發現自然之美：諾貝爾物理獎1968

1968年的諾貝爾物理獎頒給美國物理學家路易茨· 阿爾瓦雷茨（Luis Alvarez，1911年6月13日-1988年9月1日）。得獎理由是「對粒子物理學的決定性貢獻，特別是因他發展了氣泡室技術和數據分析方法，從而發現了一大批共振態」

圖片來源： Nobel foundation, Wikimedia

阿爾瓦雷茨於1911年6月13日出生在舊金山，他的祖父與父親都是醫生。他就讀於芝加哥大學，1932年獲得學士學位，1934年獲得碩士學位，1936年獲得博士學位。畢業後加入加州大學勞倫斯的實驗團隊，該團隊得到了羅伯特· 歐本海默（Robert Oppenheimer）領導的一組理論物理學家的支持。阿爾瓦雷茨第一個重要實驗是設計一組實驗來觀察放射性原子核中的K電子捕獲（K電子層表示電子的主量子數為1），$$p+e^- \rightarrow n+ v_e$$

\( \beta\)衰變理論預測了這個現象，但從未被觀察到。阿爾瓦雷茨使用磁鐵掃除放射源發出的正電子和電子，設計了一個特殊用途的蓋革計數器，僅檢測來自K電子捕獲產生的“ 軟”X射線，從而得到清楚的訊號，證實了這個反應的確發生在釩48原子核。他於1937年在《物理評論》上發表了他的研究結果。

當氘被氘轟擊時，發生核融合反應而產生氚加上一個質子或氦3加上一個中子（ \( \ce{^{2}H + {}^{2}H → {}^{3}H + p} \) 或\( \ce{^{3}He + n}\)）。這是最基本的核融合反應，也是熱核武器和當前受控核融合的基礎。當時這兩種反應產物的穩定性是未知的，但根據現有的理論，貝特認為氚是穩定的，氦3是不穩定的。阿爾瓦雷茨利用他對60英寸迴旋加速器操作細節的了解，證明了事實正好相反。他調整了機器以加速雙重電離的氦3核，並能夠獲得一束加速離子，從而將迴旋加速器用作一種超級質譜儀。由於加速的氦來自數百萬年來一直存在的深氣井，所以氦3成分必須是穩定的。之後，阿爾瓦雷茨使用迴旋加速器和 \( \ce{ ^{2}H +{}^{2}H} \) 反應並測量其壽命。

1938年，阿爾瓦雷茨再次利用他對迴旋加速器的知識，發明了現在稱為飛行時間技術的技術，創造了單能熱中子束。有了這個，他開始了一系列實驗，與菲利克茨布洛赫合作，測量中子的磁矩。他們的結果 \( \mu_0 =(1.93 ± 0.02) \mu_{\rm N}\)，發表於1940年，這是核子物理的一項重大研究成果。

戰爭爆發後，他先是參與了雷達的研究工作，1943年秋天，阿爾瓦雷茨受邀在洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）從事曼哈頓計劃。然而，歐本海默建議他在來洛斯阿拉莫斯之前先在芝加哥大學與恩里科· 費米一起工作幾個月。在這幾個月裡，萊斯利· 格羅夫斯將軍要求阿爾瓦雷茨想出一種方法，讓美國可以找出德國人是否在運行任何核反應堆，如果是，它們在哪裡。阿爾瓦雷茨建議飛機可以攜帶一個系統來檢測反應堆產生的放射性氣體，特別是氙133。該設備確實飛過德國，但沒有檢測到放射性氙，因為德國人沒有建造能夠進行連鎖反應的反應堆。這是監測核分裂產物以進行情報收集的第一個想法。戰後它變得極為重要。

由於他的雷達工作和與費米一起度過的幾個月，阿爾瓦雷茨於1944年春天抵達洛斯阿拉莫斯，比許多同時代人晚。當時“ 小男孩”（鈾彈）的工作進展順利，所以阿爾瓦雷茨參與了“ 胖子”（鈽彈）的設計。當時鈽彈的設計讓歐本海默傷透腦筋，因為鈾彈採用的簡單設計，就是將兩個亞臨界質量強制在一起的技術，不適用於鈽，因為鈽的自發核分裂速率太快，所以接近中的兩塊鈽在達到連鎖反應的臨界質量前，就會被自發核分裂產生的熱膨脹迫使系統分開，無法引爆。後來洛斯阿拉莫斯的科學家決定使用近乎臨界鈽球體，並通過炸藥將其快速壓縮成更小、更密集的核心，這在當時是一項技術挑戰。阿爾瓦雷茨為確保這個設計奏效，花了不少工夫。

阿爾瓦雷茨在曼哈頓計劃的最後一項任務是開發一套經過校準的麥克風/ 發射器，以便從飛機上空降下來測量原子爆炸產生的衝擊波的強度，以便科學家們計算出炸彈的能量。被任命為美國陸軍中校後，他在B-29超級堡壘上觀察了三位一體核試驗。阿爾瓦雷茨也參加了廣島原爆的任務，他在B-29超級堡壘中“ 偉大的藝術家”（The Great Artiste）測量了投在廣島的小男孩炸彈的爆炸效果。幾天後，他再次在The Great Artiste 使用相同的設備進行測量長崎原爆的效果。就在長崎被原子彈轟炸之前，3 個長方形金屬容器被投放到長崎周邊地區。裡面有一封由3名參與了「曼哈頓工程」的美國原子物理學家致他們曾經在加州大學柏克萊分校的同事嵯峨根遼吉的信。在信中，三位美國原子物理學家阿爾瓦雷茨、Philip Morrison 及Robert Serber 希望嵯峨根遼吉可以警告日本政府，如果日本繼續抵抗將造成很嚴重的後果。幾天後，他再次在The Great Artiste 使用相同的設備進行測量長崎原爆的效果。

戰後，勞倫斯團隊建造當時世界上最大的質子加速器Bevatron，該加速器於1954年開始運行。雖然Bevatron可以產生大量有趣的粒子，特別是在二次碰撞中。但這些複雜的相互作用很難在當時進行檢測和分析。他抓住由唐納德· 格拉澤（Donald Glaser）發明氣泡室，可以輕易觀察到粒子軌跡的機會，他馬上意識到該設備正是他所需要的，他認定液態氫是最適合他的實驗的靶，因為氫核是質子，是與Bevatron產生的粒子，相互作用的最簡單，所以是最理想的目標。

阿爾瓦雷茨馬上開始建造一系列的氣泡室，並向勞倫斯推廣該設備。該計劃建造了一個近7英尺（2 米）長的液氫氣泡室，僱用了數十名物理學家和研究生以及數百名工程師和技術人員，拍攝了數百萬張粒子相互作用的照片，開發了計算機系統來測量和分析相互作用，並發現了一系列核共振態。這項工作為阿爾瓦雷茨帶來了1968年的諾貝爾物理學獎。這些共振態反映出強子內部結構的對稱性，對催生夸克模型功不可沒。對共振態的性質至今仍是強子物理的一大課題。

1964年，阿爾瓦雷茨提出了所謂的高海拔粒子物理實驗（HAPPE），最初設想為由氣球攜帶到高空的大型超導磁體，以研究極高能粒子的交互作用。隨著時間的推移，實驗的重點轉向了研究宇宙學以及粒子和輻射在早期宇宙中的作用。使用高空氣球飛行和高空飛行的U-2飛機攜帶探測器高空飛行是相當艱鉅的挑戰。這也是測量宇宙背景輻射實驗的COBE衛星的先驅。

阿爾瓦雷茨後來利用他的物理知識投入許多有趣的計畫，像是探測金字塔內部與探討恐龍滅絕與隕石的關聯。他於1988年9月1日因一系列食道癌手術併發症而去世，享壽七十七。