歷史 物理

善用加速器的魔法師:塞格雷

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-11-12
點閱次數:279

  • 加速器可以算得上二十世紀最具象徵性的科學儀器了。大家耳熟能詳的大強子對撞器在2012年夏天發現希格斯粒子後,龐大的加速器的印象更是深植人心。不過其實一開始,加速器的主要用途是研究原子核的結構,乃至於製造新元素,同時期的粒子物理的發展,反倒多是仰賴宇宙線相關的實驗。而早期加速器的歷史中,費米的高徒塞格雷無疑是個中翹楚,他不僅利用加速器發現了三種新元素,還因證實了反質子的存在而得到諾貝爾獎。就讓阿文我來為您介紹這位堪稱加速器魔法師的物理學家。


    埃米利奧·吉諾·塞格雷(Emilio Gino Segrè)於 1905 年 2 月 1 日出生在羅馬附近蒂沃利(Tivoli)的一個從西班牙遷來的猶太家庭,他的父親朱塞佩·塞格雷(Giuseppe Segrè)是擁有一家造紙廠的商人。他的叔叔 基諾(Gino Segre)是一名法學教授。原本他在蒂沃利的中學接受教育,1917 年全家搬到羅馬後,轉學到羅馬的中學就讀。他於 1922 年 進入羅馬 La Sapienza 大學,專攻工程。塞格雷的經歷與家庭背景與先前阿文介紹的龐特科沃十分類似。而Ettore Majorana 則是他的同學。當時的義大利物理界還沒受到量子革命的衝擊,所以尚未得到學生的青睞。


     
    Segre (1)

    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1959/segre-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6151107


    不過隨著費米回到羅馬,情況也隨之改變。1927 年,塞格雷結識了拉塞蒂(Franco Rasetti),他與熱愛登山的拉塞蒂常常一起去爬山,正是拉塞蒂把他介紹給了費米( Enrico Fermi)。當時這兩位年輕的物理學教授正在四處尋找有才華的學生。他們於 1927 年 9 月一起參加了在科莫舉行的第一屆伏打會議,在那裡塞格雷聽取了著名物理學家的講座,包括波爾、海森堡、密利根、包立、普朗克和拉塞福。在物理研究所所長奧爾索·馬里奧·科爾比諾 (Orso Mario Corbino)的幫助下,塞格雷得以轉學到物理系。Ettore Majorana 也跟著他一起轉到物理系。塞格雷回憶到當時費米在實驗室掛起一條繩索,問塞格雷要如何分析繩索的運動,當費米提起Bessel 函數,塞格雷還是第一次聽到這玩意了呢!可以想見塞格雷受到的衝擊之大。當塞格雷從工程轉到物理時,由於他已經快要畢業了,當時他的家裡極力反對,不過他在費米的指導下學習,於 1928 年 7 月獲得了桂冠學位,論文題目是“異常色散和磁旋轉”。雖然他的論文是實驗的題目,但是在費米開設一周三次的特別課程的薰陶下,他學到了許多當時剛出爐量子力學的嶄新知識。塞格雷終生受益無窮,到老時仍然感念不已呢。


     1928 年至 1929 年在義大利軍隊服役時,擔任防空砲兵少尉。退伍以後,塞格雷回到了羅馬大學位於帕尼斯貝爾納路(Via Panisperna)上的實驗室。他於 1928 年與阿馬爾迪(Edoardo Amaldi 1908-1989)共同發表了他的第一篇論文,總結了他的論文“關於汞和鋰中的異常色散”,次年與他一起發表了另一篇關於拉曼效應的文章。當時光譜學是物理的顯學,量子力學可以說是從光譜的研究開始的。所以自然而然,更精細的光譜研究是量子力學第一個施展威力之處。


    1930 年,塞格雷開始研究某些鹼金屬光譜中的季曼效應。當他因義大利沒有他需要繼續使用的繞射光柵而研究遭到停滯時,他寫信給歐洲其他地方的四個實驗室尋求幫助,並收到了彼得·季曼的邀請前去阿姆斯特丹的季曼實驗室工作。當時拉塞蒂前去加州理工學院,阿馬爾迪則是去萊比錫追隨德拜學習X光相關技術。他們兩人都是由洛克菲勒基金會提供獎學金才能成行。不久之後,塞格雷也拿到洛克菲勒基金會獎學金,在費米的建議下,選擇前去漢堡跟隨奧托·斯特恩學習。雖然一開始帕尼斯貝爾納路男孩們研究的重心都是光譜學,但是後來他們都不約而同地轉向核子物理。其實早在他們離開義大利前,在阿馬爾迪的建議下,他們就開始辦讀書會,讀起拉塞福的著作Radiations from Radioactive Substance了。塞格雷從漢堡回來以後於 1932 年被任命為羅馬大學物理學助理教授,並在那裡工作到 1936 年。就在這段時間,帕尼斯貝爾納路男孩在費米的領導下,開始使用慢中子轟擊各種原子核,得到許多重要的成果。同時也吸引了眾多的外國學者前來取經。像是Bethe Bloch、Peierls、London、Feenberg都是這期間來訪的學者。有趣的是,由於天氣炎熱,羅馬大學夏天關閉,所以帕尼斯貝爾納路男孩在夏天都會到別的國家訪問,1934年塞格雷雨阿馬爾迪到劍橋卡文迪西實驗室,1935年塞格雷則是到美國紐約哥倫比亞大學訪問。


    1934 年,塞格雷遇到了猶太女士,名為埃爾弗里德·斯皮羅 (Elfriede Spiro),她的家人來自西普魯士的奧斯特羅沃,在第一次世界大戰後普魯士的那部分地區成為波蘭的一部分以後,全家逃到了布雷斯勞。納粹黨在德國上台後1933年,斯皮羅家移居義大利,擔任秘書和翻譯。起初她的義大利語講得不太好,但是塞格雷德語非常流利,一段戀情就此展開。為了成家立業,塞格雷開始積極尋找穩定的工作。最後在1935年秋天,他成為巴勒莫大學物理學教授兼物理研究所所長。塞格雷與斯皮羅於是在1936 年 2 月 2 日在羅馬大猶太會堂舉行了婚禮。


    巴勒莫位於義大利西西里島西北部,是西西里島的首府,他發現那裡的設備很簡陋,圖書館裡也沒有現代物理學文獻,但在巴勒莫的同事包括數學家 Michele Cipolla 和 Michele De Franchis、礦物學家 Carlo Perrier 和植物學家 Luigi Montemartini 都是一時之選。 在巴勒莫的時期,塞格雷曾回憶說:我就是物理系!他也四處網羅優秀的科學家。像是後來在場論有許多貢獻的吉安·卡羅·威克(Gian Carlo Wick,1909-1992)來擔任理論物理的講座;他也培養出優秀的學生,像是Mariano Santangelo(1908-1970)與Bernardo Nestore Cacciapuoti (1913-1979)。畢業後都成為他的助手,後來也都成為Modena 與Pisa的教授。Manlio Mandò (1912-2001)則是成為佛羅倫斯的教授。


    1936 年夏天,塞格雷訪問了勞倫斯 (Ernest O. Lawrence) 的伯克萊輻射實驗室,在那裡他見到了麥克法蘭(Edwin McMillan)、Donald Cooksey、Franz Kurie、Philip Abelson 和歐本海默等人。塞格雷原先就對加速器非常感興趣,事實上他還跟費米討論過在義大利建造加速器的可能性,限於技術與經費而作罷。所以他會選擇訪問勞倫斯的實驗室一點也不足為奇。他在參觀過加速器後,對曾經是實驗室迴旋加速器一部分的放射性廢棄金屬頗感好奇。1937 年 2 月,勞倫斯寄給他一個鉬條,該鉬條會釋放出異常形式的放射性。塞格雷在同事Perrier 的幫助下對這鉬條帶進行了仔細的化學和理論分析,他們能夠證明一些輻射是由以前未知的元素產生的。 當時巴勒莫大學當局希望他們把新元素以巴勒莫的拉丁文名稱Panormus命名為 「panormium」。但是塞格雷不置可否。直到1947年,43號元素才根據希臘語τεχνητός命名為鎝,意為「人造」。因為它是第一種人工合成的化學元素。關於鎝的性質,阿文在週期表背後的物理學家(三) 天然放射性元素登場這篇文章中介紹過,就不再贅述了。


    1938 年 6 月,塞格雷再次來到伯克萊,為的是研究鎝的短壽命同位素,這些同位素在郵寄到義大利後放射性就微弱到無法研究了。但是當塞格雷在紐約遇到老朋友西拉德(Szilard)時,政治嗅覺超敏感的西拉德就警告他,國際情勢不妙,他恐怕回不了巴勒莫了!塞格雷雖然心中忐忑,還是搭上往芝加哥的火車,準備前往伯克萊。就在火車上他看到報紙頭條果然是壞消息:墨索里尼的法西斯政府居然通過了禁止猶太人擔任大學職位的種族法。身為猶太人的塞格雷頓時間成為了一個沒有工作的難民。但是塞格雷一到伯克萊馬上就與西博格(Glenn Seaborg) 合作,分離出亞穩態同位素鎝99m。 它的特性使其非常適用於核醫學,現在每年約有 1000 萬次醫療診斷程序使用它。


    為什麼義大利會突然在此時通過種族法呢?這是因為在1938年5月納粹德國為了要併吞德語人口占多數的蘇台德區(Sudetenland)與捷克斯洛伐克劍拔弩張,捷克斯洛伐克政府於5月21日進行部分動員。九天後希特勒作為對捷克斯洛伐克的動員令的反應發布了詳細地、消滅捷克斯洛伐克的計劃。這促使塞格雷派人去找埃爾弗里德和克勞迪奧,因為他現在擔心歐洲的戰爭已經是不可避免的。 9月21日捷克斯洛伐克政府接受了一個法國和英國的建議,根據這個建議德國人在居民中占50%以上的地區交給德國。9月23日希特勒拒絕這個計劃後捷克斯洛伐克進行總動員。 9月29日和30日法國總理達拉第、英國首相張伯倫、義大利的墨索里尼和德國的希特勒在德國慕尼黑會晤。9月30日,在捷克斯洛伐克缺席的情況下英國和法國在慕尼黑協定中同意讓整個蘇台德地區併入德國。雖然一時之間,戰爭一觸即發的危機解除了,但是塞格雷全家還是在1938 年 11 月前往墨西哥,將旅遊簽證換成移民簽證。隔年二月回到伯克萊。

    原本勞倫斯在伯克萊輻射實驗室是以每月 300 美元(相當於 2020 年的 5,600 美元)為期六個月,為塞格雷提供了一份研究助理的工作——對於發現元素的人來說,這已經是一個相當低的薪水。但是當勞倫斯得知塞格雷因為政治因素被困在加利福尼亞時,他居然將他的工資減到每個月只有116 美元! 雖然有石油公司希望網羅塞格雷,但是他寧可拿低薪留在實驗室,所以他將石油公司的工作介紹給龐特科沃。這件事在上回介紹龐特科沃時有提過,這裡就不多說了。


    塞格雷在柏克萊持續他原先的工作。他與 Alexander Langsdorf, Jr. 和 吳健雄(Chien-Shiung Wu) 合作,發現了氙-135。氙-135是氙的放射性同位素之一,會經由β衰變衰變成銫-135,半衰期約9小時8分鐘,可在核反應爐中對可以裂變物質進行中子照射產生。氙-135在核分裂反應爐中具有重要的作用。氙-135的熱中子截面很高,因此可用作中子吸收劑或中子毒物,從而減慢或停止連鎖反應。美國曼哈頓計劃中用來產生鈽元素的最早期反應爐就用到這一作用。氙135造成曼哈頓計畫的困擾,有興趣的讀者可以參考:對稱之王維格納 (下):在普林斯頓研究原子核的火星人 一文。


    接著塞格雷將注意力轉向元素週期表中”失落”的元素,即原子序85的元素。他主張用 alpha 粒子轟擊鉍209,他的兩個同事 Dale R. Corson 和 Robert A. Cornog 進行了他所提議的實驗。然後塞格雷與 Kenneth Ross MacKenzie 成功分離地從碰撞後的產物出離初新元素,即今天的砈(Astatine)。這個名字是來自於希臘文「αστατος」(astatos,意為「不穩定」)。他們的論文發表在1940年十月的物理評論(Physical Review) 上。塞格雷還與 西博格、麥克米蘭、Joseph W. Kennedy 和 Arthur C. Wahl 合作,在勞倫斯的 60 英寸(150 厘米)迴旋加速器中製造了鈽239。他們在1941年三月宣布發現鈽元素,這各發現對日後的曼哈頓計畫有莫大的影響。


    1941 年 12 月日本襲擊珍珠港,美國終於參戰,不僅對日宣戰,也對三國軸心的德國和義大利宣戰,這使得塞格雷成為敵國國民,並切斷了他與父母間的聯繫。物理學家開始離開輻射實驗室從事戰爭工作,伯克萊物理系的系主任伯奇(Raymond T. Birge)要求塞格雷為留在學校的學生授課。這為 塞格雷的收入提供了有益的補充,他與其中一些學生建立了重要的友誼和合作關係,其中包括 張伯倫(Owen Chamberlain)和 Clyde Wiegand。 塞格雷和吳健雄隨後在1942年試圖找到最後剩下的”失落的”非超鈾元素,即 61 號元素鉕(Promethium)。他們有正確的製造技術,但缺乏分離它的化學方法。 直到1945年,鉕第一次才在美國橡樹嶺國家實驗室(當時的柯林頓實驗室)由Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin and Charles D. Coryell分離及分析照射在石墨的鈾燃料的裂變產物中成功分離出來。


    1942 年底,歐本海默邀請塞格雷加入曼哈頓計劃。 塞格雷成為實驗室 P-5(放射性)小組的負責人,該小組是 Robert Bacher 的 P(實驗物理)部門的一部分。出於安全原因,他使用化名伯爵西曼(Earl Seaman)。  1943 年 6 月,他與家人搬到了新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)。 1943 年 8 月,塞格雷的團隊在洛斯阿拉莫斯附近的帕加里托峽谷的一個廢棄的林務局小屋中安裝了設備。他的小組的任務是測量和編目各種裂變產物的放射性。一項重要的研究是確定各種濃縮鈾樣品所達到的同位素含量。最初,使用哥倫比亞大學使用的質譜法和伯克萊使用的中子測定法進行的測試給出了不同的結果。塞格雷研究了伯克萊的結果,沒有發現任何錯誤,而 Kenneth Bainbridge 同樣也沒有發現哥倫比亞大學這邊的錯誤。後來在洛斯阿拉莫斯又觀察到更高的自發裂變率,塞格雷的小組得出結論,這個差異是由於宇宙射線造成的,而在洛斯阿拉莫斯,因為它的海拔高,宇宙射線強度更強,差異更明顯。這算是粒子物理與核子物理最早相遇的一次了。


    塞格雷的小組測量了釷、鈾 234、鈾 235 和鈾 238 的活性,但只能獲得微克數量的鈽 239。 橡樹嶺核反應堆生產的第一個樣品鈽於 1944 年 4 月收到。在幾天之內,該小組觀察到自發裂變速率是迴旋加速器生產的鈽的 5 倍。 這對曼哈頓計畫負責人來講是個壞消息。因為這意味著提議的鈽槍式核武器”瘦人”(Thin Man)將無法被引爆,並暗示該項目對漢福德場址鈽生產設施的投資被浪費了。 由於鈾235必須採用昂貴的方法與鈾238分離,所以只能造一顆原子彈,相對地,鈽239 產生時是與鈾238混雜在一起,可以用化學方法分離,所以產量遠高於鈾235。


    塞格雷的小組仔細檢查了他們的結果,並得出結論認為鈽樣本的核分裂活動增加是由於鈽 240 同位素所致。原來從加速器生產的鈽中鈽240的含量遠低於用反應爐產生的鈽,而鈽240自發裂解速度遠高於鈽239。更慘的是,兩這無法用化學方法來分離,所以這下問題大條了!


    幸好由於在曼哈頓計畫一開始,歐本海默對於鈽彈能否採用於鈾彈類似的設計有所疑慮,所以他同時指名內德邁爾(Seth Henry Neddermeyer 1907-1988)準備了另一個可能的方案,就是所謂的內爆(Implosion)。雖然後來內德邁爾因故被解職,但是採用內爆的鈽彈最終還是造成功了。1945年8月9日投擲在長崎上空的就是採用內爆的鈽彈”胖子”(Fat Man) 。


    1945 年 8 月,就在日本投降前幾天,塞格雷收到了聖路易斯華盛頓大學的邀請,接下來的一個月,芝加哥大學也向他送出邀請。在一番討價還價之後,伯奇提供了 6,500 美元和一個正教授的職位,塞格雷決定接受伯奇的邀請。他於 1946 年 1 月離開洛斯阿拉莫斯並返回伯克萊。


    其實早在 1940 年代後期,許多學者因為別的大學更高的薪水離開了加州大學,而加州州政府從1950年起要求州立大學教授做特殊的忠誠誓言(就是惡名昭彰的Levering Act)更是讓許多人拂袖而去。塞格雷雖然做了宣誓而留下,但這並沒有消除人們對他忠誠的懷疑。像 Luis Alvarez 就對 阿瑪爾迪、費米、龐特科沃、拉塞蒂和 塞格雷選擇就他們的戰前發現向美國提出專利索賠感到憤怒。(法院最終在 1953 年以有利於義大利科學家的方式解決了專利索賠,判給他們 40 萬美元(相當於 2020 年的 390 萬美元),用於與產生中子相關的專利,扣除法律費用後,這些專利的金額約為 20,000 美元。 Kennedy、西博格、Wahl 和 塞格雷隨後因發現鈽而獲得相同的賠償金,分成四份後獲得了 100,000 美元。 )塞格雷也與勞倫斯發生衝突,因為勞倫斯計劃開發氫彈,塞格雷認為這種武器的用途值得懷疑而反對。塞格雷對他與同事關係因為政治因素而急速惡化,所以他接受了伊利諾伊大學厄巴納香檳分校的邀約,但是他只在那裡待了一年, 1952 年他還是回到伯克萊。1955 年,他將家人從伯克萊搬到了加利福尼亞州附近的拉法葉。他與張伯倫等人合作,開始尋找反質子,即質子的反粒子。


    雖然早在1932 年安德森就在宇宙線中發現電子的反粒子,但是過去宇宙線的實驗中從沒發現過質子的反粒子,甚至在 1955 年,還有科學家懷疑反質子的存在。塞格雷團隊使用勞倫斯實驗室的 Bevatron,這個新加速器的能量設定為 6 GeV,足以產生質子與反質子的對生。所以當新加速器一開張,他們就設法檢測反質子存在的確鑿證據。Bevatron在 塞格雷的帶領下,分為兩個實驗組。張伯倫和 Clyde Wiegand 從質子撞擊銅靶後產生的粒子質量和電荷來尋找反質子。第二個小組由伯克萊的 Gerson Goldhaber 和義大利的阿馬爾迪負責記錄感光乳劑上的碰撞事件,並尋找質子 - 反質子湮滅預期產生的能量爆發。很快地他們就證實了反質子的存在。張伯倫和塞格雷因他們的發現獲得了 1959 年的諾貝爾物理學獎。塞格雷的兩名學生Clyde Wiegand(1915-1996) 和 Thomas Ypsilantis (1928-2000) 雖然也是同一篇文章的合著者,但沒有分享這個獎項。這在當時引發了一番的爭議呢。不過諾貝爾獎只能由三人分享,所以他們只能飲恨。


    隨著年齡增長,塞格雷也逐漸將重心從研究轉移到教學與行政。1965 年至 1966 年他擔任伯克萊物理系的系主任。塞格雷終身都仰慕恩師費米,他不僅編輯了費米的論文。他後來出版了費米的傳記:Enrico Fermi: Physicist (1970)。他發表了自己的講義,如從 X 射線到夸克:現代物理學家及其發現(1980)和從落體到無線電波:古典物理學家及其發現(1984)。他還編輯了 1958 年至 1977 年的《核與粒子科學年度評論》(Annual Review of Nuclear and Particle Science),並撰寫了自傳《A Mind Always in Motion》(1993 年),並於死後出版。1989年塞格雷在拉法葉的住家附近散步時死於心臟病,享年 84 歲。 作為一名活躍的攝影師,塞格雷拍攝了許多照片,記錄了現代科學史上的事件和人物。在他去世後,許多照片都捐贈給了美國物理學聯合會(American Institute of Physics),該會將這批珍貴的物理學史的攝影檔案命名為塞格雷檔案。

    塞格雷一生對勞倫斯極力主張的大科學一直都抱有疑慮,他稱為必要之惡。在晚年接受訪談時曾提到他對”大科學”的看法,他說:(現在)一個人在他的科學生涯中可以進行五次、六次、七次實驗,因為美次都需要很長時間; 而法拉第做了 14,000個實驗。 現在,假設你和法拉第一樣好。 法拉第做了 14,000 次,也就是說,他大概有 14 項重大發現。 所以是千分之一。 如果你在一台大機器上運行,並且假設你和法拉第一樣棒,你只做 20 次實驗,所以你看,你什麼都沒發現。雖說未必公允,在這個不斷追求更大更遠更準的世代中依然對科學懷抱熱情的人而言,不失為空谷足音呀。


    參考資料:
    (一)中文 英文 義大利文維基相關條目
    (二)Interview of Emilio Segrè by Charles Weiner and Barry Richman on 1967 February 13,Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics,College Park, MD USA。
    (三)Interview of Emilio Segrè by Thomas S. Kuhn on 1964 May 18,Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics,College Park, MD USA,

     
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