阿爾瓦雷茨的斜槓人生(下):從核子共振態到恐龍

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-09-25
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上一回阿文介紹了阿爾瓦雷茨在戰前,以及二戰中各式各樣的活動。戰爭結束以後,阿爾瓦雷茨對如何利用他的戰時雷達知識改進粒子加速器有了很多想法。雖然他取得了一些成果,但這個時代的“重大創意”還是來自麥克米蘭 (Edwin McMillan) 提出的相位穩定性,這個概念導致了同步迴旋加速器。 靠著改進和擴展這一概念,勞倫斯團隊建造當時世界上最大的質子加速器 Bevatron,這個加速器於 1954 年開始運行。勞倫斯在設計Bevatron的時候,把能量設定在6.3 GeV,當時的用意是為了製造反質子。說來現在的讀者可能難以置信,在戰後,許多物理學家甚至懷疑在實驗室利用加速器製造反質子是可能的。阿爾瓦雷茨在諾貝爾獎的受獎演說中,還津津樂道當年有個頗負盛名的物理學家,跟他打賭五百美元,賭的是實驗室無法造出反質子!當然,阿爾瓦雷茨贏了這五百美元~

 

戰後的粒子物理原本與戰前一樣,非常倚賴宇宙射線的研究,影響最大的應該是在英國曼徹斯特大學的團隊在1947年發現了所謂的V粒子,這個名字是來自它們在雲霧室裡的軌跡。後來被稱為是超子 (hyperon) 與K介子。這些粒子後來被稱為奇異粒子,因為它們都帶有新的量子數,稱為「奇異性」。就在Bevatron 開始運作前,有名的西島-中野關係式就將這些奇異粒子的電荷與同位旋和所謂超荷,也就是奇異性加重子數的關係寫出來了。阿爾瓦雷茨在他的諾貝爾受獎演說中把這些工作稱作”猜”,他還特別解釋,這個”猜”就像是法國埃及學家向波倫”猜”出古埃及象形文字,因為當時宇宙射線雖然發現了這些新粒子,但是由於宇宙射線的強度不能調控,相關粒子的研究受限於外在的條件,所以理論物理學家只能從非常有限的實驗數據中去拼湊出完整的理論,而這一切,在柏克萊啟動Bevatron 之後,逐漸改觀,各式各樣的加速器變成是粒子物理五花八門的理論的試驗場。包含奇異性粒子的粒子物理,成為阿爾瓦雷茨在戰後主要的舞台。他基本上驗證了島-中野關係式適用於所有的強子,同時也發現了眾多核子共振態,以及帶有奇異性的重子,深入地研究它們的性質與衰變,最後的成功便是著名的夸克模型,這些經過,先前阿文在與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們: 雖敗猶榮的競爭者 (一) 多有著墨,還請有興趣的看官們自行參詳,這裡就不多贅述了。我們接下來只針對阿爾瓦雷茨如何克服實驗上的困難來詳細論說了。

 

雖然 Bevatron 可以產生大量有趣的粒子,特別是在二次碰撞中,可以產生許多K介子,然後可以安排讓這些K介子與質子碰撞,碰撞後產生數量眾多而又複雜的軌跡,但是要從這些實驗結果中得到有意義的結論,還有許多困難。

舉例來講,一開始, 阿爾瓦雷茨想要觀察的是

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但是當時的雲霧室顯然不夠力,攝影紀錄的設備也不行,兩年的時候只拍到數次這個反應的照片。而Powell 團隊所用利用乳膠紀錄高速粒子的軌跡,在遇到不帶電的粒子,像是K0 更是無用武之地。阿爾瓦雷茨面對這些困難,也只能見招拆拆了。

 

幸運的是,阿爾瓦雷茨總是在對的時間遇到對的人,或者,更持平地講,他是慧眼識英雄。他在1953年到華府參加美國物理學會年會時,偶然結識了唐納德·格拉澤 (Donald Glaser),當時阿爾瓦雷茨身旁都是二戰時一起研究雷達與原子彈的老朋友,當時戰爭結束八年了,可想而知,他們一起大談當年勇的熱烈場面。席中只有一個年輕人誤入叢林,就坐在阿爾瓦雷茨左邊。結果兩個人三句不離本行,就聊起物理來了。格拉澤跟他說,他的十分鐘演講被排在周六下午那個時段的最後一個演講,通常會議到了最後,聽眾往往小貓兩三隻,阿爾瓦雷茨坦承他不會待到最後,但是他對格拉澤的研究很有興趣,結果當場就聊了起來。格拉澤還當場秀了張照片,正是他要演講的主題,氣泡室!格拉澤在前一年發明了這個新設備,阿爾瓦雷茨馬上理解到,這正是他所需要的新工具。他抓住由唐納德·格拉澤 (Donald Glaser) 創建並被稱為氣泡室的粒子軌跡可視化的新發展,只要將液態氫應用到氣泡室就可以了。 因為氫核是質子,是與 Bevatron 產生的粒子相互作用的最簡單和最理想的目標。 他啟動一項開發計劃,建造一系列的氣泡室,並向勞倫斯推廣氣泡室。

 

氣泡室其實就是一個裝滿乙醚的小玻璃圓柱體 (1 cm × 2 cm)。 格拉澤的巧思就是通過突然降低設備中的壓力,液體可以被置於暫時的過熱狀態,維持過熱狀態幾秒鐘,接著液體將沿著粒子通過的擾動軌跡沸騰。這時可以馬上拍下照片存檔。阿爾瓦雷茨團隊使用液態氫建造了 1.5 英寸、2.5 英寸、4 英寸、10 英寸和 15 英寸的氣泡室,並由帶有玻璃窗的金屬製成,以便可以拍攝軌道。腔室可以與加速器光束同步循環,結束攝影後,腔室及時重新壓縮,進行下一次的循環。

該計劃的高峰是建造了一個近 7 英尺 (2 米) 長的液氫氣泡室,僱傭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,並發現了一系列核子共振態。說阿爾瓦雷茨開啟了一個輝煌的新時代,應不為過。

 

接下來我們來談談,阿爾瓦雷茨的團隊到底發現了什麼。阿爾瓦雷茨發現的第一個核子共振態是 Ξ0 ,產生這個共振態的反應是

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它的質量是1314 百萬電子伏特,生命期是2.9 × 10 -10 秒。從它的衰變模式可以推測它帶了兩個單位的奇異性。結果發表於1959年。後來發現了帶負電的Ξ-  質量是1321百萬電子伏特,生命期是1.6 × 10 -10 秒。這兩個構成一個同位旋雙元組,所以同位旋分量分別為1/2 和 -1/2,完全符合西島-中野關係式。1960年他們又發現生命期只有10 -23 秒的新共振態,Σ*0*+,Σ*- ,質量在1385 百萬電子伏特。他們衰變得很快,通常衰變成超子Σ或Λ 再加上 π。從實驗結果推測它們自旋為3/2,是自旋1/2的超子Σ的激發態,就像Δ(1232)是核子的激發態相仿。此外他們也發現了自旋為3/2,同位旋為1/2 的Ξ*0(1530)與Ξ*-(1530)。這些發現除了吻合西島-中野的關係,也成了給爾曼八正道理論的基礎。依照八正道理論,自旋1/2 的重子應該是八元組,而自旋3/2 的重子則是十元組,這些發現讓坂田理論徹底消失,也打開夸克理論的大門,可以說是至為關鍵的發現。除此之外,他們還發現了許多其他的共振態。

 
  

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圖一

 

最特殊的應該算是Λ(1405),它的自旋為1/2,同位旋為零,帶有一單位的奇異性,但是宇稱是奇的,相應的宇稱為偶的夥伴是Λ(1115)。這個粒子特別之處在於他比不帶奇異性的核子宇稱奇的夥伴 N(1535)還要輕,科學家一直懷疑這個共振態不是真正的強子,而是K介子與質子的束縛態,但是尚未水落石出呢。此外他們也發現了宇稱為奇,自旋為3/2的Λ(1520),阿文十年前還曾寫過一篇與Λ(1520)有關的論文。核子共振態還有許多未解之謎呢!

 

除了發現核子的共振態之外,阿爾瓦雷茨的團隊還發現了兩組同位旋為1/2的K介子,後來稱為K*,質量為890 百萬電子伏特,自旋為一。它們的生命期都只有10-23秒 ,很快就衰變成K介子與π介子,此外他們也發現了不帶奇異性的自旋為1的介子,同位旋為1的ρ介子,質量為770  百萬電子伏特,同位旋為零的ω介子,質量為782 百萬電子伏特,前者的生命期只有 4 × 10-24 秒,後者則是 7.75 × 10-23 秒。它們都衰變成 π 介子。Bevatron 也發現新的介子η,質量與K介子接近,為547百萬電子伏特。自旋為零。接著,在1964年兩個實驗組獨立發現η' 介子,質量約957百萬電子伏特。這些發現讓物理學家一步步掀開強作用的秘密,特別是在1962年CERN的一次會議上,內曼與給爾曼都預測有奇異數為負三,自旋為二分之三的新粒子Ω-。兩年後美國的Brookhaven 國家實驗室找到奇異數為-3的新粒子後,SU(3) 的對稱性就此確立! 發現這些各式各樣的核子共振態為阿爾瓦雷茨帶來了 1968 年的諾貝爾物理學獎,得獎理由是「他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」。發明氣泡室的格拉澤早在1960年就獲得諾貝爾獎的肯定,而給爾曼則是在阿爾瓦雷茨得獎後隔年得獎。

 

但是阿爾瓦雷茨並不是那種一輩子只想作好一件事的人,他在帶領團隊不斷利用加速器發現新共振態的同時,就開始著手別的計畫。1964 年,阿爾瓦雷茨提出了所謂的「高海拔粒子物理實驗」 ( High Altitude Particle Physics Experiment, HAPPE),最初設想是用氣球將大型超導磁鐵攜帶到高空,用來研究極高能粒子的交互作用。後來用上高空飛行的 U-2 軍機。

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。這項工作算是宇宙背景輻射實驗的早期先驅,後來衍生成COBE 衛星實驗,最後讓喬治·斯穆特和約翰·馬瑟在2006 年得到諾貝爾獎的肯定,吃果子拜樹頭,阿爾瓦雷茨與有榮焉。

 

阿爾瓦雷茨的聰明才智不限於狹義的粒子物理的範圍內。他在 1965 年就提出了一項前所未聞的新點子,就是利用渺子斷層掃描,來搜索埃及金字塔中的未知房間。 他的計劃是利用自然產生的宇宙射線,將當時高能粒子物理學中的標准設備火花室放置在哈夫拉金字塔下方的一個已知的房間中。 通過測量宇宙射線在不同方向的計數率,探測器將揭示覆蓋岩石結構中是否存在任何空隙。阿爾瓦雷茨召集了一支來自美國和埃及的物理學家和考古學家團隊,建造了記錄設備並開始進行實驗,儘管實驗因為 1967 年六日戰爭而被打斷。但是戰爭一結束他們還是重新開始,繼續記錄和分析穿透的宇宙射線,直到 1969 年,阿爾瓦雷茨向美國物理學會報告說,在他們所調查的 19% 的金字塔的空間中,並沒有發現任何隱藏的空間。 但是類似的研究持續進行,終於在2016年十月,傳出好消息,ScanPyramids 團隊發現在古夫王的金字塔中存在著過去不知道的空間。研究團隊進入金字塔的所謂「王后墓室內」,使用探測器檢測渺子穿透金字塔的情形,進一步分析數據後,發現「大走廊」上方、距離地面約廿一公尺處,有一塊區域聚集大量渺子,且至少延伸卅公尺,橫截面面積則與「大走廊」不相上下。結果經過三組團隊重複驗證,證實該處存在一個「空間」。阿爾瓦雷茨要是地下有知,一定會哈哈大笑吧!

 

阿爾瓦雷茨除了對古代遺跡有興趣之外,對時事一樣也不放過。1963年11月22日美國總統約翰 甘迺迪在德州達拉斯遇刺身亡,嫌犯李·哈維·奧斯華 (Lee Harvey Oswald) 落網後兩天後當眾被傑克·魯比 (Jack Ruby) 槍殺,整件事情撲朔迷離,引發議論。1966 年 11 月,《生活》雜誌出版了一系列亞伯拉罕·扎普魯德拍攝的甘迺迪遇刺的照片。身為光學和光分析專家阿爾瓦雷茨對這些照片產生了興趣,並開始研究可以從照片中得到什麼資訊。阿爾瓦雷茨在理論和實驗上都證明了總統頭部向後彈射與他被從背後射中是一致的,被稱為“噴射效應”理論。他還調查了槍擊的時間和干擾相機的衝擊波,以及相機的速度,指出了一些聯邦調查局照片分析師忽略或出錯的事情。他製作了一篇論文,旨在作為教材,為試圖了解真相的物理學家提供建議。

 

但是阿爾瓦雷茨晚年最精采的工作,卻是與恐龍有關!1980 年,阿爾瓦雷茨和他的兒子、地質學家沃爾特·阿爾瓦雷茨共同研究恐龍滅絕時的地層,最後得到令人驚訝的結論:用他們自己的話講『發現了一場真正震撼地球的災難,這是關於地球歷史的重大發現之一』。

 

早在 1970 年代,他的兒子沃爾特·阿爾瓦雷茨 (Walter Alvarez) 在義大利中部進行地質研究。 他在那裡找到了一個峽谷壁上的露頭,其石灰岩層包括白堊紀-古近紀邊界之上和之下的地層。 恰好在邊界處是一層薄薄的粘土。 沃爾特告訴他的父親,這層標誌著恐龍和其他許多物種滅絕的時代,沒有人知道為什麼,或者粘土是關於什麼的——這是一個很大的謎團,他打算解開它。這激起了老阿爾瓦雷茨旺盛的好奇心,他也就跟著兒子一起潦下去了。

阿爾瓦雷茨先是接洽了勞倫斯柏克萊實驗室的核化學家,接著與擅長使用中子活化分析技術的弗蘭克·阿薩羅 (Frank Asaro) 和海倫·米歇爾(Helen Michel)合作。 1980 年,它們發表了一篇開創性的論文,提出了白堊紀-古近紀發生的大滅絕 (當時稱為白堊紀-第三紀滅絕) 的原因是來自太空的隕石撞擊地球所致。他們提出的證據是全球的白堊紀與古近紀交接地層,地層中的銥含量高於正常標準;舉原始研究中的兩個地層為例,銥含量分別是正常標準的30倍、130倍。銥 (Ir) 是種地球地殼中非常少見的金屬,屬於親鐵元素 (siderophile element);大部分的親鐵元素在行星分化的過程中沉降到地核部分,例如鐵。由於大部分小行星與彗星常發現銥元素,所以阿爾瓦雷茨等人認為在白堊紀與古近紀的交接時期,曾有顆小行星撞擊地球表面。在他們的文章發表後的幾年中,還陸續發現粘土中含有煙灰、玻璃狀小球、衝擊石英晶體、微觀鑽石和僅在高溫和高壓條件下形成的稀有礦物。

 

1980 年發表的論文引起了地質界的批評,隨後引發了一場激烈的科學辯論。 十年後,阿爾瓦雷茨都已經去世了以後,在墨西哥海岸發現了一個名為希克蘇魯伯(Chicxulub)的大型撞擊坑的遺跡,為這一理論提供了強兒有力的支持。 其他研究人員後來發現,恐龍在白堊紀末期的滅絕可能在地質學上迅速地在數千年間發生,而不是之前假設的數百萬年。 其他人繼續研究替代的滅絕原因,例如火山活動增加,特別是大約在同一時間發生的大規模火山噴發,那次大噴發造成著名的德干暗色岩 (Deccan Traps),(德干暗色岩火山爆發所形成的熔岩地形,被估計最大面積為150萬平方公里,相當於現在印度的一半面積,而後經由侵蝕作用與大陸漂移,形成現在的大小。目前所能直接觀測的熔岩面積約為51.2萬平方公里。) 檢查化石記錄可以發現火山噴發也引起氣候變化。 不過在2010 年 3 月 4 日,一個由 41 名科學家組成的小組一致認為,希克蘇魯伯小行星 (Chicxulub) 撞擊的確引發了大滅絕,阿爾瓦雷茨又贏了一次。

 

阿爾瓦雷茨熱愛刺激,他的最大嗜好就是飛行,在他的自傳中,阿爾瓦雷茨說:“我認為自己有過兩種不同的職業,一種是科學,另一種是航空。我發現投入這兩者幾乎同樣得到豐厚的回報。” 他於 1933 年學會飛行。 在接下來的 50 年裡,他積累了超過 1000 小時的飛行時間,其中大部分是作為機長。 他說:“我發現很少有活動能像機長對乘客的生命負責那樣令人感到滿足。”阿爾瓦雷茨對航空做出了許多專業貢獻。從二戰期間,他就領導了多項航空相關技術的開發。包括他在 1945 年獲得科利爾獎杯的地面控制進近 (GCA)。他還持有雷達轉發器的基本專利,並以 1 美元的價格將專利轉讓給了美國政府。 在其職業生涯後期,他曾在多個與民用和軍用航空相關的高級諮詢委員會任職。其中包括一個關於未來空中航行和空中交通管制系統的聯邦航空管理局任務組、總統科學顧問委員會軍用飛機小組,以及一個研究科學界如何幫助提高美國進行非核戰爭能力的委員會。 阿爾瓦雷茨的航空事業也多次讓他身陷險境。 例如,在從事 GCA 工作時,他成為第一個在駕駛艙外視野受阻的情況下進行低空進近的平民。 他還在副駕駛座位上駕駛過許多軍用飛機,包括一架 B-29 超級堡壘 和一架洛克希德 F-104 星際戰鬥機。 此外,他在二戰期間他搭乘 Miles Master 發生空難,幸虧命大,倖免於難。但這都無法澆熄他對飛行的熱愛!

 

阿爾瓦雷茨於 1988 年 9 月 1 日因一系列食管癌手術併發症而去世。 他的遺體被火化,骨灰撒在蒙特雷灣。他一身熱愛冒險,尋求挑戰與刺激,不但留下了豐富的知識遺產,他的人生也成為一頁傳奇,的確令人嘆服。從他的身上,我們瞥見了二十世紀歷史的長影,也看到了一個熱愛人生的勇者。

 

 

 

 

參考資料:

(一) 中文 英文維基相關條目