阿爾瓦雷茨的斜槓人生(上):從雷達到原子彈

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-09-25
  • 點閱次數:264

阿文當年出道時,專長是研究核子的共振態。所謂核子的共振態,其實就是核子的激發態,一般是利用光子或是 \( \pi \) 介子,K介子去撞核子,核子接收入射粒子的動能後,會形成生命期非常短的激發態,實驗室的偵測器依據激發態衰變後產物的動量,動能來推算激發態的量子數以及質量,半寬度 (由此可推算生命期) 等相關的物理參數。這種碰撞的散射截面與振子與外力產生共振的行為類似,所以早期,通常將此稱之為共振態。核子的共振態當然與核子的內部組成有密切的關係,所以核子激發態自然也是研究質子內部結構中不可或缺的一環。


專門研究核子共振態的國際研討會 (International Workshop on the Physics of Excited Nucleons) 從1988年開始在紐約舉辦,如今都辦到第十三屆了。其實核共振態的研究並不是從1988年才開始,而是早從戰後五零年代,費米團隊在芝加哥發現 Δ(1232) 這個自旋與同位旋都是3/2的共振態就開始了。Δ(1232) 這個共振態正是阿文的博士論文的主題。不過打開粒子物理的寶典PDG, Particle Data Group,裡頭記載的核子共振態數目與內容都很驚人! 因為七十年來,核子共振態的相關實驗累積了大量的實驗數據,相應的理論研究也是汗牛充棟,阿文身為核子物理界的老兵,面對浩瀚的文獻,也有不知從何說起的感嘆呢。

 

打開核子共振態研究的大門的,正是這一回的主角,路易·阿爾瓦雷茨 (Luis Alvarez,1911-1988),但是他一生可不是單單埋首研究核共振態而已,今天大家愛講的斜槓 (slash) 用在他身上,可以說是最貼切了,從雷達到原子彈,從共振態到金字塔,從謀殺案到恐龍滅絕,他都研究過,也留下不滅的功績。就讓阿文我為各為看官介紹這位活得精采的斜槓科學家。

 

路易·阿爾瓦雷茨於 1911 年 6 月 13 日出生在舊金山。他的祖父路易 (Luis F. Álvarez) 出生於西班牙,後來前往古巴行醫,最後落腳美國,他因發明新的診斷黃斑麻瘋病的方法而聞名。他的父親沃特(Walter C. Alvarez, 1884-1978) 也是醫生。他的姑姑梅布爾·阿爾瓦雷茨 (Mabel Alvarez) 則是一位專攻油畫的藝術家。阿爾瓦雷茨家可以算得上書香世家。儘管他的父親曾是公理會教堂的執事。阿爾瓦雷茨卻是不可知論者,他一生也流露出與他出身頗為不同調的洋基風格呢。

 

1918 年到 1924 年,路易就讀於舊金山的麥迪遜學校,接著就讀於舊金山理工高中。 1926 年,他的父親成為著名的梅奧診所 (Mayo Clinic) 的研究員,所以全家搬到了明尼蘇達州的羅切斯特,阿爾瓦雷茨也就讀於當地的羅切斯特高中。 原本他希望就讀加州大學的柏克萊分校,但在羅切斯特高中的老師勸說下,他轉而去了芝加哥大學,在那裡他於 1932 年獲得學士學位,1934 年獲得碩士學位, 1936 年獲得博士學位。

 

芝加哥大學的物理系是由傳奇物理學家阿爾伯特·A·邁克生所創辦的,他也是第一任系主任。邁克生是第一位獲得諾貝爾物理獎的美國科學家,他的得獎理由就是赫赫有名的邁克生干涉實驗,這個實驗讓光的以太理論陷入困境,最後引發了特殊相對論。1932 年,阿爾瓦雷茨在芝加哥大學當研究生時,就曾用過邁克生製造的設備, 做過實驗。阿爾瓦雷茨也曾經親手建造了一個蓋革計數管裝置,排列成宇宙射線望遠鏡,他喜歡動手,就像我們小時候喜歡看的影集「百戰天龍」裡的馬蓋先。

 

阿爾瓦雷茨在芝加哥大學的指導老師,是以證明光子存在而聞名於世的亞瑟·康普頓。康普頓從1923年開始在芝加哥大學任教,三十年代初,康普頓就開始轉向研究宇宙射線。在那個時代,人們儘管已經知道宇宙射線的存在,但對它們的來源及性質仍處於推測階段。通過對於一個充滿壓縮空氣或氬氣的圓形「炸彈」進行測量導電性的動作,可以探測到宇宙射線的蹤跡。

 

當時關於宇宙射線的理論主要分成兩派,一派以康普頓為主,他主張宇宙射線是由帶電粒子組成,另一派則是以羅伯特·密立根為首,他主張宇宙射線是光子,康普頓到歐洲、印度、秘魯以及澳洲的旅行讓康普頓有機會測量不同經緯度上的宇宙射線。他與其他在世界各地觀測的研究組都發現一件有趣的事實,那就是兩極的宇宙射線比赤道要強上15%。康普頓認為地磁場在不同緯度會對帶電粒子產生不同程度的影響,這樣就可以解釋為什麼兩極的宇宙射線要比赤道強這個現象。

 

阿爾瓦雷茨在康普頓的支持下,在墨西哥城進行了一項實驗,用來測量所謂的宇宙射線的東西向效應。得到的觀察結果是入射輻射來自西方略多於東方,阿爾瓦雷茨得出結論,將這個效應歸諸於宇宙射線大部分是帶正電的粒子。康普頓最終將論文提交到《物理評論》出版。我們今天知道,大約89%的一次宇宙線是單純的質子,10%是氦原子核 (即α粒子),還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。這些一次宇宙射線與大氣層中的空氣分子作用,產生包括中子,質子等的二次宇宙射線,它們穿透大氣層會直接照在我們身上。人們所接受的天然背景輻射為每年2.44毫西弗,其中宇宙射線的貢獻為0.26毫西弗,約占11%。

 

阿爾瓦雷茨的妹妹格拉迪斯,是物理學家勞倫斯的兼職秘書,她曾向勞倫斯提到自己的哥哥在芝加哥念物理。勞倫斯隨後邀請阿爾瓦雷茨和他一起參觀1933年在芝加哥的世紀進步展覽。這是兩人結識的過程。當阿爾瓦雷茨於1936 年完成口試後,與杰拉爾丁·史密斯威克訂婚,此時他詢問他的妹妹,看看勞倫斯負責的輻射實驗室是否有工作的機會。格拉迪斯很快就回了一封電報,通知他勞倫斯那裡有機會。這開始了他與加州大學柏克萊分校的長期合作。阿爾瓦雷茨拿到學位後,馬上和史密斯威克在芝加哥大學的一個小教堂結婚,然後前往加州柏克萊。他們育有一男一女,沃特和瓊。後來與路易一起研究恐龍滅絕的,就是沃特。可惜夫妻倆人並沒有白頭偕老,他們於1957 年離婚。1958 年 12 月 28 日,阿爾瓦雷茨與珍妮特·蘭迪斯 (Janet L. Landis) 再婚,並又生了一男一女,唐納德和海倫。

 

阿爾瓦雷茨到了柏克萊的輻射實驗室之後,馬上就加入勞倫斯的實驗團隊,該團隊得到了柏克萊的一組優秀的理論物理學家團隊的支持,這個團隊的首領是才氣縱橫的 羅伯特·歐本海默 (Robert Oppenheimer)。 阿爾瓦雷茨設計了一組實驗來觀察放射性原子核中的 K 電子捕獲,$$ \ce{p + e^- \rightarrow n + v_e}$$

這個反應是中子的貝他衰變的交叉反應,「K電子」指的是電子原本是在 \(n=1\) 的電子殼層。依照費米在1934年提出的貝他衰變理論,物理學家可以預測這個反應的散射截面。1934年,義大利物理學家吉安·卡羅·威克在其1934年發表的論文中首次討論了電子捕獲。之後,相關研究又被日本物理學家湯川秀樹進一步發展。但是這個反應卻尚未在任何一個實驗室被觀察到。阿爾瓦雷茨觀察釩-48 (原子序23) 原子核捕捉一個K電子成為鈦-48 (原子序22) 的反應。他使用磁鐵掃除放射源發出的正子和電子,設計了一個特殊用途的蓋革計數器,可以檢測只來自 K 電子捕獲時產生的“軟”X 射線,由此可以得到清楚的訊號,證實這個反應的確發生在自然界。他於 1937 年在《物理評論》上發表了他的研究結果。這是他第一個重要的獨立研究成果。

 

阿爾瓦雷茨持續利用他的創意和實驗技巧解決原子核物理的難題。其中一個是當氘被氘轟擊時,會產生氚 (氫 3) 加上一個質子或氦 3 加上一個中子 (\( \ce{ ^{2}H + ^{2}H \rightarrow ^{3}H + p}\) 或 \( \ce{ ^{3}He + n} \))。這是最基本的核融合反應,也是熱核子武器和當前核融合發電技術的基礎。當時這兩種反應產物是否穩定性尚未確定,但是核物理學家漢斯․貝特推測氚是穩定的,而氦3則帶有放射性。但是阿爾瓦雷茨憑著他對 60 英寸迴旋加速器操作細節的了解,證明了事實卻正好相反。他調整了機器,加速雙重電離的氦 3 核,並獲得一束加速離子,他等於將迴旋加速器當作一種超級質譜儀。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 成分必定是穩定的。之後,阿爾瓦雷茨使用迴旋加速器和  \(\ce{ ^{2}H + ^{2}H}\)反應來測量氚的放射性。結果顯示它的半衰期是12.43年。氚通過貝他衰變變成氦-3,$$ \ce {^{3}_{1}H} \rightarrow \ce{^{3}_{2}He^{+} + e^{-} + \bar{\nu}_{e}} $$ 

這個反應同時還釋放18.6 keV的能量。 現今CERN有個實驗KATRIN(Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment)就是嘗試利用氚的貝它衰變直接測量微中子質量。也許未來我們會從這個實驗組聽到微中子質量的新聞也說不一定呢。

 

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,創造了單能的熱中子束。有了這個,他開始了一系列實驗,與菲利克斯布洛赫合作,測量中子的磁矩。他們的結果 \( \mu_0 = 1.93±0.02 \hspace{2mm} \mu_N \),發表於 1940 年,這是個重大的研究成果。因為先前拉比的團隊量到氘的磁矩是 \(0.855±0.006 \hspace{2mm} \mu_N\),質子的磁矩為 \(2.785±0.02 \hspace{2mm} \mu_N \),直接將質子與中子磁偶矩相加是0.879核磁子,與氘的磁矩的確有微小的差別,由此我們知道氘是 S(L=0) 態與 D(L=2) 態的混合,前者佔約 96%,後者佔了約 4%。D態的出現是由張量型態的核力所造成的。這可是原子核理論的大發現!

 

當歐洲爆發戰爭後,阿爾瓦雷茨也逐漸籠罩在戰爭的陰影下。1940 年英國 派出Tizard Mission,向美國科學家展示了腔磁控管應用在短波脈衝雷達方面的驚人價值之後, 幾個月前由富蘭克林·羅斯福總統成立的國防研究委員會就決定在麻省理工學院 (MIT) 建立一個中央國家實驗室,用來開發微波雷達的軍事應用。 勞倫斯立即招募了他最好的研究團隊,其中包括阿爾瓦雷茨,他於 1940 年 11 月 11 日加入了這個名為輻射實驗室的新實驗室。

 

阿爾瓦雷茨對發展雷達有眾多貢獻,從早期改進識別敵我 (IFF) 雷達信標 (現在稱為轉發器) 到用於防止敵方潛艇意識到它們已被新型機載微波雷達發現的VIXEN的系統,他都有功勞。 阿爾瓦雷茨最早的任務之一是製造設備,讓英國長波雷達,能過渡到使用腔磁控管的新型微波厘米波段雷達。在研究微波早期預警系統 (MEW) 時,他發明了一種線性偶極子陣列天線,該天線不僅可以抑制輻射場中不需要的旁瓣,而且可以在無需機械掃描的情況下進行電子掃描。 這是第一個微波相控陣天線,他不僅在 MEW 中使用它,還在另外兩個雷達系統中使用它。 該天線使 Eagle 精確轟炸雷達能夠在惡劣天氣或穿過雲層時支持精確轟炸。 Eagle 精確轟炸雷達是在戰爭後期才完成的,可惜儘管許多 B-29 都配備了這項新裝備,並且運行良好,但戰爭已近尾聲,所以並沒有發揮它應該發揮的作用。

 

阿爾瓦雷茨最為人所知的雷達系統是地面控制進近 (GCA),它在航空領域發揮了重要作用,尤其是在戰後的柏林空運中,由於使用他所發明的偶極天線來,實現非常高的角分辨率,GCA 允許地面雷達操作員觀看特殊的精確顯示器,通過向飛行員發送口頭命令,來引導飛機降落到跑道上。這個系統非常簡單、直接且運行良好,即使對於以前未受過訓練的飛行員也是如此。 它非常成功,以至於軍隊在戰後很多年繼續使用它,甚至到了 1980 年代,一些國家仍然在使用它。 1945 年,他被授予美國國家航空協會的科利爾獎杯,“因為他在為飛機在所有天氣和交通條件下安全著陸的地面控制進近系統的概念和開發方面的顯著和傑出的倡議”。 阿爾瓦雷茨在發展GCA的時候與科學界的大金主魯米斯過從甚密,阿文之前介紹魯米斯時提過,這邊就不多說了。

 

1943 年夏天,阿爾瓦雷茨在英格蘭測試 GCA,讓飛機在惡劣天氣下從戰鬥中返回,並培訓英國人使用該系統。 在那裡,他遇到了年輕的亞瑟․克拉克 (Arthur C. Clarke),他是英國皇家空軍的雷達技術員。 克拉克隨後將他在雷達研究站的經歷作為他小說《滑翔路徑Glide Path》的基礎,其中阿爾瓦雷茨也出現在小說裡 (當然,小說裡名字被換過了) 克拉克和阿爾瓦雷茨後來成了終身的好友。

 

1943 年秋天,阿爾瓦雷茨在歐本海默的建議下回到美國,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。在芝加哥的這幾個月裡,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是否有任何核反應堆在測試連鎖反應,如果有的話,又是在哪裡。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來進行收集情報的第一個想法。戰後它變得極為重要。

 

由於阿爾瓦雷茨與費米在芝加哥一起度過了好幾個月,等到他於 1944 年春天抵達洛斯阿拉莫斯,其他成員早已經報到了。由於 “小男孩” (鈾彈) 的工作進展得非常順利,因此阿爾瓦雷茨被指派去參與“胖子” (鈽彈) 的設計。由於要將鈾235從鈾元素分離出來,成本極高,而製造鈽是利用化學方法,成本相對較低,所以製造鈽彈勢在必行。製造鈾彈的原理非常簡單,就是用一種槍將兩塊質量低於臨界質量的鈾235撞在一起,但麻煩的是,這種設計不適用於鈽彈,因為鈽的自發中子數量太大,會在兩部分相互接近時,就引起核分裂,產生的熱能會造成膨脹,迫使兩部分被吹開,無法達成全面的連鎖反應,釋放龐大的能量,所以他們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,這種設計稱為內爆 (implosion)。

 

為了確定內爆這個想法可行,曼哈頓計劃特定執行了放射性鑭測試 (Radioactive Lanthanum,縮寫成RaLa),目的是研究匯聚震波,從而研製出核武器鈽彈芯壓縮所需的球形內爆。該實驗使用了大量的短壽命放射性同位素鑭-140,該物質能產生大量的伽馬射線。該實驗方法由羅伯特·瑟伯爾提出,由義大利實驗物理學家布魯諾·羅西領導的團隊研發。這在當時是一項非常嚴苛的技術挑戰。為了產生將鈽核心壓縮到所需密度所需的對稱內爆,需要同時引爆 32 個炸藥在球形核心周圍。當時他們嘗試發展使用帶有爆破帽的傳統爆炸技術,在1微秒內實現同時性的進展非常緩慢,難以令人滿意。阿爾瓦雷茨指示他的研究生約翰斯頓 (Lawrence H. Johnston 1918-2011) 使用一個大電容器將高壓電荷直接傳送到每個爆炸透鏡,用爆炸橋線雷管代替爆炸帽。 爆炸的導線在零點幾個微秒內引爆了 32 個點。 這項發明對內爆型核武器的成功至關重要。

 

阿爾瓦雷茨後來寫道:

對於現代武器級鈾,背景中子率非常低,以至於恐怖分子如果擁有這種材料,只需將一半材料放在另一半上就很有可能引發高當量爆炸。 大多數人似乎沒有意識到,如果分離的 鈾 -235 就在手邊,那麼引發核爆炸是一項微不足道的工作,而如果只有鈽可用,那麼讓它爆炸是我所知道的最困難的技術工作。

 

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,以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。這個計畫也是與約翰斯頓合作下完成的。

 

當原子彈完成後,阿爾瓦雷茨負責觀測與估計原子彈威力的任務。他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。美軍在廣島投擲原子彈時,阿爾瓦雷茨和約翰斯頓坐在“偉大的藝術家” (The Great Artiste),這架B-29 超級堡壘中,與負責投彈的 Enola Gay 一起飛到廣島上空,他們測量了投在廣島的小男孩炸彈的爆炸效果。 幾天後,再次在 The Great Artiste 飛行, 約翰斯頓單獨使用相同的設備進行測量長崎的核爆。戰爭結束後,阿爾瓦雷茨回到柏克萊擔任正教授,完全回到學界。

 

與參與曼哈頓計畫的其他科學家不同,阿爾瓦雷茨從來沒有在公開的場合表達過對核武造成的災難表達後悔或遲疑。特別他後來又極力支持製造氫彈,許多人覺得他是典型那種沒血沒淚,冷酷的科學家。其實在廣島上空他寫給兒子沃特的信中,他顯然對於殺害成千上萬的平民並非無動於衷,對是否要登上B-29親眼目睹這場悲劇也並非完全無感,說到底,阿爾瓦雷茨的公開形象與他私下的感情有著一定的距離,這些信珍藏在美國國家檔案局 (National Archive),靜靜訴說一個科學家的內心掙扎。

 

 

參考資料:

(一) 中文 英文維基相關條目

延伸閱讀:

阿爾瓦雷茨的斜槓人生(下):從核子共振態到恐龍