁爾與密立根後來還合作進行了宇宙射線的高空研究,發現宇宙射線在大氣中產生的空氣shower中含有電子,證實了歐本海默的理論。他們也是第一個觀察到伽馬射線可以產生正負電子對的團隊。

     

    二戰爆發後,歐本海默邀請內德邁爾參加曼哈頓計劃。他在曼哈頓計畫中扮演了重要的角色。雖然托爾曼(Richard Tolman)早在1942年就提出內爆(Impolsion),但內德米爾卻是第一個敦促全面發展內爆並應用到原子彈的人。儘管許多人不覺得內爆是可行的,但歐本海默還是任命內德邁爾為測試內爆的團隊負責人。原則上槍式核武器仍是首選,但內爆被當作備胎。

    內德邁爾著手進行了一系列測試圓柱內爆的實驗。內德邁爾和他的團隊成員休·布拉德納(Hugh Bradner)以及英國的詹姆斯·塔克(James L. Tuck)提出了爆炸性透鏡的想法,使用聚能射孔彈來集中爆炸力。然而,他們一直無法解決的震波造成的問題,使得內爆的應用看起來遙遙無期。到了1943年9月約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)應歐本海默的邀請來到Los Alamos, 馮·紐曼對內爆的概念很感興趣,並與老朋友愛德華·泰勒一起提出許多建議。 馮·紐曼很快就創建一個完善的內爆數學模型,從而讓內德邁爾能夠提出一項大大擴展研究計劃的提議。 愛德溫·麥克米倫(Edwin McMillan)和伊西多·艾薩克·拉比(Isidor Isaac Rabi)建議聘爆炸專家,喬治·基斯提阿科夫斯基(George Kistiakowsky_來參加該計劃。

     

    1944年4月,核反應堆中產生的第一批鈽的樣品進行測試,發現裡頭含有鈽-240同位素是迴旋加速器製造的五倍。這個同位素的自發衰變產生太多中子,會讓鈽在沒有累積到臨界質量前提前引爆,無法造成連鎖反應,所以一般適用於鈾235的槍式設計無法用在鈽彈上,因為需要的長度過長,無法裝在飛機上。只有內爆才能製成實用的鈽彈。除非內爆起作用,否則鈽彈根本無法使用的,但鈾235的產量只夠做一顆原子彈。 因此,內爆技術反而成為生產核武器的關鍵。
     

    1944年6月中旬,基斯蒂亞科夫斯基給歐本海默的一份報告詳細介紹了內爆小組內部的種種問題,最後導致內德邁爾被罷免。1944年6月15日,基斯蒂亞科夫斯基取代內德邁爾為E-5小組的負責人,據說內德邁爾受很大的打擊。不過內德邁爾倡導的內爆方法被用在三位一體核試驗中,丟在長崎的胖子炸彈(Fat Man)也是採用內爆設計的鈽彈。但是內德邁爾晚年對於自己參與了殺人無數的核武表示後悔。第二次世界大戰結束後,內德邁爾前往華盛頓大學,在那裡他度過餘生。他對介子的特性特別感興趣,並在SLAC進行了介子的實驗。 他參與了DUMAND項目,為該項目設計了大型水下微中子探測器。後因帕金森氏病於1988年過世。


    內德邁爾終身被提名諾貝爾獎二十次,從1941年開始到1952年為止。其中密立根提名他十次,而且每次都是與安德森一起,而安德森也提名了他七次,但是每次都摃龜。也只能徒呼負負了。


    其實阿文寫著寫著,發現有著類似遭遇的科學家還真不少,恐怕一篇的篇幅遠遠不夠,下次就讓阿文繼續告訴您更多的相關故事,敬請期待!

     

     

    參考資料:

    (一) 中文 英文 德文維基相關條目

    (二) The Stern-Gerlach Experiment-Was Sind und was Sollen  by Jeremy Bernstein
    (三) Electron diffraction fifty years ago by  Gehrenbeck, Richard K.

        Physics Today, 31, 1, 34-41, Jan 78

     

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