歷史 物理

長壽的物理學家們(一):奧立馮特(上) 來自澳大利亞的火爆浪子

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-10-05
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  • 阿文這學期上”核物理導論”。開頭的幾堂課簡單地回顧了原子核物理的歷史。在介紹原子彈的時候,免不了要提到了來自澳大利亞的奧利馮特,他的心直口快與獨樹一幟的行事風格令人印象深刻,趁他119歲冥誕即將到來之際,阿文特別獻上這篇文章,與各位看官分享。


    奧利馮特爵士 (Sir Marcus Laurence Elwin "Mark" Oliphant) 於1901年10月8日出生於澳大利亞南邊阿德萊德郊區的肯特鎮。他的曾祖父James Smith Olifent和他的妻子伊麗莎離開了自己的家鄉肯特郡,1854年3月抵達南澳大利亞。他的曾祖父後來擔任阿德萊德庇護所 (Adelaide Destitute Asylum) 的負責人,而曾祖母伊麗莎·奧利馮特(Eliza Olifent)則於1865年被任命為該機構的護士長。當時許多人從英國移民到澳大利亞這個新天地,奧利馮特家也是其中之一。所以請大家不要再誤會說澳洲人都是罪犯的子孫了。奧利馮特爵士的父親是南澳大利亞工程和供水部門的公務員,同時是工人教育協會的兼職講師。他的母親則是一位藝術家。他有四個弟弟:羅蘭,基思,奈傑爾和唐納德;所有人在出生時註冊的姓氏都是Olifent。後來才改成Oliphant。


     
    Sir_Mark_Oliphant

    By Bassano Ltd - http://www.portrait.gov.au/portraits/2004.159/sir-mark-oliphant, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4548451



    奧利馮特在1918年高中畢業之後由於沒能拿到大學的獎學金,因此他在阿德萊德製造珠寶商S. Schlank&Co.工作。後來他改到南澳大利亞州立圖書館打工,這讓他在晚上可以到阿德萊德大學上課。1919年奧利馮特正式開始在阿德萊德大學就讀。起初,他打算習醫,但是他遇到物理學教授克爾·格蘭特(Kerr Grant)格蘭特提供他在物理系的工作機會,每週支付10先令。這份薪水與奧利馮特在州立圖書館工作所得的收入相同,但是這份工作允許他修讀任何與該部門的工作沒有時間衝突的大學課程,所以他就留在物理系,1921年他獲得物理學士學位。繼續在格蘭特手下求學。


    奧利馮特於1925年5月23日與同樣來自阿德萊德的Rosa Louise Wilbraham結婚。兩人從小就彼此認識。 他在實驗室中用父親給他來自Coolgardie Goldfields的金塊做成給羅莎的結婚戒指。這一年,偉大的紐西蘭物理學家拉塞福路過阿德萊德,奧利馮特在聽了他的演講後,感動不已,立志要到卡文迪許實驗室當他的學生。當時這好像天方夜譚,然而命運之神正對著他微笑。當羅伊·伯頓(Roy Burdon)於1925年格蘭特休假時擔任物理系系主任時,他與奧利馮特合作,於1927年撰寫了兩篇有關汞特性的論文,“汞的表面張力問題和水溶液對汞表面的作用”和“汞表面上氣體的吸附”奧利潘特後來回憶說,伯頓教會了他“物理學領域即使是很小的發現,也令人異常振奮”。奧利馮特憑藉與伯頓在汞方面的研究,申請了1851年展覽獎學金。這個獎學金提供了每年250英鎊的生活津貼。當他拿到獎學金時,他馬上打電報給拉塞福和劍橋三一學院。兩邊都接受了他的申請。他終於得償宿願了!


    當時拉塞福的卡文迪許實驗室正展開一系列最先進的原子核物理的研究。他很快在卡文迪許實驗室遇到了眾多的青年才俊,包括帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett 1948年諾貝爾獎得主),愛德華·布拉德 (Edward Bullard,海洋地球物理的開創者之一),詹姆斯·查德威克 (James Chadwick,1935年諾貝爾獎得主)約翰·考克饒夫 (John Cockcroft,1951年諾貝爾獎得主),查爾斯·埃利斯(Charles Ellis,貝他衰變的專家),彼得·卡皮察 (Peter Kapitza,發現超流體, 1978年諾貝爾獎得主),菲利普·穆恩 (Philip Moon,後來接替奧利馮特在伯明翰的教職)和歐內斯特·沃爾頓(Ernest Walton,1951年諾貝爾獎得主)。奧利馮特與考克饒夫後來成為特別親密的朋友。卡文迪許實驗室雖然擁有眾多有才幹的年輕人,卻經費卻不怎麼充裕,所以常使用“細線封蠟” ("string and sealing wax")的克難方法來做實驗。奧利馮特必須購買自己的設備,曾將其津貼的24英鎊用在了真空泵上。


    奧利馮特於1929年12月提交了有關金屬表面上的正離子中和和二次電子發射的博士學位論文。但這也意味著他1851年展覽獎學金的結束。幸好奧利馮特獲得了1851年的高級學生獎學金,每年頒發五次。它提供了每年450英鎊的生活津貼,為期兩年,在特殊情況下可以延長一年。就在1932年和1933年,卡文迪許實驗室的科學家做出了一系列突破性的發現。查德威克發現了中子,布萊克特拍下許多正負電子成對產生的軌跡照片,但是最轟動的還是考克饒夫和沃爾頓用直線加速器將質子加速後去轟擊鋰,並成功地將其轉變為氦核的實驗。因為這是最早通過人工方法將一種元素的原子核轉變為另一種原子核的實驗。奧利馮特在這時期專注在建造威力更強的加速器這件事上,他的粒子加速器可以發射具有能量高達60萬電子伏特的質子。很快地他就證實了考克饒夫和沃爾頓在原子核和正離子人工崩解方面的結果。隨後奧利馮特還通過電磁分離法來分離鋰的同位素。這種方法是利用了帶電粒子在磁場中偏轉且偏轉量取決於粒子質量的事實來分離不同質量但是化學性質雷同的同位素。


    1933年,卡文迪許實驗室收到了美國物理化學家Gilbert N. Lewis贈送的幾滴重水。奧利馮特用他的加速器向各種靶發射沉重的氘核(拉塞福稱為diplons)。最有趣的是當氘核相互碰撞時產生一堆奇怪的產物。當時美國柏克萊實驗室也看到類似的現象,他們以為氘是不穩定的原子核。通過與拉塞福等人的合作,奧利馮特認定這些產物是氦3(兩質子與一中子)和氚(兩中子與一質子)的原子核。但是,他們的實驗還無法將氚與氦3加以分離,後來由 Luis Alvarez和Robert Cornog在1939年才成功將兩者分離,Alvarez他們同時也發現了氚的放射性。


    奧利馮特不只發現了氚與氦3,還發現當氘核與氦-3或其他氘核發生反應時,釋放出的粒子所具有的能量要比開始時要多得多。核子間的束縛能在反應中釋放出來。天文學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)在1920年就預測,通過融合小原子核而釋放的能量可以提供為恆星提供動力的能源,奧利馮特推測,核融合可能是太陽動力的來源。後來提供太陽內部能量的核反應完全被了解則是要等到後來德國科學家貝特和魏茨薩克兩人提出質子-質子鏈以及碳氮氧循環。


    奧利馮特雖然後來成為製造原子彈的重要推手,但是他卻沒有預見到氘與氚的核融合反應將成為比原子彈威力更強大的氫彈的基礎,他後來回憶:

    ...我們不知道有一天將這種方法用於製造氫彈。我們的好奇心僅僅是對原子核結構的好奇心,而這些反應的發現純粹是美國人所說的是個巧合。


    在卡文迪許實驗室的這段日子是奧利馮特延就生涯最為豐收的一段時間,然而他也遇到命運之神無情的打擊。他的兒子Geoffrey Bruce Oliphant出生於1930年10月6日,但於1933年9月5日不幸死於腦膜炎,被安葬在劍橋升天教區墓地的一個未加標記的墳墓中,與考克饒夫的小兒子Timothy Cockcroft葬在一起。由於無法再生育孩子,奧利馮特於1936年收養了一個四個月大的男孩Michael John ,並於1938年收養了一個女兒Vivian。


    1934年,考克饒夫安排奧利馮特成為劍橋聖約翰學院(St John's College)的研究員,該學院的年薪約為600英鎊。當查德威克於1935年離開卡文迪許實驗室前往利物浦大學時,奧利馮特和埃利斯都接替他出任拉塞福的研究助理主任。這份工作的薪水為600英鎊。再加上了聖約翰學院的薪水,終於讓他收入稍微寬裕了點。奧利馮特很快為新的加速器實驗室安裝了1.23 MeV發電機,成本為6,000英鎊,同時他設計了更大的2 MeV發電機。他是第一個想到製造質子同步加速器的人,質子同步加速器是一種新型的循環粒子加速器。1937年,在拉塞福的推薦下他當選為皇家學會會員。當他去世時,他成為任職時間最長(六十三年)的皇家學會會員。拉塞福在1937年十月過世,卡文迪許實驗室的研究也不再以原子核物理為主,而是隨著拉塞福的學生們轉到別的大學去了。


    伯明翰大學(University of Birmingham)Poynting講座物理學教授Samuel Walter Johnson Smith(1871 - 1948)在1936年就年滿65歲退休,所以他們急著尋找一名替代者。伯明翰大學當時野心勃勃,想要打造一個新的核物理研究中心。所以當時的理學院院長內Neville Moss找上了奧利馮特。奧利馮特當時可以算是獅子大開口,除了他的1300英鎊的高薪之外,他還希望大學花費2,000英鎊來讓實驗室升級,每年另外花1,000英鎊來維持。而且他希望在1937年10月之後才開始在伯明翰工作,以使他能夠在卡文迪許實驗室完成工作。莫斯全數同意奧利馮特的要求。所以奧利馮特終於獨當一面,在伯明翰打造他的天地。


    為了獲得他想要的60英寸(150厘米)迴旋加速器的資金,奧利馮特寫信給來自伯明翰的英國首相內維爾·張伯倫(Neville Chamberlain)。張伯倫與朋友洛德·納菲爾德(Lord Nuffield)著手處理此事,他為該項目提供了60,000英鎊,這筆錢足以蓋一座迴旋加速器,加上一個容納它的新建築以及一筆前往加州伯克萊的旅費。因此奧利馮特與迴旋加速器的發明者歐內斯特·勞倫斯請益。勞倫斯非常支持該個計畫,勞倫斯甚至把他自己在伯克萊建造的60英寸(150厘米)迴旋加速器的藍圖寄給奧利馮特,並邀請奧利馮特來輻射實驗室找他。奧利馮特於1938年12月10日啟程前往紐約,並在伯克萊與勞倫斯見面。兩人相談甚歡,結成終身的友誼。奧利馮特聽說在利物浦大學的查德威克和卡文迪許實驗室的考克饒夫在建造迴旋加速器時都遇到了問題,為了避免橫生枝節,他儘可能遵循勞倫斯的規格,按時,按預算建造迴旋加速器。他希望它能在1939年聖誕節前運行,但是第二次世界大戰在九月爆發,使他的美夢落空。Nuffield迴旋加速器直到戰後才總算完成。


    正當奧立馮特忙著在伯明翰努力營造新的原子核物理的中心時,歐洲的情勢日趨惡化,意外地將奧利馮特推上歷史的舞台。1938年奧利馮特就參與了雷達的開發,當時雷達仍然是一個軍事機密。在參觀原型雷達站時,他意識到軍方迫切需要波長更短的無線電波,特別是如果有可能建造足夠小以適合飛機的雷達裝置時。 1939年8月,他帶領小組前往 Isle of Wight的Ventnor,親自檢查了Chain Home系統。他獲得了海軍部的撥款,用於開發波長小於10厘米(4英寸)的雷達系統;當時最好的是150厘米(60英寸)。伯明翰的奧利馮特小組致力於開發兩個有前途的裝置,速調管(klystron)和磁控管(magnetron)。 速調管是一種專門的線性束真空管,用作從超高頻到微波範圍的高射頻放大器。低功率速調管用作地面微波中繼通信鏈路中的振盪器,而高功率速調管用作UHF電視發射器,衛星通信,雷達發射器中的輸出管,並為現代粒子加速器產生驅動力。而磁控管是產生大功率超高頻振盪的一種高效率微波電子管。


    奧利馮特與James Sayers合作,成功生產了可產生400W功率的速調管的改進版。同時,他的伯明翰團隊的另外兩名成員John Randall和Harry Boot進行了徹底的新設計,即多腔磁控管。到1940年2月,它們的輸出功率為400W,波長為9.8厘米(3.9英寸),正好是好的機載雷達所需的短波長。磁控管的功率很快增加了一百倍,伯明翰專注於磁控管的發展。第一批可操作的磁控管於1941年8月交付。這項發明是戰爭期間的關鍵科學突破之一,在擊敗德國U型艇,攔截敵方轟炸機和指揮盟軍轟炸機方面發揮了重要作用。可以說奧利馮特的雷達小組拯救了英國,否則戰技超強的德國空軍一旦掌握了制空權,希特勒征服不列顛島恐怕是易如反掌!


    1940年3月,在伯明翰大學,從維也納來到英國的奧托·弗里希(Otto Frisch)和出身柏林,流亡到英國的魯道夫·皮爾斯(Rudolf Peierls)在一篇被稱為《弗里施·佩爾斯備忘錄》的論文中研究了有關開發,生產和使用原子彈的理論問題。他們考慮了純鈾235球會發生什麼情況,並發現不僅會發生連鎖反應,而且可能需要低至1千克(2磅)鈾235就能釋放數百噸的能量TNT。約莫同時,德國的原子能計畫主持人海森堡得到了遠較弗里希與皮爾斯更悲觀的結論,他估計需要上噸的鈾235才能製造炸彈。真正的解答介於兩者之間。第一個看到《弗里施·佩爾斯備忘錄》的就是奧利馮特,他立即將其交給了空戰科學調查委員會(CSSAW)主席亨利·提扎德爵士。結果,成立了一個名為MAUD委員會的CSSAW特別小組委員會,以進一步調查此事。它由喬治·湯姆森爵士主持,最初的成員包括奧利潘特,查德威克,考克饒夫和穆恩。委員會在其1941年7月的最後報告中得出結論,原子彈不僅可行,而且最早可能在1943年生產。英國當時處於戰爭中,當局認為發展原子彈很緊迫,但是美國的緊迫性要小得多。所以MAUD委員會的結論是敦促美國趕快著手製造原子彈。MAUD委員會將這份報告送了一份給美國S-1鈾委員會主席萊曼·布里格斯Lyman James Briggs。奇的是英國卻始終沒收到美國的答覆。


    1941年8月5日,奧利馮特乘坐B-24解放者轟炸機飛往美國,表面上是去討論雷達的開發計劃,但實際上是被指派查明美國為何不理會MAUD委員會的調查結果。他後來回憶說:“會議記錄和報告已經發送給了鈾委員會主任布里格斯,我們感到困惑的是,幾乎沒有聽到任何評論。我在華盛頓DC拜訪了布里格斯,卻發現這個口齒不清,不甚起眼的傢伙把報告放在保險櫃裡,沒有把報告交給他的委員會成員。我感到非常驚訝和沮喪。” 


    行事向來疾如風,侵略如火的奧利馮特當然不會眼睜睜看事情陷入僵局。他在1941年8月26日於紐約舉行的會議上會見了鈾委員會。委員會的新成員塞繆爾·K·艾里森(Samuel K. Allison)是一位實驗物理學家,也是芝加哥大學阿瑟·康普頓(Arthur Compton)的門生。他回憶說,奧利馮特“參加會議並毫不猶豫地說了'炸彈'。他告訴我們,我們必須將一切精力都集中在炸彈上,並說我們除炸彈外,其他任何工作都該先停下來”他說,製造原子彈將花費2500萬美元,而英國沒有錢,也沒有人力,所以這取決於我們(美國人)。”艾里森對布里格斯把委員會其他成員蒙在鼓裡的事情感到驚訝。隨後,奧利馮特前往伯克萊,在那裡他於9月23日遇到了他的朋友勞倫斯,並給了他一份弗里施·皮爾斯(Frisch-Peierls)備忘錄的副本。勞倫斯讓羅伯特·歐本海默(Robert Oppenheimer)核對了數字。接著奧利馮特把歐本海默變成另一個盟友,他不僅設法說服了勞倫斯和歐本海默原子彈是可行的,而且還激發了勞倫斯將他的37英寸(94厘米)迴旋加速器轉變成用於質譜分離的巨型質譜儀,這是奧利馮特在1934年開創的技術。利奧·西拉德(Leo Szilard)後來寫道:“如果國會了解原子能項目的真實歷史,我相信一定會創造一個特別的勳章來表彰外國人的傑出服務,奧利馮特博士將是第一個獲得這個勳章的人。” 


    關於奧利馮特的百年人生,還有哪些精彩的故事? 就請各位看官稍待,阿文再為您慢慢細說一番,敬請期待!

    延伸閱讀
    長壽的物理學家們(一):奧立馮特 (下)  好戰的和平主義者


    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目
    (二)Marcus Laurence Elwin ‘Mark’ Oliphant by Richard H. Dalitz Physics Today 54, 7, 73 (2001)
    (三)Marcus Laurence Elwin Oliphant, 1901-2000 This memoir was originally published in Historical Records of Australian Science, vol.14, no.3, 2003. 

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