歷史 物理

烽火赤焰萬里情:龐特科沃的漂泊人生

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-08-10
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  • 上一回介紹義大利的科學家拉塞蒂時,再一次提到了帕尼斯貝爾納路男孩 (Via Panisperna boys),這一次阿文就針對其中閱歷最為多彩多姿的一員,布魯諾·龐特科沃(Bruno Pontecorvo,1913-1993)來為您介紹。他從義大利到法國,乃至於美國、加拿大、英國最後卻戲劇性地”叛逃”到蘇聯,最後終老於莫斯科,這樣波濤起伏的人生,稱得上是烽火赤焰萬里情,堪稱比電影還要戲劇化。阿文當然不會放過這麼精采的主題,就請您聽我細說從頭。


    布魯諾·龐特科沃於1913年8月22日出生在義大利的比薩市一個富有的猶太裔家庭。他的父親Massimo 來自羅馬。母親的家庭來自曼托瓦。他的外祖父阿里戈·馬羅尼(Arrigo Maroni,1852-1924年)生於曼圖亞(Mantua),曾是米蘭Fatebenefratelli醫院的負責人。他家中有八個孩子,他排行第四,大哥吉多(Guido)出生於1907年,後來成為遺傳學家。二哥保羅(Paolo)出生於1909年,在第二次世界大戰期間成為了從事雷達工作的工程師。他的大姐朱莉雅娜(Giuliana)出生於1911年。大弟吉洛(Gillo)出生於1919年,是電影”阿爾及爾戰役”的導演。他還有兩個妹妹。蘿拉(Laura)出生於1921年,安娜(Anna)出生於1924年,二弟喬瓦尼(Giovanni)出生於1926年。 Massimo擁有3個紡織工廠,總共僱用了超過1000名員工。他們家並沒有遵循猶太教的生活規範,與愛因斯坦一家類似。都是世俗化的猶太人。



    龐特科沃考入比薩大學時選擇攻讀工程,但兩年後他決定改讀物理學。在大哥吉多的建議下,他決定轉到費米任教的羅馬薩皮恩扎大學(University of Rome La Sapienza)就讀,並且成了帕尼斯貝爾納路男孩中最年輕的一員。費米曾形容龐特科沃是“就科學來講,我與科學界接觸過的最聰明的人之一”。 作為最年輕的成員的他被該小組暱稱為Cucciolo,意思為“小狗”。


    1934年,龐特科沃參加了費米團隊著名的慢中子實驗,這實驗其實導致了核分裂。不過當時被誤認為創造出超鈾元素。1934年11月1日,他成為皇家物理研究所和羅馬大學的臨時助理,11月7日,他與費米,拉塞蒂一起成為慢中子的開創性論文的合著者。那篇文章闡明了氫比其它重元素更能夠讓中子減速,而慢中子比快中子更容易被物質吸收。1935年10月,相關技術以費米、龐特科沃、阿馬爾迪、拉塞蒂以及塞格的名義共同獲得了義大利專利。龐特科沃大概作夢也沒想到,他的人生會因為這項專利而天翻地覆吧,不過那是十五年後的事情了。


    1936年2月,龐特科沃離開義大利移居巴黎。沒多久龐特科沃與法國物理學家安德烈·拉扎德(André  Lazard)在塞納河畔納伊(Ivry的居里奧-居禮實驗室合作,發現了讓·弗雷德里克·約里奧-居禮後來命名的“核磷光”。當中子和質子被激發並返回其基態時,它們會發出X射線。這是核同質異構素(nuclear isomer)之間的電磁躍遷。所謂核同質量構素指的是原子核的質子或中子處於激發態,但是半衰期比一般激發態長的亞穩態(Metastability)。這通常是核反應後,原子核內的核子被激發到能量很高的高自旋的能階而產生的。因為一個光子只帶有一個單位的角動量,所以高自旋能階的核子要躍遷到基態就比一般的情況更困難,所以它們的半衰期比常見的激發態的核子的半衰期要長(通常達到100~1000倍的時間),因此被稱作處於「亞穩態」。這種同質異構素在原子的質量數後附上「m」作為標記。(另一種情形則是發生在高原子序的原子核,當原子核並不是球形的,而是類似於橄欖球的長球面時,會讓原子核向基態衰變,傾向於發生核分裂。通常其裂變半衰期只有幾奈秒到幾毫秒,但是相對一個激發態原子核通常能存在的時間來說,已經很長了。這種同質異構素通常以「f」附加在質量數後,以區別核子激發造成的同質異構素。) 他還發現,某些同質異構核在放射性衰變後不會轉變成其他元素。像是銠或是鎘就有一些同位素有這些性質。這擴大了放射性物質在醫療應用中的使用範圍。對於這項開創性的研究,龐特科沃因此獲得了居里卡內基獎學金,也獲得了法國國家科學研究中心的資助。


    在巴黎的這段期間,龐特科沃在表弟埃米利奧·塞雷尼(Emilio Sereni)的影響下,他的思想逐漸傾向共產主義,他的姐姐朱莉雅娜、勞拉以及大哥吉洛也都加入了法國共產黨。當時法西斯風潮襲捲全歐,許多看不下去的知識分子全都集結到法西斯的對立面,龐特科沃一家就是典型的代表。


    長相英俊的龐特科沃在巴黎當然不乏風流韻事。他與在巴黎工作的瑞典美女瑪麗安(Helene Marianne Nordblom , 1917-1995)陷入愛河。不論是因為他與瑪麗安的關係,還是他在同質異構核方面的研究,再加上義大利政局惡化,都讓他毫不猶疑地拒絕1937年在羅馬大學申請終身職位的機會。


    1938年1月4日,瑪麗安與龐特科沃一起在住進巴黎萬神殿(Place duPanthéon)附近的Hôtel des Grands Hommes。他們的兒子吉爾(Gil)於7月30日出生。 由於瑪麗安的簽證過期,她不得不在9月返回瑞典。龐特科沃陪她回去,將吉爾留在了巴黎的一個寄養幼兒園。他獨自回到巴黎後,由於法西斯政權針對猶太人的種族法律,龐特科沃無法返回意大利。 這導致帕尼斯貝爾納路男孩各奔東西,費米移居美國。龐特科沃的家庭也四處分散。吉多於1938年移居英國,隨後喬瓦尼,蘿拉和安娜都移居英國,而大弟吉洛則在巴黎加入了龐特科沃。


    1939年6月,龐特科沃申請到瑞典的簽證,但被拒絕了。8月23日,傳來德蘇簽訂《德蘇互不侵犯條約》的消息。第二天,他就加入了法國共產黨。瑪麗安於1939年9月6日來到巴黎重新與他團圓,這是英國和法國對德國宣戰的三天之後。他們於1940年1月9日結婚。然而隨著德軍的凌厲攻勢,當德國人於1940年5月包圍巴黎時,他們決定離開法國。儘管英國人向包括漢斯·馮·哈爾班(Hans von Halban) 和盧克·科沃斯基 (Lew Kowarski)在內的法國核物理學家提供了庇護,但他們排除龐特科沃。幸運的是,兩名正在尋找中子物理學專家的歐洲移民向塞格提供了在俄克拉何馬州塔爾薩的工作機會。他的老朋友塞格婉拒了這個提議,因為當時他已經在加州大學勞倫斯的實驗室從事研究工作,但是他推薦了龐特科沃。於是龐特科沃準備前去美國。


    由於局勢日益危急,當時他的大姐朱莉雅娜與姊夫杜奇住在法國西南大城土魯斯(Toulouse)。1940年6月2日,龐特科沃目送瑪麗安和吉爾一起乘火車前往土魯斯。 6月13日,就在德國人進入巴黎的前一天,龐特科沃和他的弟弟吉洛,表兄埃米利奧·塞雷尼和義大利猶太籍的生物學家薩爾瓦多·盧里亞(Salvador Luria)一起騎著自行車逃離巴黎。他們花了十天才到達土魯斯。盧里亞去了馬賽(Marseilles),從那裡他轉去美國。而龐特科沃一家三口與姐姐,姐夫則是登上火車,於1940年7月19日經馬德里到達里斯本。瑪麗安在途中流產,旅途變得十分艱辛,但儘管如此,他們還是在1940年8月9日登上了“(Quanza)”號輪船,前往美國。 1940年8月19日,這艘船到達紐約市,他們與他的二哥保羅住在一起。在那裡,他拜訪了費米在新澤西州利奧尼亞的新家。不久他帶著妻兒前往塔爾薩。


    龐特科沃在塔爾薩的新工作很有意思。僱用他的是一家名為Well Surveys的公司。這家公司是由兩個歐洲移民,雅各布·傑克·諾伊費爾德(Jakov“ Jake” Neufeld)和謝爾蓋·亞歷山德羅維奇·謝爾巴茨考伊(Serge Alexandrovich Scherbatskoy)所創立的,資金則是由標準石油公司提供。他們的想法是將核物理學應用於尋找礦物。伽馬射線設備已經成功地分析了岩石露頭。(所謂露頭outcrop是地球表面突出可見的岩床或表面沉積物。)他們受到義大利和法國之前相關工作的啟發,認為沒有電荷的中子可能能穿透在岩石而誘導出放射性,科學家可以利用它來探測表面下的不同元素。而龐特科沃正是他們所需要的專家。龐特科沃使用帕尼斯貝爾納路男孩使用的鐳和鈹創建了一個中子源,用石蠟作為中子減速劑,並使用費米和阿馬爾迪開發的方法測量了不同礦物的吸收中子的程度。到1941年6月,他已經擁有了一種能夠區分頁岩,石灰石和砂岩並繪製出兩者之間過渡圖的設備。該技術可能被認為是慢中子第一個實際的工業應用,並且在數十年後仍將用於測井。他還申請了與這儀器相關的四項專利。


    1941年底,龐特科沃為了他需要的放射性同位素缺貨而大傷腦筋。他不知道,那是因為“曼哈頓計劃”正在壟斷相關物資。為了獲得這些物品,他於1942年4月在紐約會見了費米,馮·哈爾班和普拉切克。雖然他仍然無法獲得所需的物資,但費米對Wells Surveys的工作卻表現出了出乎意料的強烈興趣。這次會面雖然沒有拿到物資,但龐特科沃卻收到馮·哈爾班和普拉切克的邀請,加入加拿大蒙特婁實驗室的管合金團隊。

    其實當時的主事者愛德華·阿普爾頓爵士對這項任命有點疑慮,倒不是由於龐特科沃的政治信仰,而是由於他非英國國民身分,當時已經有太多外國籍的科學家在管合金計畫中了。不過由於龐特科沃的聲譽再加上優秀物理學家難求,阿普爾頓最終被說服了。龐特科沃於1943年1月15日被正式任命為管合金計畫的成員,並於2月7日與家人抵達蒙特婁。1943年8月,邱吉爾和羅斯福就《魁北克協議》進行了談判,該協議導致美國和英國恢復了合作,將管合金計畫合併到了曼哈頓計劃中。

    考克饒夫於1944年成為蒙特婁實驗室的負責人。出於安全的理由,他決定在偏遠的查克河實驗室建造反應堆。這是美國以外的第一個核反應堆。龐特科沃在查克河實驗室從事核反應堆ZEEP的設計工作。龐特科沃的次子於1944年出生,他以南斯拉夫共產黨領袖的名字將次子命名為狄托。第三個兒子安東尼奧於1945年7月出生。儘管這時期他只發表了兩篇論文,但他撰寫了25篇與反應堆設計相關的論文。他還與他的老公司進行了一些勘探,在西北地區的Radium港口附近尋找鈾礦床。龐特科沃此時還研究了宇宙射線,渺子的衰變, 微中子後來成為他的最愛。龐特科沃深受考克饒夫信任,著眼於戰後的核武計劃,考克饒夫邀請龐特科沃和艾倫·納恩·梅 兩人聽取訪問加拿大的曼哈頓計劃參與人員,其實算是替英國搜集情報。不幸的是,納恩·梅的真實身分是蘇聯間諜,而龐特科沃後來也大有問題,考克饒夫顯然看人的眼光顯然有點問題。


    1945年8月戰爭結束後,龐特科沃得到了美國幾所大學薪資誘人的邀請。但是他在1946年2月21日接受了考克饒夫的邀請加入英國原子能研究機構(AERE)。他暫時留在查克河(Chalk River)調試新的NRX反應堆。他是啟動NRX時在控制室中出現的四位物理學家之一。當時,它的中子通量是其他任何反應堆的五倍,並且是世界上最強大的反應堆。這段時間,風流成性的他居然還跟兩位女性跑去波斯頓遊玩,這樁婚外情被太太知道了以後,他太太氣到把銀行帳號關了,帶小孩跑去Banff。雖然後來兩人和好,他卻贏得了“拉蒙·諾瓦羅(Ramon Novarro)的渾名。儘管他先前已採取步驟成為美國公民,但他卻在1948年2月7日正式成為英國臣民,最終於1949年1月24日離開查克河前往英國,在哈威爾(Harwell)的原子能研究機構工作。龐特科沃繼續參與反應堆設計項目。作為動力轉向委員會(PSC)的成員,他還參與了核分裂材料的生產和使用以及反應堆建造中使用材料的討論。


    但是龐特科沃在英國的發展卻出現了暗礁。1949年,過去在羅馬的老同事,特別是塞格,開始對慢速中子相關發明提出專利主張,因為它是核反應堆和核武器設計的核心。因此,美國聯邦調查局(FBI)開始調查其背景。FBI從其1943年的曼哈頓計劃文件中注意到,龐特科沃的兄弟姐妹朱莉雅娜、勞拉和吉洛都是共產黨員,龐特科沃和瑪麗安也可能是共產黨員,並將其報告給了英國的情報單位。


    1950年2月,龐特科沃在哈威爾的同事克勞斯·福克斯(Klaus Fuchs)因從事間諜活動而被捕,AERE開始更加重視保安工作。龐特考沃接受了AERE安全官員亨利·阿諾德(Henry Arnold)的約談。儘管Arnold沒有證據表明龐特科沃是蘇聯間諜,但建議將他轉移到無法接觸到“最高機密”資料的職務。他的朋友赫伯特·斯金納(Herbert Skinner, 1900-1960)向龐特科沃建議向利物浦大學申請新的教授職位,斯金納在那兒接替查德威克,成為里昂·瓊斯(Lyon Jones)實驗物理學的講座。 1950年6月,利物浦大學提供這一職位給龐特科沃。但是出乎眾人意料的是就在1950年9月1日,龐特科沃與妻子和三個兒子在義大利度假時,全家從羅馬突然飛往斯德哥爾摩,沒有通知親友。 9月2日,他在蘇聯特工的幫助下從芬蘭進入蘇聯。龐特科沃的失踪引起許多西方情報機構的關注,尤其是英國、加拿大和美國的情報機構,這些機構擔心原子機密會流到蘇聯。


    到底龐特科沃是不是蘇聯間諜?據有史以來叛逃到西方KGB 位階最高的軍官奧列格·戈爾迪耶夫斯基 (Oleg Gordievsky)和前蘇聯對外情報局副局長帕維爾·蘇多普拉托夫(Pavel Sudoplatov),龐特科沃的確是蘇聯間諜。然而,蘇多普拉托夫將龐特科沃誤認為代號為姆拉德Mlad的間諜,我們現在知道他的真實身分是特德·霍爾(Ted Hall)。龐特科沃從未承認或否認自己是間諜。指控他的實際證據其實很薄弱。弗蘭克·克洛斯(Frank Close)指出,加拿大NRX反應堆的藍圖在1950年前後被運往蘇聯,納恩·梅在1946年三月就被逮捕了,不可能是納恩·梅,龐特科沃成為主要的嫌疑人。但是這不算是直接證據。整件事成了千古疑案。


    在蘇聯,龐特科沃受到了熱烈的歡迎,並獲得了只有蘇聯高幹(nomenklatura)享有的許多特權。他在杜布納聯合核研究所(JINR)持續工作一直到他過世為止,他一直專注於高能粒子的理論研究,並繼續他的微中子和介子衰變研究。為了表彰他的研究,他於1953年獲得了史達林獎,1955年獲得了蘇聯共產黨和1958年的蘇聯科學院的會員資格,並獲得了兩次列寧勳章。1964年,他因在弱相互作用方面的工作而被授予列寧獎。1950年,他與詩人Mikhail Arkadyevich Svetlov的妻子Rodam Amiredzhibi展開了一段婚外情,持續到他過世為止。


    龐特科沃到了蘇聯仍然持續他的物理研究,其中大部分涉及微中子,微中子是包立於1930年為了解釋在β衰變過程中逸出的未被檢測到的能量而提出的假設粒子費米稱其為微中子,意為“小的中性粒子” 。1934年,費米提出了他的β衰變理論,該理論解釋了原子核的貝他衰變是由中子衰變成質子再加上一個電子和反微中子。最初認為微中子是無法檢測到的,但1945年龐特科沃首先指出,微中子撞擊氯核可將其轉變為不穩定的氬的同位素氬37,在K捕獲反應後發出2.8 keV 電子的半衰期為34天。電子可以直接檢測:

     
    ν+ 氯37(質子數17,中子數20)→e+ 氬37(質子數18,中子數19)
     
    龐特科沃於1945年發表的論文將使用四氯化碳(CCl4)的想法歸功於法國物理學家Jules Guéron(1907-1990)。他提議使用NRX作為微中子源在查克河上進行相關實驗,實驗沒有成功,因為當時尚不知道核反應堆產生的是反微中子而不是微中子。於1949年龐特科沃離開後這個計畫就被放棄了。


    在現在稱為Cowan-Reines微中子實驗的過程中,Frederick Reines和Clyde Cowan在1955年發現了反微中子,並因此在1995年獲得了諾貝爾物理學獎。他們利用的是讓反微中子碰撞質子產生中子與正子,中子與鎘108作用產生鎘109跟一個光子,而正子與周遭電子相互湮滅產生兩個光子,由此可以找出反微中子。


     
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    但是龐特科沃提議的反應在尋找太陽微中子時卻派上用場。從理論上講,太陽在核聚變反應過程中產生了微中子。龐特科沃將此想法歸功於Maurice Pryce。恆星內部的核融合反應最常見的是質子-質子鏈反應,其中氫被融合形成氦,但是產生的微中子的能量不足以與氯發生相互作用。但是,產生碳,氮和氧的CNO循環所產生的微中子能量雖然夠高,但是太陽內部CNO循環的核反應次數遠小於質子-質子鏈。而質子-質子鏈形成的鈹同位素鈹7衰變產生的微中子能夠與氯37作用。在1960年代後期,雷·戴維斯(Ray Davis)和約翰·巴赫(John N. Bahcall)在霍姆斯特克(Homestake)實驗中發現了太陽微中子,戴維斯為此獲得了2002年諾貝爾物理學獎。該實驗是第一個成功檢測和計數太陽微中子的實驗,但是檢測到的微中子數量在預計數量的三分之一到一半之間。這成為太陽微中子問題。


    龐特科沃在1968年提出一個可能的解決之道。他的解答涉及一個想法是他於1957年就開始思考,並在隨後的十年中不斷發展的想法。這就是微中子可能轉換成其他類型的微中子,這種現象被稱為微中子振盪。這個想法得需要話說從頭一番。朱利安·許文格(Julian Schwinger)曾假設,渺子放出W玻色子後會變成微中子,(雖然1983年科學家才發現W玻色子),杰拉爾德·芬伯格(Gerald Feinberg,1933-1992)很快就指出,假如許文格的假設真的成立,那麼應該會出現

     
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    這種反應,但是這個反應從未被觀察到,但是芬伯格更進一步發現,如果與渺子相伴產生的微中子與電子相伴的微中子是相同的粒子,這個反應才可能發生。換言之,如果兩種微中子是不同的微中子,那麼渺子-電子的轉換就不存在。


    龐特科沃在1959年的一篇論文中就列出了21種涉及微中子的可能反應,並指出其中一些反應只有當電子微中子(νe)和渺子中微子(νμ)是完全相同時才可能發生。 如果沒觀察到這些反應就等於證明存在兩種類型的微中子。他認為“從對稱性和粒子分類的角度來看存在兩種類型的微中子是很自然的事。1962年證實兩種微中子不同的實驗被傑克·斯坦伯格(Jack Steinberger),萊昂·萊德曼(Leon M. Lederman)和梅爾文·施瓦茨(Melvin Schwartz)證實了。他們後來在1988年因發現渺子微中子而獲得了諾貝爾物理學獎。


    那麼渺子微中子與電子微中子是兩種不同的微中子,有沒有可能從太陽產生的電子微中子在傳播到地球時轉變為渺子微中子呢? 其實早在1957年龐特科沃就提出微中子振盪的想法,但是他設想的是微中子與反微中子的振盪。這是被蓋爾曼與派斯提出的中性K介子振盪所啟發。另一個相關的靈感來自同為帕尼斯貝爾納路男孩的馬約拉納 (1906–1938)所提出的馬約拉納費米子公式。馬約拉納費米子可以擁有一個特別的質量項,由此引發微中子與反微中子的振盪。龐特科沃甚至設想了
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    的可能性。所以當他聽到霍姆斯特克(Homestake)實驗後,很快地就在1967年提出電子微中子與渺子微中子之間的振盪理論。這樣就能輕易地解釋為何只量到部分的太陽微中子,因為在太陽到地球之間,部份的電子微中子變成了渺子微中子了。但是他不知道的是,早在1962年坂田昌一與名古屋研究群的牧二郎・中川昌美一起建構出描寫微中子混合的公式,現在稱為PMNS 矩陣,其中P是Pontecorvo,M是牧二郎(Maki Jiro) ,N是中川昌美(Nakagawa Masami) S就是坂田昌一了。原本的矩陣是2x2,後來第三個輕子τ發現了以後,PMNS矩陣自然變成3x3了。微中子振盪的前提是微中子不能全是零質量粒子。在六,七零年代物理界普遍認為微中子是無質量,而微中子必定是左手,反微中子則是右手的粒子。然而,微中子振盪的存在最終是由日本神岡Super-Kamiokande實驗在1998年確定的,後來又被其他實驗證實。這一預測得到了2015年諾貝爾物理學獎的認可,該獎授予梶田隆章和亞當·麥克唐納,“因為發現了微中子振盪,這表明微中子具有質量”。


    龐特科沃還於1958年預測說,超新星將產生強烈的微中子爆發。當微中子探測器探測到超新星SN1987A發出的微中子時,很少有科學家會比他感到更加興奮。事實上,他的後半生都聚焦在微中子的相關議題上,他提出了包含右手微中子與左手反微中子的理論,微中子的質量由馬約拉納質量項與狄拉克質量項共同提供。相關的理論與實驗工作載籍浩翰,如今已是高能物理中的一門顯學了。


    龐特科沃於1993年9月24日在杜布納去世。按照他的意願,他的骨灰中有一半被埋在羅馬的新教公墓,另一半被埋在俄羅斯的杜布納。1995年,由於表彰他的科學功績,聯合核研究所設立了享有盛名的龐特科沃獎。該獎項每年頒發給一位科學家,以表彰國際科學界所承認的“基本粒子物理學中最重要的研究”。這個一生漂泊的多情種子,他的傳奇會永存在未來世代的高能學家的記憶當中吧。


    參考資料:
    (一)中文 英文 義大利文維基相關條目
    (二)Bruno Pontecorvo and Neutrino Oscillations by Samoil M. Bilenky
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