發現自然之美 諾貝爾物理獎1975

1975 年的諾貝爾獎頒給三位核子物理學家，分別是丹麥物理學家奧格· 尼爾斯· 波爾與本· 莫特森，以及美國物理學家利奧· 雷恩沃特。他們的獲獎理由是「發現原子核中集體運動和粒子運動之間的聯繫，並且根據這種聯繫發展了有關原子核結構的理論」。

奧格· 尼爾斯· 波爾 Aage Niels Bohr 圖片來源	本· 莫特森 Ben Roy Mottelson 圖片來源	利奧· 雷恩沃特 Leo Rainwater 圖片來源

自從中子被發現後，物理學家就開始試圖建構以質子與中子為基本單位的原子核模型。希望利用非相對論性量子力學來解釋各種原子核的性質，並且預測核反應的速率。最早的原子核的液滴模型能夠成功地解釋原子核的束縛能，但是無法解釋擁有魔數（Magic number）的原子核特別穩定的現象。1949 年瑪麗亞· 格佩特－梅耶（Maria Goeppert Mayer）等人利用原子核的殼層模型成功地解釋了原子核的魔數，因而得到1963 年的諾貝爾物理獎。但是殼層模型仍然有其不足之處，因為殼層模型設想質子與中子是在束縛在一個球狀位能區域內自由行動，它們的交互作用並不會影響到束縛它們的球狀位能，可是當原子核愈來愈龐大時，它的集體行為愈來愈明顯，這時就需要更複雜的新模型才能正確地描述原子核，而這正是這三位獲獎物理學家的功勞。

三位得獎者中，最年長的是利奧· 雷恩沃特（Leo Rainwater，1917 年 12 月9 日-1986 年5 月31 日），出生在愛達荷州。高中時他憑藉化學競賽的實力被加州理工學院錄取，1939 年獲得了物理學士學位，隨後他選擇在哥倫比亞大學攻讀博士。在哥倫比亞，雷恩沃特師從伊西多·艾薩克· 拉比、恩里科· 費米、愛德華· 泰勒和約翰 · R · 鄧寧（John R. Dunning）。其間他參予了曼哈頓計畫，成為原子核物理實驗的專家。

戰後，雷恩沃特留在哥倫比亞大學擔任講師。1949 年在哥倫比亞大學的一次座談會上，查爾斯· H · 湯斯（Charles H. Townes）報告他們量到原子核的電四極矩大於殼層模型的預測。事實上自然界的近300個穩定同位素中，約三分之一的原子核有電四極矩。這引起雷恩沃特的好奇。他想到，如果原子核不是球形的話，可以輕易解釋這個現象，甚至可以將液滴模型和核殼模型之間加以綜合。雷恩沃特於1950 年發表了他的理論論文。但是當時沒有得到太多的重視。幸運的是，在這段時間他結識了奧格· 尼爾斯· 波爾。這大大改變了雷恩沃特與他的模型的命運。

奧格· 尼爾斯· 波爾（Aage Niels Bohr，1922 年6 月19 日-2009 年 9 月9 日）是赫赫有名的量子物理之父：尼爾斯· 波爾的兒子。小波爾於1922 年6 月19 日生於哥本哈根。在納粹德國1940 年4 月占領丹麥之後不久，他進入哥本哈根大學學習物理。1943 年9 月，波爾一家得知已被納粹德國政府判定為猶太人並面臨被逮捕的風險。這是由於奧格的祖母，埃倫· 阿德勒· 波爾是猶太人。丹麥抵抗組織幫助他們從海路逃到瑞典。1943 年10 月，小波爾到達瑞典，後來又乘英國海外航空所屬的一架蚊式轟炸機飛抵英國。這種不帶武裝的高速轟炸機中一部分被改造為小型的用於裝載珍貴物資或是重要乘客的運輸機。由於飛行速度較快以及飛行高度較高，他們得以穿過當時被德國占領的挪威的上空而不被德國的戰鬥機騷擾。小波爾當時穿上飛行服，並被裝備上了降落傘和氧氣面罩，躺在放置在炸彈艙位置的褥墊上在飛機上度過了3 個小時。

1945 年8 月，隨著第二次世界大戰告終，小波爾回到丹麥繼續先前的大學學業。1946 年，他獲得了碩士學位，碩士論文研討的是關於原子阻滯能力（Atomic Stopping power）方面的問題。1948 年初，小波爾任聘為普林斯頓高等研究院的研究員。那年，他與哥倫比亞大學的伊西多· 拉比進行了幾次學術探討。拉比當時有關氘的超精細結構的一些新發現引起了小波爾的興趣。小波爾因此自1949 年1 月至1950 年8月轉任哥倫比亞大學的訪問學者。他與雷恩沃特剛好共用一個辦公室，利奧· 雷恩沃特當時剛發表的一篇論文中，提出了原子核液滴模型的一個延伸版，可以解釋電荷的非球對稱分布。在雷恩沃特提出的模型中，原子核被設想為一個裡面裝有一定數量核子的大球。這些核子會改變大球表面的形狀。雷恩沃特與小波爾探討了他的模型。小波爾也獨立地想出類似模型，並在雷恩沃特論文發表的一個月後，提交了更具普遍性的一篇論文。他將原子核設想為一個旋轉的不規則幾何體，其表面具有某種張力。1950 年，小波爾回到哥本哈根，在1951 年發表的一篇論文中，小波爾進一步分析原子核表面震盪與單一核子運動之間的聯繫。接下來，就輪到是三位得獎者中最年輕的莫特森進場。

莫特森（Ben Roy Mottelson，1926 年7 月9 日-2022 年5 月13 日），出生於伊利諾伊州芝加哥市，高中畢業後，他加入了美國海軍，並被派往普渡大學參加軍官培訓，並於1947 年獲得學士學位。隨後，他在哈佛大學獲得了核物理學博士學位。他的論文導師是理論物理學家朱利安· 許文格（Julian Schwinger）。他靠哈佛大學的謝爾頓旅行獎學金搬到了哥本哈根大學的理論物理研究所（後來的尼爾斯波爾研究所），並留在丹麥。同在哥本哈根大學的理論物理研究所的莫特森與小波爾理所當然地展開合作，1952-1953 年，小波爾和莫特森發表了一系列論文，證明理論與實驗之間的一致性，例如表明某些原子核的能階可以用原子核整體旋轉的轉動光譜來描述。他們展示了理論與實驗結果的高度一致性。他們這項工作激起了原子核理論與實驗上的許多後續研究。小波爾1954 年獲得了由哥本哈根大學授予的博士學位，論文題目就是《原子核的旋轉態》（Rotational States of Atomic Nuclei）。

兩人從此投身於原子核結構的研究中。1957 年夏天，大衛· 派恩斯訪問哥本哈根，向小波爾和莫特森介紹了超導理論中發展起來的古柏配效應，這啟發他們引入類似的配對效應來解釋奇偶原子核能階的差異。小波爾和莫特森之後繼續合作，編著了兩卷本專著《原子核結構》（Nuclear Structure）。第一卷《單粒子運動》（Single-Particle Motion）1969 年出版發行，而第二卷《原子核的變形》（Nuclear Deformations）則在1975 年出版發行。這兩卷書成為原子核物理的經典，後續的重核研究都淵源於此。

莫特森與小波爾自此成為丹麥，乃至北歐的物理領導人物。莫特森在1953 年被任命為位於哥本哈根的CERN 理論研究小組的工作人員，他一直擔任該職位，直到1957 年成為新成立的北歐理論物理研究所（Nordita）的教授。小波爾則是Nordita 的運營委員會的成員，並自1975 年至1981 年擔任其主任。此外小波爾1956 年成為哥本哈根大學的教授。在老波爾於1962 年去世後，他成為了尼爾斯· 波爾研究所主任，並擔任該職位至1970 年。之後，他仍繼續在那裡工作，直到1992年退休。

至於雷恩沃特的學術生涯就完全走上不同的路了。雷恩沃特於1952 年成為正教授，並於1951 年至1954 年和1957 年至1961 年擔任尼維斯實驗室主任。他與學生Val Fitch 一起致力研究渺子原子，即電子被渺子取代所形成的原子。1975 年，當記者打電話通知他獲得諾貝爾物理學獎時，他還以為是因為他在渺子原子方面的工作而得獎呢。幾個小時過去了，他才發現他是因為二十多年前在核結構方面的理論工作，與小波爾和莫特森共同分享這座諾貝爾獎呢。

得獎之後，雷恩沃特在1985 年的一場演講後昏倒了，但被一名學生用心肺復甦術救回來了。但由於健康狀況不斷惡化，他還是於1986年2 月退休並成為名譽教授。他於1986 年過世。小波爾則是比較長壽，他於2009 年9 月9 日在哥本哈根以八十七高齡去世。至於三人中最年輕的莫特森則是於2022 年5 月13 日在哥本哈根去世，享年95 歲。