歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1952

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-10-29
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  • 1952年的諾貝爾獎頒給瑞士裔的美國物理學家費利克斯·布洛赫(Felix Bloch,1905-1983)與美國物理學家愛德華·米爾斯·普塞爾(Edward Mills Purcell,1912-1997年)。得獎理由是“他們開發出精確測量核子磁矩的新方法”,但其實他們的研究是完全相互獨立完成的,兩個人的研究生涯也是截然不同,形成有趣的對比。


    布洛赫生於瑞士蘇黎世,他的雙親都是猶太人。布洛赫在蘇黎世的聯邦理工學院Eidgenössische Technische Hochschule(ETH)接受大學教育。在此期間,他參加了ETH的德拜(Peter Debye)和維爾(Hermann Weyl)以及鄰近蘇黎世大學的薛丁格的研討會。在這些研討會認識了數學家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)。 布洛赫1927年畢業後在德拜的鼓勵下,前往萊比錫拜入維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)門下成為海森堡的第一位研究生,並於1928年獲得博士學位。 他的博士論文是用布洛赫波(Bloch wave)描述了周期性晶格中的電子,可說是固態物理的基礎!


     
    截圖 2020-10-28 下午10.27.27
    圖片來源:Nobel Prize


    拿到博士後布洛赫與歐洲的眾多學者合作,像是與蘇黎世的包立荷蘭的萊登的Hans Kramers和Adriaan Fokker還有在羅馬的恩里科·費米都是他的合作對象。他與海森堡合作研究鐵磁性,在那裡描述了磁區之間的邊界(現在稱為“布洛赫牆”),並從理論上提出了自旋波,磁結構的激發的概念; 與哥本哈根的尼爾斯·波爾合作描述了阻止帶電粒子通過介質的傳播等等。

    1932年,布洛赫回到萊比錫,擔任“講師”(Privatdozent),原本前程似錦,不料到了1933年,希特勒上台,布洛赫身為猶太人,所以只好返回蘇黎世,然後前往巴黎在亨利龐加萊研究所講學。1934年,史丹佛大學物理系系主任邀請布洛赫加入。布洛赫接受了這個邀請而移民美國。 1938年秋天,布洛赫開始參與加州大學伯克利分校37英寸迴旋加速器團隊,完成確定中子的磁矩的實驗。布洛赫後來成為史丹佛大學的第一位理論物理學教授。 1939年,他歸化成為美國公民。




    第二次世界大戰期間,布洛赫曾短暫地在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)從事原子彈項目。 但是他不喜歡實驗室的軍事氣氛,對實驗室的理論工作不感興趣,因此離開了洛斯阿拉莫斯,而加入哈佛大學的雷達研究。戰後,他集中精力研究核感應和核磁共振。在1946年,他提出了布洛赫方程,該方程確定了核磁化的時間演化。接下來他專注在發展核磁共振(NMR)的技術。
    當原子核放在外加磁場中,當原子核磁矩與外加磁場方向不同時,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動,稱為進動。原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定。讓原子核進動所需的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關,根據量子力學,原子核磁矩與外加磁場之間的夾角並不是連續分布的,而是由原子核的磁量子數來決定的,原子核磁矩的方向只能發生在這些磁量子數之間躍遷,所以當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入時,當能量達到特定值時才會發生能階躍遷,這也代表著原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。這種能階躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。換言之,只有當外加電磁波的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候,電磁波的能量才能夠有效地被原子核吸收而產生躍遷。


    儘管拉比(Isidor Rabi) 被公認為是NMR的發現者,但他在真空中使用分子束,其中各個原子核彼此分離且與周圍環境隔離。直到1945年下半年,布洛赫才首次在水中成功地顯示NMR。 令人意外的是麻省理工學院的愛德華·米爾斯·普塞爾(Edward Mills Purcell)領導的獨立研究小組幾乎就在同時也在石蠟中顯示NMR。他們的發現報告同時在1946年1月出版的《物理評論》發表。普賽爾是誰呢?  他是土生土長的美國人,在伊利諾伊州的泰勒維爾(Taylorville)成長,獲得普渡大學(Purdue University)電機工程學士學位後,又獲得了哈佛大學的物理碩士和博士學位。第二次世界大戰在麻省理工學院的輻射實驗室工作了數年,致力於微波雷達的開發。戰後普塞爾回到了哈佛。1946年12月,他與同事羅伯特·龐德(Robert Pound)和亨利·托里(Henry Torrey)共同發現了石墨的核磁共振。普塞爾測量能量吸收的方法本質上是依照量子力學。布洛赫的方法則是記錄了磁化矢量的旋轉在附近的線圈中感應出的電流,這顯然是古典電磁學的想法。同一個物理現象存在兩種不同的研究進路,也是有趣的事情。


    得獎之後,兩人的發展也頗為不同。1950年代初期成立歐洲核子研究組織時,其創始人正在尋找一個地位崇高又有國際聲望的人來領導剛剛起步的國際實驗室。而布洛赫正是不二人選。1954年,布洛赫教授成為歐洲核子研究組織的第一任總幹事。離開歐洲核子研究中心後,他回到了史丹佛大學,他於1983年在蘇黎世去世。享壽七十八。
    至於普賽爾則是成為第一個檢測出中性銀河氫(由於超精細分裂而著名的21厘米線)的無線電輻射的科學家。 這項觀測有助於開創射電天文學領域,而21厘米線的測量仍然是現代天文學中的一項重要技術。 他日後研究了自旋回波弛豫,核磁弛豫和對雷射的發展很重要的負自旋溫度研究。對固態物理學也頗有貢獻。


    此外,普賽爾還寫了一本著名的教科書《電與磁》(Electricity and Magnetism)。這本書是由美國國家科學基金會(NSF)資助,這是由於受到蘇聯發射Sputnik衛星,美國痛感需要加強基礎科學。這本書最初是作為《柏克萊物理學課程》的一部分出版的。這本書台灣學生應該不陌生。
    普賽爾在1997年在麻州劍橋過世,享壽八十五。
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