歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1960年唐納德·格拉澤

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撰文者:爾諾
發文日期:2021-09-07
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  • 1960年的諾貝爾獎頒給發明氣泡室的美國物理學家唐納德·格拉澤(Donald Arthur Glaser,1926-2013)。格拉澤在1952年發明了氣泡室,八年後就得到諾貝爾獎的肯定,由此可見氣泡室在粒子物理的進展有多重要了。事實上利用氣泡室物理學家發現了Σ0、Ξ0、Σ+、Ω-等新粒子以及其他幾百種核子的核共振態,還可用於探測各種類型粒子的衰變,這些核共振態的發現引發了夸克模型的產生,對粒子物理的進展功不可沒,這個獎可謂實至名歸。

     
    Donald_Glaser (1)

    Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=504609


    格拉澤於1926年出生於俄亥俄州克利夫蘭。1950年獲得加州理工學院物理和數學博士學位。他的指導教授是研究宇宙線在威爾遜雲霧室的軌跡時發現正子的1937年諾貝爾物理獎得主安德森。畢業後前往密西根大學任教,1959年起轉到加州大學伯克利分校任教,直至退休。

    格拉澤在讀博士的時候,主要的研究工具是威爾遜在1910年發明的雲霧室。當帶電粒子進入雲霧室,讓雲霧室迅速膨脹,使裡面的氣體過飽和而凝結在帶電粒子的運動路徑上留下來的離子周圍。 這個過程就好像我們看到在高空飛行的飛機留下的氣體尾巴的痕跡一樣。從三零年代到五零年代,新粒子的發現幾乎都是從宇宙線通過雲霧室中的軌跡而證實的。π介子就是藉由鮑威爾的核乳膠技術和威爾遜的雲霧室的結合而被發現的。

    但是若要探測由加速器而非宇宙線產生能量更高的粒子時,在技術上就需要讓粒子產生比威爾遜雲室能提供更長的路徑。因為雲霧室的裡頭的氣體密度有上限,不足以和大量的高能粒子產生作用,這是因為氣體與高能帶電粒子彼此交互作用的時間變短了,這是一個很大的缺陷。再加上雲霧室的循環很慢,要再度啟動雲霧室所費的時間和加速器的循環過程比起來太長了。所以發展出能配合加速器而取代雲霧室的儀器就成了當務之急。

    1952年,任職於密西根大學的格拉澤靈機一動,想到改用液體來取代威爾遜雲霧室中的氣體,讓裡面的密度大約增加了上千倍。他用了一種處於沸點溫度的液體,再使壓力突然降低,從而使液體處於其沸點以上的溫度,科學家可以觀察在離子運動路徑上形成的氣泡。格拉澤製成的世界上第一台氣泡室是採用乙醚,他用它顯示了宇宙射線產生粒子的軌跡。成功以後,他又不斷改換裡頭的液體來進行試驗。雖然有傳說指稱格拉澤的靈感來自於喝啤酒時發現玻璃杯中的氣泡流動,但是他本人倒是親自澄清這並非實情。不過他倒是真的嘗試過將氣泡室的液體換成啤酒來作試驗。

    物理學家可以從粒子的軌跡中了解許多粒子的性質,那些能夠留下氣泡軌跡的帶電粒子的荷質比能夠從它們在外加磁場下路徑彎曲的程度來估算,軌跡的粗細等因素就能確定該粒子的質量。當一個粒子衰變成兩個以上的粒子時它的軌跡就產生分叉,在粒子發生碰撞時軌跡也會分叉。在一張特定的氣泡室照片中,會出現大量軌跡。有時在一個圖形的幾個部分之間還有些空白,這些空白可能代表中間過程是某個電中性的粒子,因為不帶電粒子在氣泡室中運動時不會留下可見的軌跡。物理學家必須解讀氣泡室的照片,從各種軌跡的組合中辨認出粒子的類型。

    格拉澤在發明氣泡室後不久就轉到加州柏克萊大學,並繼續改良氣泡室。一開始他的新發明似乎沒有引起太多迴響,但是幸運之神很快降臨到他身上,在伯克萊勞倫斯實驗室工作的美國物理學家路易·阿耳瓦雷茨(Luis Alvarez)對這項新發明很感興趣,決定建造一個充滿液態氫,規模遠大於格拉澤原先製造的大型氣泡室。阿耳瓦雷茨組織了一大批各個領域的技術專家,建造了一系列的氣泡室,其大小不斷增加,最大的達72英寸。

    阿耳瓦雷茨首先在質子—反質子的湮沒實驗中發現了許多新的核子共振態,後來在各種反應中出現了幾十個、幾百個新的重子共振態。這激起了粒子物理界的一大革新,就是夸克模型的建立。氣泡室從此開始廣泛使用於高能物理研究。

    氣泡室技術後來不斷發展。氣泡室容積大小從數毫升到100升,所用液體為液氫、淮氙、乙醚、丙烷等;氣泡室的壓力從1個大氣壓到幾十個大氣壓。氣泡室的工作環境隨著裡頭的工作液體不同而不同。如果是使用液液氫或液氘,就需要在低溫下才能使用,如果用的是液態碳氫有機物,如丙烷、乙醚等,那麼只要在常溫下就可以了。但是氣泡室最常用的液體還是液態氫,因為氫是已知的最簡單的原子。每一個氫原子含有一個質子和一個電子構成的。在液態氫中發生的次原子事件就特別簡單,很容易從氣泡所組成的軌徑辨認出來。氣泡室技術後來不斷發展。氣泡室容積大小從數毫升到100升,氣泡室的壓力從1個大氣壓到幾十個大氣壓。

    大型氣泡室容積可達20立方米。氣泡室兼備乳膠和雲霧室兩者的優點,容器內的工作液體本身就是一個可見的靶。氣泡室的軌跡清晰,測量精確度高,作用頂點清晰可見。

    可以說建立粒子物理的標準模型過程中充滿了氣泡室的身影。除了阿耳瓦雷茨開啟的發現眾多核共振態以外,1973年在Gargamelle 發現中性弱流的實驗也是仰賴氣泡室。這個實驗在粒子物理有著重大的影響,因為它支持先前溫伯格與阿布․沙朗提出的電弱理論。1983年的UA1 and UA2 experiments 證實了W 與 Z玻色子的存在,這些實驗也使用氣泡室。儘管氣泡室在過去非常成功,但是隨著加速器變得日益龐大,但由於多種原因,它們在現代的高能實驗中的用途有限:所以氣泡室已在很大程度上被金屬線室與火花室所取代。

    至於格拉澤本人,在獲得諾貝爾獎後,他覺得他前半生都在研究物理世界,現在他想研究生命本身的基礎,所以他轉而開始研究生物學和遺傳學。他想起過去在加州理工學院曾對分子遺傳學產生興趣,所以他轉而開始學習生物學。他曾在加州大學伯克利分校的病毒實驗室(現為生物化學和病毒實驗室)從事細菌噬菌體、細菌和哺乳動物細胞的實驗。 他研究了癌細胞的發展,特別是皮膚癌色素性乾皮病。與氣泡室一樣,他利用自己設計設備的經驗來改進實驗過程。


    隨著分子生物學越來越依賴於生物化學,格拉澤再次考慮轉行。 他在物理學和分子生物學中的經驗使他對人類視覺以及大腦如何處理所見事物產生了興趣。 他開始從事視覺系統和視覺心理物理學的計算建模工作。真是活到老,學到老!
    格拉澤於 2013 年 2 月 28 日在加州伯克利在睡夢中去世,享年 86 歲。



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    延伸閱讀:
    諾貝爾物理獎:1959年
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