壯志未酬的印度核計畫之父:巴巴

  • 阿文開講
  • 撰文者：高崇文
  • 發文日期：2020-12-07
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這幾天最勁爆的新聞莫過於伊朗的核計畫主持人法克里薩德（Mohsen Fakhrizadeh）在首都德黑蘭的附近遭人以炸彈炸毀汽車，然後法赫扎德遭到掃射身亡。法克里薩德雖被送往醫院搶救，但仍傷重不治。法克里薩德是伊瑪目海珊大學的物理學教授，被稱為「伊朗炸彈之父」（Father of Iranian bomb）。這件事現在鬧得沸沸揚揚，不過核計畫之父本來就是個非常高風險的頭銜，不信的話，請各位看看印度的核計畫之父霍米·傑漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha，1909-1966）的生涯故事，便知道阿文所言不虛。不過巴巴不僅是印度的核計畫之父，本身也是一個傳奇人物，在物理的貢獻遠遠高過於近日遇刺的法克里薩德。所以就請大家聽我慢慢講述他的傳奇人生。



 



霍米·傑漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhabha）1909年10月30日出生於孟買一個著名富有的帕西（Parsi）家族，與著名的大商人Dinshaw Maneckji Petit和Dorabji Tata都有親戚關係。帕西人是波斯薩珊王朝被穆斯林征服之後，流亡到印度的瑣羅亞斯德教信徒。『帕西』（Parsi）一詞，意思就是波斯人。但是大部分印度帕西人都已失去與波斯的社會或家族聯繫，與波斯也沒有共通的語言了。在自從第一批瑣羅亞斯德教徒到達印度後的數百年間，帕西人已經融入印度社會，但同時保持自己獨特的風俗和傳統。傳統上，至少在孟買和喀拉蚩，死去的帕西人被送到寂靜之塔，在那裡屍體很快被禿鷹吃掉。這樣做的原因是他們認為土、火和水都是神聖的，都不能被死者所玷污。因此，土葬和火葬都為帕西文化所禁止。帕西人在商界，政界甚至軍界都有許多傑出人士，甘地夫人的夫婿Feroze Gandhi 就是帕西人。各位看官要是讀過”環遊世界八十天”的話也會注意到後來嫁給主角福格先生的女主角Aouda也是帕西人呢。



巴巴的父親是知名的律師，年幼的霍米在孟買的「座堂與約翰·康農學校」(Cathedral and John Connon School )接受了啟蒙教育，這是由英國國教會籌辦的學校，後來創立巴基斯坦的真納也是這裡的畢業生。巴巴以優異的成績通過了劍橋高級榮譽考試(Senior Cambridge Examination)後於15歲進入孟買著名的埃爾芬斯通學院 (Elphinstone College)。他於1927年加入孟買的皇家科學研究所，之後到英國留學，進入劍橋大學岡維爾凱斯學院(Gonville & Caius College)，這都是出自於父親和叔叔多拉布吉（Dorabji）的堅持，他們計劃讓巴巴從劍橋獲得機械工程學位，然後就返回印度，以冶金工程師的身份進入賈姆謝德布爾的塔塔鋼鐵公司(Tata Steel)工作。不過年輕的巴巴志不在此，他想讀數學而不是工程。正是受到狄拉克的影響，狄拉克不僅成功地量子化電磁場，隨即也寫下了電子的相對性方程式，量子電動力學眼看就要完成了，狄拉克在劍橋造成的風潮對巴巴這樣的年輕心靈算得上是致命的吸引力吧。


巴巴的父親在了解兒子的想法之後讓步了，他和妻子同意資助他去留學攻讀數學，但是他們開出的條件是他必須在劍橋的機械科學的Tripos考試中獲得一等獎。巴巴於1930年6月參加機械工程科目的Tripos考試並獲得一等獎。之後就在保羅·狄拉克的指導下開始學習數學，在1931年至1932年的學年中，巴巴獲得工程的Salomons學生獎學金； 1932年，他獲得了數學Tripos上的頭等獎，並獲得了Rouse Ball旅行學生獎學金。巴巴利用這筆獎學金到羅馬與費米合作，也到蘇黎世與包立合作。


1933年，巴巴表了他的第一篇科學論文“宇宙輻射的吸收”，並獲得了核物理學博士學位，在這篇論文中，巴巴首次嘗試解釋宇宙射線的吸收特徵和電子射叢。他於1934年獲得了牛頓學生獎學金，這個獎學金資助他三年之久。次年他在拉爾夫·福勒（Ralph H. Fowler）的指導下拿到了理論物理學博士學位。


1935年，巴巴在《皇家學會會刊》 A系列上發表了一篇論文，在該論文中他進行了第一次計算以確定電子-正子散射的橫截面，電子-正電子散射後來被稱為巴巴散射。(Bhebha scattering) 當時電子與電子散射的計算中有所謂的”交換項”這是由於包立不相容原理所要求的。但是當時科學家都把正子當作是狄拉克提倡的電子海的空洞,所以電子與正子散射似乎也該有交換項，但是若把正子當作獨立的粒子的話，那還會有交換項嗎?實驗結果傾向於是有的, 那要如何解釋呢? 巴巴發現這個所謂的”交換項”其實等於是正負電子湮滅成虛光子，再從虛光子對生出正負電子對。他還發現在包立與魏斯考夫的自旋為零的粒子散射公式也有類似的項。關於這個工作背後還有一段小故事:


當巴巴去蘇黎世與包立一起工作時，包立在讀完指導教授有所保留的推薦信之後，就拒絕與巴巴有任何關係。正是在蘇黎世這種充滿敵意的氣氛中，當他試圖跟包立解釋他的工作時包立卻毫不留情地回答說：“如果您這樣做，我將不感興趣。”情急之下，巴巴去找人在蘇黎世的另一位資深的理論物理學家格里戈爾·溫特澤爾（Gregor Wentzel, 1898-1978）。溫特澤爾是索末非的學生，算是包立的同學。他最有名的成就是與Kramers 和 Léon Nicolas Brillouin 提出的KWB近似法。溫特澤爾在1928年接替前去柏林的薛丁格成為蘇黎世大學教授。溫特澤爾很熟悉他的好朋友包立的怪癖，讀了巴巴的論文之後。他立即意識到這篇論文的重要性，並向這位年輕作者保證，他會說服包立去讀它。最初，溫特澤爾向包立解釋巴巴的工作，果不其然，包立馬上擺出臭臉說，“如果是巴巴先生做的，我就不感興趣，”但溫特澤爾老早就料到包立會有這種反應，而且他也早就準備好要如何突破他這個老朋友的心防，他接著說說：“請稍等片刻，你就當作是我做的，聽聽看....”包立馬上上鉤。聽完之後，包立對巴巴馬上改觀，巴巴算是欠了溫特澤爾伊個大人情。二戰後，溫特澤爾前往芝加哥大學任教，退休回到瑞士，最後在瑞士過世，享年八十。包立與巴巴終生維持不錯的友誼，包立後來還曾接受巴巴的邀請訪問印度過，可見兩人心中沒有留下疙瘩吧。


巴巴一直對宇宙線有著高度的興趣。1936年，他與沃爾特·海特勒（Walter Heitler）共同撰寫了一篇論文，“快速電子的通過和宇宙線射叢” "The Passage of Fast Electrons and the Theory of Cosmic Showers"，發表在《皇家學會學報》 A系列中，他們用理論來描述來自太空的宇宙線如何與大氣層上端的粒子交互作用產生在地面觀測到的粒子。然後他們對不同高度以及不同能量的電子引發級聯過程(cascade process)產生的電子數進行了數值估計，結果與布魯諾·羅西（Bruno Rossi）和皮埃爾·維克托·奧格（Pierre Victor Auger）幾年前進行的宇宙射線射叢的實驗觀察相當一致。巴巴也是第一個指出渺子衰變可以用來驗證愛因斯坦相對論中所謂”時間膨脹”的效應，所謂時間膨脹，只是不同座標系間時空變換產生的效應，但是只在高速運動下才會明顯。


1937年，巴巴被授予1851年展覽資深學生獎學金，這項獎助幫助他繼續在劍橋工作。在這段時間，他曾試圖理解宇宙線中穿透力比電子強的成分。一般電子在通過十公分的鉛時強度會減弱30%，但是有部分宇宙線居然能穿透一公尺的鉛!巴巴的計算顯示這些粒子不會是電子，也不是質子，而是從未被發現的新粒子。他估計這個粒子的電荷有正有負，而質量約為電子的數百倍。其時就是渺子。稍後巴巴得知湯川秀樹的U粒子理論後，他提出宇宙線中的新粒子除了負責傳遞核力之外，還會衰變成電子或正子。巴巴還研究過湯川粒子是向量粒子的可能性。他使用Proca方程式來描寫自旋為一的介子場。很快地巴巴發現介子與核子的耦合係數很大，所以巴巴用微擾理論算到第二階就發現有問題，巴巴轉而研究核子在古典介子場中的反應。


在1939年9月第二次世界大戰爆發前，巴巴正在印度度假。戰爭卻讓他不得不留在印度，並接受了位在班加羅爾(Bangalor)e的印度科學研究所的物理學系講師(reader)的職位。當時的所長是第一個得到諾貝爾獎的亞洲人拉曼（CV Raman）。在班加羅爾的時候，巴巴延續之前對古典場中的粒子行的研究。巴巴了解到粒子輻射出的場的反作用力的重要性，而之前狄拉克在1938年曾寫了一篇論文討論相對性的古典粒子與其輻射場交互作用的論文。這篇論文的思想源頭可以追溯到羅倫茲在1892年建立的電子理論，但是狄拉克的版本比羅倫茲的更完備，邏輯上也比較一致。但是在這篇論文中，電子的自旋沒有包含在其中。巴巴還在劍橋的時候就與H.C. Corben 一起研究如何將自旋也包含進來。1940年三月他們所預期的，輻射反應的作用是減少散射截面。 的確，對於高能量的粒子，他們發現散射截面與康普頓過程的入射光子頻率的平方成反比。他們的結果被稱為Bhabha-Corben 方程式。


這段時間巴巴也著眼於向量介子與核子的碰撞，他注意到電中性的介子如果極化方向是沿著動量方向的話，散射截面會隨著能量平方成反比，但是對帶電的向量介子的話，散射截面卻是會隨著能量平方成正比，這個行為讓巴巴推測核子應該還有別的同量素，就是質量相近但是電量不同的狀態，算來巴巴是第一個假設核子共振態的科學家。第一個核子共振態是1951年費米在研究介子與質子碰撞時發現的。歷史上巴巴應該是第一個主張有核子共振態的物理學家。


巴巴於1941年3月20日當選為皇家學會會員。1942年巴巴拿到了劍橋專門頒給數學家的亞當斯獎，並且成為教授。他在得到了Dorab Tata爵士的特別研究撥款，用於建立印度科學研究所的宇宙射線研究室。開始研究點粒子運動的理論，在這裡巴巴收了一批優秀學生，包括著名的數學家 Harish-Chandra (1923-1983)。當巴巴在印度科學研究所工作時，印度還沒有一家研究所擁有從事核物理，宇宙射線，高能物理學以及物理學其他前沿知識的原始工作的必要設施。 在1944年3月向多拉吉·塔塔爵士基金會（Sir Dorabji Tata Trust）發送了一份建議書，以建立“一所充滿活力的基礎物理學研究學校”。塔塔信託基金會決定接受Bhabha的提議，並承擔起1944年4月成立該研究所的財務責任。新機構就設在孟買。塔塔基礎研究所(Tata Institute of Fundamental Research 簡稱TIFR)在1945年成立。成為印度首屈一指的高等研究機構。 巴巴在此發表的第一篇論文是關於高自旋的基本粒子的運動方程式。之前狄拉克與包立以及包立的學生Markus Fierz (1912-2006)在1939年曾經提過滿足相對論性的高自旋粒子的運動方程式，包含整數自旋與半整數自旋的情況。然而美中不足的是這個方程式包含把多餘的自由度剃除掉的輔助條件。然而這些輔助條件構成了讓電磁場與高字懸粒子耦合的困難，因為無法一方面維持相對不變性，一方面滿足這些輔助條件，然後又跟向量場耦合。這肇因於這些運動方程式並非從一個拉格蘭日函數作變分而得。巴巴仿照狄拉克推導自旋二分之一的粒子的方程式寫下線性方程式，當然他得到與狄拉克的ɑ β矩陣的類似關係，在不使用任何輔助條件下，在自旋高於一的情況下，不同分量對應的質量是不可能相同的。巴巴於是提出了所謂Bhabha equation, 來描寫高自旋粒子而不需要輔助條件，但是不同分量對應到不同質量。事實上巴巴發現了ɑ 與 β矩陣與六個羅倫茲變換的算子構成了一個SO(1,4)的代數結構。之後巴巴還考慮讓正負質子相撞產生大量的介子，巴巴提出了強作用之間都因相對論而局部化收縮以及由於相互作用的時間很小，所以產生介子的能量只會是碰撞產生的能量中的一小部分。這也是巴巴最後的理論工作了，因為很快地他就投身於新生印度的各項建設，轉身成為行政官僚了。


1947年6月3日，最後一任印度總督路易斯·蒙巴頓子爵宣布英屬印度分割為印度教徒佔多數的印度和穆斯林佔多數的巴基斯坦。8月15日（印度獨立日）的午夜，印度成為一個獨立國家（自治邦，即仍以英王為元首的獨立國家），巴巴早在二戰時期就跟國大黨人過從甚密。


1948年，印度第一任總理尼赫魯任命巴巴擔任核計劃和核試驗局局長。同一年巴巴在孟買的基礎研究和原子能委員會中擔任第一任主席。這時的巴巴就無法分心研究理論物理,完全投入於各項行政事務上。1950年1月26日，印度共和國正式成立，在1950年代，巴巴代表印度參加了國際原子能機構會議，並於1955年在瑞士日內瓦擔任聯合國和平利用原子能大會主席。巴巴後來擔任印度內閣科學諮詢委員會委員，並幫助了劍橋的後輩Vikram Sarabhai設立印度國家太空研究委員會。
 




當巴巴（Bhabha）意識到原子能計劃的技術開發不再可以在塔塔基礎研究學院中進行時，他建議政府建立一個專門用於此目的的新實驗室，為此，在孟買的特倫貝（Trombay）獲得了1200英畝的土地政府，因此特倫貝原子能機構（AEET）於1954年開始運作，同年還成立了原子能部（DAE），巴巴成為首任部長。原子能部還特別設在孟買，而不是在首都德里。


眾所周知，巴巴也是印度核電之父，他還製定了著重於從該國龐大的釷儲量而不是其貧乏的鈾儲量中提取電力的戰略。與世界上所有其他國家形成鮮明對比。但比起核能的和平用途，巴巴更重視印度核武器的發展。他一直非常積極為印度發展核武。1962年中印邊境戰爭後不久，巴巴便公開呼籲使用核武器。因為當時中國已經積極在發展核武了。當中國在1964年在羅布泊試爆原子彈成功以後，巴巴更是積極推動印度的核武計畫，他甚至曾在印度電台中發表過幾次講話，以積極遊說印度發展核子武器，1964年巴巴曾在廣播中告訴印度民眾：這些核子武器十分便宜（such nuclear weapons are remarkably cheap），並引用美國的核子武器試爆計劃—犁鏵行動(Project Plowshare)的經濟成本來支持自己的觀點。


巴巴在1965年前往華府尋求合作。當時的印度總理Lal Bahadur Shastri 對推動核武倒是不甚熱心。當時印度與巴基斯坦爆發戰爭，而巴基斯坦當時並沒有核武。在1966年1月11日Shastri 猝逝，尼赫魯的女兒甘地夫人繼任總理，對巴巴是一計強心針，因為她對核武態度積極。但是天有不測風雲，兩周之後，就在甘地夫人正式上任的同一天，1966年1月24日巴巴前往奧地利維也納參加國際原子能機構科學諮詢委員會會議，巴巴所搭乘的印度航空101航班前往奧地利維也納參加國際原子能機構科學諮詢委員會會議時，飛機卻在勃朗峰附近墜毀時，106名乘客包含巴巴和11名機組人員全部遇難。官方公布的正式原因是日內瓦機場和飛行員對山附近飛機位置的誤解。然而由於巴巴的身分敏感，而且空難時機也太湊巧，所以流言不斷。Vikram Sarabhai 在巴巴死後接替他主持印度的核計畫。Sarabhai 是愛好和平的耆那教徒。而印度的第一次核試爆則是到了1974年微笑的佛陀行動才成功。無疑地，巴巴的死造成了印度核計畫的延宕。


巴巴一生被提名諾貝爾獎五次，而且都是由法國數學家Jacques Hadamard所提名，可惜都沒有獲獎。他一生最大的遺憾倒不是沒得到諾貝爾獎，而是沒親眼看到印度核武的開花結果。他死後，孟買的特倫貝原子能機構被更名為巴巴原子研究中心(Bhabha Atomic Research Centre 簡稱BARC)，也許是對他最好的供養吧。最近中印邊境緊張，想來許多印度人會感謝巴巴當年的遠見吧。



參考資料:
(一)中文 英文 維基相關條目
(二)Bhabha’s Contributions to Elementary Particle Physics and Cosmic Rays Research by Virendra Singh
(三)SEARCHING FOR AN EQUATION: DIRAC, MAJORANA AND THE OTHERS byS. ESPOSITO
(四)Penney William George 1967 Homi Jehangir Bhabha, 1909-1966 Biogr. Mems Fell. R. Soc.1335–55

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