漂洋過海來踢館的日本武士

量子英雄傳說 第一季:第十篇長岡半太郎(1865年8月15日-1950年12月11日)

 

量子英雄傳說講到此處,雖然涵蓋了德國,瑞士,瑞典還有英國的科學家,但是這些都來自西歐的科學先進國家,這一集比較特別,要介紹的科學家是來自亞洲大陸邊緣的日本。在明治維新前,日本只透過荷蘭貿易商傳來的少數書籍學習西歐的學術,但是明治維新之後,在短短的數十年內,居然也出現挑戰最尖端問題的學者,這故事不可謂不勵志,就讓我們來介紹這位傳奇人物-長岡半太郎。

長岡半太郎於1865年生於日本九州肥前國的大村藩,父親是大村藩的藩士長岡治三郎。1874年,長岡半太郎與家人一起遷往東京,1882年9月,長岡半太郎進入東京帝國大學理學部就讀,先後師從留學美國的山川健次郎教授(1854-1931,日本教育家)和時任助教授的田中館愛橘(1856-1952,日本地球物理學家)。

當時日本的物理研究還是以實用的地震與地磁現象為主,所以在念大學的期間,長岡半太郎曾休學一年,因為他對於東方人是否能夠和歐美人一較長短,顯然頗有疑慮,他甚至考慮過,乾脆轉型去做漢學研究呢。但是,最後他還是迎向挑戰,

1887年,長岡半太郎大學畢業後繼續進入大學院(研究生院)進修,和當時訪問日本的英國物理學家嘉吉·吉爾斯登·諾特(Cargill Gilston Knott)一起研究磁學。1890年,長岡半太郎升任助教。過了三年,長岡半太郎終於得到機會,前往歐洲,在柏林、慕尼黑和維也納等地學習,他在聽了當時還在慕尼黑大學的奧地利物理學家路德維希·波茲曼的演講,對於利用機率描寫氣體行為感到十分神奇,後來還下了重本,把馬克士威的論文集弄到手,除了統計力學相關論文之外,他對馬克士威年輕時證明土星環的穩定性證明尤其印象深刻。馬克士威當年花了兩年時間,證明了如果土星環是固體的話,那麼它不可能穩定;而如果土星環是氣體的話,則會因為波的作用而裂解。由此他得出土星環是由有各自環繞土星運動軌道的大量的小顆粒構成的結論。1859年,他因論文《論土星環運動的穩定性》(On the stability of the motion of Saturn's rings)而獲得Adams獎。這篇論文對長岡影響非常地大,我們馬上會提到。

 

身在歐洲的長岡,不只從課堂上 從書本上獲益良多,1895年底,倫琴發現X光的消息轟動整個物理界,當時正在柏林的長岡半太郎很快地就將這個消息傳回日本,長岡也是第一個親眼看到第一張X光人體(手)照片的日本人。很快地,日本的物理界開始嘗試複製倫琴的實驗。第一組成功的團隊正是長岡的恩師,東大的山川健次郎與他的助手鶴田賢次。

 

1896年,長岡半太郎回到日本,進入東京帝國大學擔任教授。原本他研究興趣是關於磁致伸縮(magnetostrictive effect)這是對軟磁體進行磁化後,其形狀、大小會發生變化的物理現象。但是長岡在1900年,出席了在巴黎舉辦的第一屆國際物理學家會議,在會議上,他聽到了法國物理學家瑪麗·居禮關於放射性的演講後,開始對放射性以及背後更大的問題,原子有沒有結構,產生了莫大的興趣。

 

其實早從1896年,法國物理學家亨利·貝克勒意外發現了鈾的天然放射性之後,世界各地的學者就開始思考天然放射性隱含的可能性,就是物質未必是穩定的。既然不穩定,那麼就是可能產生變化,這就暗示了帶有物理性質的最小單位,原子其實是有結構的。這讓人不得不注視原子內部結構的研究。英國物理學家湯墓生在1897年成功測量了陰極射線的荷質比之後,就主張陰極射線是由帶負電的微粒所組成,而且他主張,這種帶電微粒也存在於中性原子內,連帶地,原子中也應該有帶正電荷的粒子,原子的結構就在於這些帶著正負電荷的粒子如何形成一般穩定的原子,並能解釋特定的那些帶有放射性的元素原子。

 

當時最早提出原子模型的正是英國的湯木生,他提出原子應該是一個帶正電且電荷均勻分布的圓球,而電子則像葡萄乾分散在布丁裡。長岡半太郎卻打從心眼裡無法贊同湯木生的原子模型,他對於浸泡在正電球裡的電子,是否能採用適用於真空中的庫倫定律,有所疑慮。特別是將帶負電的電子「塞在」帶正電的物質內,這一點對長岡尤其介意。與習慣把電荷想像成以太的拓樸組態的英國科學家不同,長岡所接受的是從安培,韋伯一脈相傳的「電磁超距力」的傳統,攜帶電荷的粒子本身被設想是堅實,沒什麼彈性的物質。所以長岡主張將帶正電的粒子放在原子正中央,而帶負電的電子則圍繞在周圍。就像是土星和土星環的狀況。於是,長岡半太郎在1903年提出原子的行星模型,稱為「長岡半太郎的土星環模型」。長岡半太郎之所以會建議電子的軌道像土星環,正是從當年他在歐洲苦讀的土星環穩定理論獲得的靈感。

 

從土星環穩定性的類似解釋(土星環能穩定存在是因為土星質量極大),長岡提出了以下兩個預測:第一,質量是電子數千倍的帶正電粒子存在於原子正中央,大小不詳,稱為原子核。第二,電子環繞原子核,並且受到電磁力束縛,如同土星環受到重力束縛在土星周遭。

 

1903年12月5 日長岡在日本的物理數學學會口頭發表了他的土星環模型,之後他寫成論文投到英國皇家學會的機關刊物,《哲學雜誌》上,他的文章一開頭就開宗明義提到元素的光譜線,特別是氫的光譜線。接著他計算模型中,在電子環上的電子受到微擾產生的振動,還有電子環的迴轉頻率,因為這對應到元素的光譜線,當然,結果並不理想。

 

有趣的是,他的論文與湯木生的文章幾乎同時出現在《哲學雜誌》上。上一回我們已經詳細討論了湯木生的模型。其實湯木生的論文討論的範圍遠比長岡的論文大得多。但是兩人似乎都著眼於一般的元素,沒有針對最簡單的氫原子來討論。兩人的模型差異最大的,正是只有一個電子的氫原子。在湯木生的模型中,電子最自然的位置正是正電球的中央,但是在長岡的模型中,電子一定要繞著原子核轉!這樣一來,電子會持續發出電磁波,如果迴轉頻率與氫光譜的頻率接近,電子很快就會耗盡能量而跌入原子核中。乍看之下,雖然湯木生的模型無法解釋氫光譜線,但是至少原子的穩定性沒有問題,所以不意外地,長岡後來沒有再繼續研究原子的結構了。但是科學發展比小說還神奇,幾年後湯木生的學生,來自紐西蘭的拉塞福完全改變了整個物理界對原子的想像。這個故事,就留到下一回的量子英雄傳說了。

至於長岡,持續在東京大學栽培了許多優秀的學生,特別是他在1939年向諾貝爾獎委員會推薦湯川秀樹,1949年湯川因為預言介子的存在而獲得諾貝爾物理學獎,成為第一位獲得諾貝爾獎的日本學者,這讓日本物理界登上世界舞台,可說是一償宿願。他於1950年過世,得享八十五高壽,他的土星環模型也成了日本人津津樂道的一段光榮歷史呢。

 

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