歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1955年

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-06-29
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  • 1955年的諾貝爾獎頒給了兩位美國實驗物理學家。他們的實驗結果促成了量子電動力學的發展,採用的技術都是拜二戰發展微波之賜而成熟的。他們是發現氫原子光譜中的蘭姆位移的威利斯·蘭姆(Willis Lamb, Junior,1913-2008年)與精確地測定出電子磁矩的波利卡普·庫許(Polykarp Kusch,1911年- 1993年)。
     
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    威利斯·蘭姆

    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1955/lamb-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6156292



    威利斯·蘭姆出生於美國加利福尼亞州洛杉磯,並在洛杉磯高中就讀。他於1930年首次入學,1934年獲得加州大學伯克萊分校化學學士學位。威利斯·蘭姆在羅伯特·歐本海默的指導下完成中子散射研究。1938年獲得物理學博士學位。二戰時期他的老師歐本海默力邀他參加曼哈頓計畫,他仍是選擇了雷達的開發研究。他在紐約的哥倫比亞大學學到微波運用的實驗技巧,而在歐本海默們下學到的量子物理的知識讓他選擇了一個非常重要的實驗主題:氫原子的光譜中2S1/2 (主量子數=2,軌道角動量量子數L=0,總和量子數J=1/2)與 2P1/2  (主量子數=2,軌道角動量量子數L=1,總和量子數J=1/2)兩個能階的能量差。為什麼這是個重要的實驗呢? 因為依照相對論性量子力學的計算,這兩個能階的能量必須是相同的。1930年代,科學家就了解到相對論性量子力學的內部隱含的矛盾,最有名的是所謂Klein paradox。所以必須發展相對論性量子場論,然而當時科學家們雖然寫下了理論,卻發現場論的計算不時出現發散的結果,根本無法做出預測。另一方面,相對論性量子力學與實驗結果一值都十分吻合,這使得量子場論是否真有必要引起許多懷疑。如果能夠發現2S1/2 與 2P1/2 的能量差,就等於證明了相對論性量子力學的不足,而還在掙扎中的量子場論也等於多了一個試金石,只有給出正確預測的量子場論才能被接受。

    然而要測量2S1/2 與 2P1/2 的能量差可不是簡單的工作。雖然我們可以從 2P1/2 躍遷到基態1S1/2放出的光譜線來決定 2P1/2 的能量,但是2S1/2 卻無法如法泡製,因為電磁輻射會改變軌道角動量,所以蘭姆準備好一束處於2S1/2 的氫原子,再加上磁場。這時2P3/2 這個能階會分裂成四個能階 (m=3/2,1/2,-1/2,-3/2),而2S1/2 這個能階會分裂成兩個能階 (m=1/2,-1/2)。蘭姆利用頻率是2395 MHz的微波來激發處於2S1/2 (m=1/2)的氫原子躍遷到2P3/2  (m=-1/2),接著再從2P3/2 掉到1S1/2。利用這樣巧妙的方法,蘭姆發現2S1/2 與 2P1/2 的能量差約4.372x10-6 MeV,換算成頻率則為1057MHz。

    約莫同一個時間,同樣也在哥倫比亞大學,另一項重要的實驗也證明了量子場論有其必要,那就是電子偶極矩的精密測量。依照相對論性量子力學,沒有內部結構的任何自旋二分之一的粒子的電偶極矩必定是

     
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    Μ是該粒子的自旋磁矩,e是粒子的電荷,m是粒子的質量,S是粒子的自旋角動量。依照相對論性量子力學,沒有內部結構的任何自旋二分之一的粒子的g值必定是2。而這一年的另一位得主庫許正是發現g值不等於2而得獎。


    庫許出生於德國布蘭肯堡, 1912年,全家移居美國,到1922年,他成為了美國的歸化公民。1936年在伊利諾大學拿到博士學位。1937年起,他的職業生涯大部分時間都在哥倫比亞大學任教,他也進行了許多磁矩和超精細結構的測量。 庫許的研究擴展到化學物理學,也繼續發表有關分子束的研究。庫許和Henry m. Foley利用拉比發展的分子束磁共振探測法來測量電子的磁偶矩,得到的g值並不是等於2,而是約為2.002。



    氫原子光譜中的蘭姆位移與電子的g值不等於2這兩個大發現激發了理論物理學家的興趣。事實上,理論物理學家在幾個月之內就發展出所謂再重整化的技巧,成功地建構出電子與光子系統的量子場論:量子電動力學,完美地解釋了這兩個現象。蘭姆位移與輕子的g值持續出現在物理相關的新聞上。幾年前渺子與質子的束縛態間的蘭姆位移引起一陣關於質子電荷半徑的波瀾,因為與氫原子蘭姆位移所推算的質子電荷半徑值有顯著差異。就在筆者撰此文的前一天,新的渺子g 值又引起一陣騷動,似乎預告著標準模型以外的物理呼之欲出呢。


    兩位得主的後半生,庫許從1972年起在德克薩斯大學達拉斯分校任教,直到1982年退休,1993年過世。蘭姆則是在發現蘭姆位移後轉到史丹佛大學,1956年至1962年在牛津大學擔任物理學教授,之後陸續在耶魯大學、哥倫比亞大學、史丹福大學和亞利桑那大學任教。2008年5月15日去世,享年94歲。他們的名字在科學史上永遠閃閃發亮,令人欣羨。


     
    Polykarp_Kusch (1)
     
    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1955/kusch-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6157221
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