追逐宇宙射線的獵人:羅西(上)來自威尼斯的猶太人

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  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-12-06
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說起威尼斯的猶太人,最有名的當然是莎士比亞名劇《威尼斯商人》中的冷血商人夏洛克,他堅決按照借據條款,要從主角安東尼奧身上割下一磅肉,這時劇情達到扣人心弦的最高潮;但是更令人印象深刻的是他那一席痛訴基督教世界對猶太人的迫害:「猶太人沒有眼嗎?猶太人沒有手、五官、四肢、感覺、鍾愛、熱情?猶太人不是吃同樣的糧食、受同樣武器的創傷、生同樣的病、同樣的方式治療、同樣的覺得冬冷夏熱,和基督徒完全一樣嗎?你若刺我們一下,我們能不流血嗎?你若搔著我們的癢處,我們能不笑嗎?你若毒害我們,我們能不死嗎?你若欺負我們,我們能不報仇嗎?」

「Hath not a Jew eyes? hath not a Jew hands, organs, dimensions, senses,affections, passions? fed with the same food, hurt with the same weapons,subject to the same diseases, healed by the same means, warmed and cooled by the same winter and summer, as a Christian is? If you prick us, do we not bleed? if you tickle us, do we not laugh? If you poison us, do we not die? and ifyou wrong us, shall we not revenge?」

這段著名的台詞令人動容,的確!猶太人自從十六世紀避難來到威尼斯,期間不知有多少辛酸!就算到了二十世紀,在二戰之前,猶太人再一次成為被迫害的對象。阿文上一回寫阿爾瓦雷茨的生平時,發現一位威尼斯的猶太科學家,他的科學生涯都與宇宙射線有關,稱他是追逐宇宙射線的獵人也不為過,還請各位看官聽聽這位威尼斯猶太人,布魯諾· 羅西(Bruno Benedetto Rossi,1905-1993)的人生故事。


羅西出生於威尼斯的一個猶太家庭,父親里諾· 羅西是一名參與威尼斯電氣化的電氣工程師。羅西在家裡接受教育直到14 歲,之後他就讀於威尼斯的Ginnasio(相當於初中)和Liceo(相當於高中),畢業後進入帕多瓦大學,後來轉到波隆納大學就讀,並於1927 年獲得物理學的桂冠學位。他的論文導師是Quirino Majorana,是一位著名的實驗家,也是著名天才理論物理學家Ettore Majorana 的叔叔。

1928 年起,羅西在佛羅倫斯大學擔任安東尼奧· 加巴索(Antonio Garbasso,1871-1933)的助手, 加巴索於1920 年創立了該大學的物理研究所, 它位於阿塞特里(Arcetri),那是一座可以俯瞰城市的小山。加巴索是由當時的法西斯政府所任命的執政官(Podestà),雖然加巴索是法西斯黨的成員,但是他還是為研究所帶來了一群傑出的物理學家,其中包括後來搬到羅馬的費米和拉塞蒂,以及吉爾伯托· 貝納迪尼(Gilberto Bernardini,1906-1995)、恩里科· 佩西科(Enrico Persico,1900-1969)和朱利奧· 拉卡(Giulio Racah,1909-1965),拉卡也是猶太人,因為在二○年代,法西斯黨還沒有迫害猶太人的跡象。


到了佛羅倫斯之後,羅西為了尋求開創性的研究,開始將注意力轉向了宇宙射線。宇宙射線是奧地利科學家維克多· 赫斯在1911 年和1912 年在載人熱氣球飛行中發現的新現象。就在1929 年,羅西閱讀了德國科學家博特(Walther Bothe,1891-1957)和科爾霍斯特(Werner Kolhörster,1887-1946)的論文,其中描述了他們發現帶電的穿透4.1 厘米(1.6 英寸)金的宇宙射線粒子。這令人驚訝,因為當時已知最具穿透力的帶電粒子是來自放射性衰變的電子,它只能穿透不到一毫米的金;用羅西的話說,

就像一道閃光,揭示了一個未知世界的存在,充滿了神秘,還沒有人開始探索。很快,參與探索宇宙射線成為了我心中壓倒一切的志向!

工欲善其事,必先利其器;要研究宇宙射線,得先發展出工具來;幸運的是,別人已經先鋪路了。1924 年德國科學家博特發明了一種測量符合事件的方法(coincidence method),這個方法是指幾乎同時(在10−5 秒的時間內)檢測到兩個原子核或次原子粒子。符合方法涉及兩個以上暴露於相同粒子源並連接到電子符合電路的粒子計數器。它用來檢測同時從同一個原子核發射出來的粒子—例如:β 粒子和伽馬射線,這個方法可以測量康普頓碰撞中電子反彈的動量,證明了光子與電子碰撞時,動能與動量都守恆,證實了愛因斯坦的光量子說。博特後來於1954 年獲得諾貝爾物理學獎,他的得獎理由正是「符合方法」。然而,他開發的方法用起來卻是非常麻煩,因為它還是需要用視覺判讀脈衝訊號的相關性。羅西讀了博特的論文之後,在幾週內就利用三極管真空管發明了一種改進過的電子符合電路。羅西發明的符合電路有兩個主要優點:它提供了非常精確的時間分辨率,並且可以檢測任意數量的脈衝源之間的符合。這些功能可以識別在多個計數器中產生同步脈衝的物理事件。即使在各個計數器中存在許多不相關的背景脈衝時,這些罕見的事件還是很突出。該電路不僅成為原子核物理和粒子物理中廣為使用的電子儀器,而且還實現了第一個電子AND 電路,這是現代電子學中普遍使用的數位邏輯元件的基礎。

當時,德國物理學家蓋格(Hans Geiger)的學生Walther Müller 剛剛開發完成原先蓋格在1908 年發明的原始蓋格計數器的改進管狀版本,這些Geiger - Müller 管(被稱為GM 管)成為博特做研究必備的工具。羅西在第一位研究生朱塞佩· 奧基亞利尼(Giuseppe Occhialini)的幫助下也建造了GM 管,並藉助實際的符合電路,羅西證實並擴展了博特的成果。1929 年,奧基亞利尼被授予博士學位,博特於1930 年夏天邀請羅西去柏林訪問,在加巴索安排的財務支持下,羅西與博特進一步合作研究宇宙射線的穿透性質,他還研究了Carl Størmer 對地球磁場中帶電粒子軌跡的數學描述。在這些研究的基礎上,他意識到來自東方的宇宙射線的強度可能與來自西方的宇宙射線的強度不同。他在柏林提交了第一篇論文,表明對這種東西向效應的觀察不僅可以證實宇宙射線是帶電粒子,而且可以確定它們所帶的電荷正負號。

1931 年秋天,費米和奧爾索· 馬里奧·科爾比諾在羅馬組織了一次由義大利皇家科學院贊助的原子核物理國際會議。費米邀請羅西做一個關於宇宙射線的演講,羅伯特·密立根和亞瑟· 康普頓兩人都坐在底下。他們分別於1923 年和1927 年獲得了諾貝爾物理學獎,以油滴實驗聞名的密立根在1920年代對赫斯發現的神秘輻射進行了廣泛的測量,就是他創造了「宇宙射線」這個名字,密立根還主張這種射線是由星際空間中的氫融合產生的光子。他對羅西說的大多數觀測到的宇宙射線是高能帶電粒子的證據表示不滿,後來,羅西寫道:

密立根顯然對他心愛的理論被一個年少輕狂的人撕成碎片感到憤恨不已,以至於從那一刻起,他拒絕承認我的存在。回想起來,我必須承認我在演講中可能更委婉。

以康普頓效應而聞名的康普頓對此反應則大不相同,因為他後來告訴羅西,這次談話促使他開始了自己對宇宙射線的研究,康普頓後來成了羅西的貴人,這又是後話。羅馬會議結束後,羅西立即進行了兩項實驗,使得科學界更加了解宇宙射線的性質。這兩項實驗都涉及來自三個蓋格計數器測量脈衝的三次重合;第一個實驗中,對齊的計數器由鉛塊分開;而在第二個中,它們被放置成三角形,這樣所有三個計數器都不會被沿直線傳播的單個粒子穿過。第一種配置的結果表明存在能夠穿透1 米(3 英尺3 英寸)鉛板的宇宙射線粒子。

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第二種配置整個被封裝在鉛盒中,但是結果表明,一些宇宙射線在鉛中產生多個次級粒子。羅西測量了三次重合率與計數器上方鉛量的關係。該比率與厚度的關係圖(後來被稱為羅西曲線)上的宇宙射線由兩部分組成:一個能夠大量產生多個粒子的“ 軟” 分量,另一個能夠穿過很厚的鉛的“ 硬” 分量,兩者的物理性質在當時還是謎團,因為當時原子核物理與粒子物理還在他們的嬰兒期呢!

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1931 年末,羅西安排奧基亞利尼與他在柏林認識的帕特里克· 布萊克特(Patrick Blackett)一起在劍橋大學的卡文迪希實驗室工作。借助電子符合的新技術,奧基亞利尼幫助布萊克特研製出第一個逆控雲霧室(counter-controlled cloud chamber)。利用它,他們證實了安德生(Carl Anderson)先前發現的正子,並推斷出正子與電子成對產生。在某些事件中觀察到多達23 個正負電子對,這顯然與羅西的宇宙射線軟分量的空氣簇射有關。奧基亞利尼後來參與了許多發現新粒子的工作,看官們可以參考阿文先前寫的與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們:被丟包的合作者(二)


1932 年,羅西在激烈的競爭中脫穎而出,被任命為帕多瓦大學的實驗物理學教授。西到任後不久,校長要求他負責設計和建造新的帕多瓦新物理研究所。儘管這項任務分散了他對研究和教學的注意力,但他還是心甘情願地服從了,該研究所於1937年成立。儘管雜務纏身,羅西還是在1933年完成了他在離開阿塞特里之前就開始的東西向效應實驗。由於這種效應在赤道附近最為突出,於是他組織了一次遠征,他選擇的地點是厄利垂亞的阿斯馬拉,該地區當時是北緯15°,是位於紅海旁的義大利殖民地。羅西與Sergio De Benedetti 一起,建立了一個「宇宙射線望遠鏡」,該望遠鏡由兩個相互分離的蓋格計數器組成,其最大靈敏度的軸可以指向任何方向。


他們很快就發現,來自西方的宇宙射線強度明顯大於來自東方的強度,這意味著帶正電的初級宇宙射線粒子的流入量大於帶負電的初級宇宙射線粒子。這個結果令當時的科學家感到驚訝,因為大多數研究人員都持有先入為主的觀念,認為初次宇宙射線是帶負電的電子。我們今天知道,大約89% 的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,這些帶正電的原子核構成宇宙線的99%。

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就在羅西離開厄利垂亞的時候,他收到了關於類似東西向效應的兩個觀察結果的消息,這些發表在《物理評論》上。一個是Thomas H. Johnson 做的觀測,另一個則是康普頓和他的學生阿爾瓦雷茨在墨西哥城的觀測報告,那裡的緯度是北緯19°。由於其他人比他還早一步證實了他自己在1930 年的重要主張,讓羅西很失望,但在回到帕多瓦後他還是立即發表了他的結果。後來,與Frederick C. Chromey、阿爾瓦雷茨和羅西一起獲得了「垂直測定裝置」的專利,該裝置用上了宇宙射線望遠鏡。

在厄利垂亞,羅西還發現了另一種現象,這個主題後來成為他戰後宇宙射線研究的主要主題,那就是廣泛的宇宙射線空氣簇射(extensive cosmic ray air showers)。他是在為了測試探測器中的蓋革計數器之間的偶然重合率時,發現這個現象的。這個測試是為了確保沒有單一粒子可以觸發配置,在一個水平面上的計數器所做的。這個配置下,符合頻率會比基於單一比率和符合電路的解析時間所算來的頻率還大。羅西總結道:

... 有時,記錄設備會受到大量粒子的撞擊,這會導致計數器之間的重合,甚至當彼此相距很遠時也是如此。


這個現象是來自於宇宙射線進入大氣層,與大氣中的分子多次碰撞,相互作用後,產生許多游離的粒子和電磁輻射。


1937 年,羅西結識了巴勒摩大學生理學教授烏戈· 隆布羅索的女兒諾拉· 隆布羅索。她的祖父是著名的醫生和犯罪學家切薩雷· 隆布羅索,她的姑姑吉娜· 隆布羅索和保拉· 隆布羅索·卡拉拉是著名的義大利作家和教育家。1938 年4 月,布魯諾和諾拉在帕多瓦結婚,但是羅西卻沒預料到在他人生前方的暴風雨正逐漸靠近。儘管羅西迴避政治,但羅西的一些朋友是激烈反對法西斯的活躍分子,例如:他在帕多瓦完成學位時指導過居里爾(Eugenio Curiel),居里爾後來成為共產黨員。1943 年,居里爾參加了米蘭的抵抗運動,1945 年,他被德國在義大利的傀儡國家,薩羅共和國(Republic of Salò)的士兵暗殺;另一位是埃托雷· 潘奇尼(Ettore Pancini)於1938 年在羅西手下獲得博士學位,他在戰爭期間一邊進行宇宙射線研究,一邊積極參與義大利帕多瓦和威尼斯的抵抗運動。由於與這些左翼政治活躍分子的密切交往,再加上羅西全家都是猶太人,他們對義大利的反猶太主義在納粹德國的影響下不斷增長一事,感到無比憂心。最終,由於法西斯政府發表《種族宣言》,通過反猶太法律,羅西終於被解雇而失去了教授職位。用他的話說:

最終,在1938 年9 月,我得知我不再是我國家的公民,因此我在義大利做為教師和科學家的活動,也來到了尾聲。

遭逢巨變,羅西反而開啟了他職業生涯的另一個重要階段。他在回憶錄中總結了這一時期「渺子」的衰變(1939-1943):純真時代的實驗粒子物理學,這個回憶錄後來於1980 年在費米實驗室的一次研討會上提出,可以說是珍貴的史料。


1938 年10 月12 日,羅西一家前往哥本哈根,丹麥物理學家尼爾斯· 波爾邀請他去哥本哈根,這對夫婦既然無意返回義大利,就接受這個邀約。波爾在一個重量級物理學家會議中,為羅西牽線,尋找更有保障的職位。很快地,羅西就收到了曼徹斯特大學的邀請,布萊克特正在那裡成立了一個宇宙射線研究中心。於是羅西夫婦在丹麥度過愉快的兩個月後,就轉往英國曼徹斯特。


羅西在曼徹斯特逗留的時間很短,但成就不小。這時候,對宇宙射線的軟分量開始有了清晰的認識。1934 年,漢斯· 貝特(Hans Bethe)和沃爾特· 海特勒(Walter Heitler)發表了一篇定量描述高能光子產生正負電子對,以及高能電子和正子產生光子的論文。
在曼徹斯特, 羅西與Ludwig Jánossy 還合作進行一項實驗,證明了高能電子和正子產生光子這個過程與貝特-海特勒(Bethe -Heitler)理論的預測吻合。這個實驗還用上了反符合(anti-coincidence)技術,這項技術後來在檢測和分析高能粒子儀器中被廣泛運用。所謂反符合電路就是利用電子電路將造成偵測困擾的背景訊號排除的技術。此時,使用雲霧室所做的觀測已經闡明了宇宙射線硬分量的性質。1936 年,安德生和他的學生內德邁爾(Seth Neddermeyer)發現了質量介於電子和質子之間的宇宙射線粒子,安德生將其稱為「介子」。介子後來被稱為「μ 介子」,簡稱為「渺子」。就在哥本哈根會議之前,布萊克特提出觀測到的宇宙射線強度,隨大氣溫度的變化表明渺子可能是不穩定的粒子,他與羅西就這個問題進行了激烈的討論。當羅西離開曼徹斯特時,他就決心確認它們的衰變並測量它的壽命。

隨著歐洲戰爭逐漸逼近,布萊克特和其他人都建議羅西離開英國。因此,他寫信給康普頓,康普頓邀請他參加在芝加哥舉行的夏季研討會,並暗示可能有工作機會。1939年6 月,羅西一家啟程前往紐約,費米夫婦前去迎接他們,他們也是因為種族法離開了義大利,說「同是天涯淪落人」也不為過。在與費米斯短暫重聚後,貝特讓羅西一家搭車去芝加哥。他們欣然接受,並於1939 年6月中旬抵達芝加哥大學。

羅西在一次關於渺子不穩定性的專題討論會上與其他科學家們達成共識,就是需要進行更明確的觀測,羅西和康普頓於是立即開始計劃一項實驗。因為宇宙射線的硬成分強度隨著海拔的升高而增加,而空氣的密度則是隨著降低,康普頓建議應該在科羅拉多州的埃文斯山進行調查,他在1930 年代初曾在那裡工作,並且可以藉由北美海拔最高的公路埃文斯山風景道Mount Evans Scenic Byway 到達實驗的場地。康普頓敦促羅西在那年夏天,趕在雪封路之前,開始一系列實驗,並幫助他的兩個朋友,諾曼希爾伯里(Norman Hillberry)、J. 巴頓霍格(J. Barton Hoag)和一個學生,溫斯頓博斯蒂克(Winston Bostick)。羅西和他的助手們匆忙地組裝設備,然後將它們裝上康普頓從動物學系借來的一輛破舊公共汽車上。他們一行人就這樣匆匆上路,到埃文斯山做實驗。

當時知道渺子損失能量的主要機制是因為電離,根據貝特公式,電離損失的能量與穿過材料層的單位面積質量成正比。如果電離是唯一損失能量的過程,那麼通過一層固體材料的宇宙射線硬分量成分的強度,減少的量與通過等效空氣層中減少的量約略相同。羅西和他的合作者卻發現,通過大氣減少的量明顯大於通過等效固體碳層而減少的量。因為在空氣中穿越的距離遠大於在碳中的距離,他們將此結果解釋為渺子衰變的證據,並考慮到相對論中時間膨脹的影響,估計渺子在自身座標系的平均壽命約為2 微秒(μs)

1 微秒為百萬分之一秒。


第二年夏天,羅西回到埃文斯山,在海拔3,230 米(10,600 英尺)的回音湖(Echo Lake)附近進行了實驗。他再次使用反符合技術,測量兩組具有不同平均動量的渺子,它們在衰減前的平均自由程。羅西與David B.Hall 共同發表的研究結果不僅證實了由相對論推算的渺子動量與渺子衰變前的平均自由徑之間的比例關係,而且還對渺子的壽命提出更好的估計:(2.4 ± 0.3)微秒。這些結果不僅是第一個明確表明渺子會衰變,而且也是第一個證實相對論所預測的「時間膨脹現象」的實驗。這個名稱容易遭人誤解,其實時間當然沒有膨脹,它的意思只是兩個物理事件的時間差,是隨著觀察的座標系而定。


在芝加哥,羅西作為研究助理的職位只是暫時性的,康普頓無法為他找到一個更好的職位。所以羅西必須要開始找工作,當他在康乃爾大學舉辦第一次研討會的時候,康乃爾物理系的教員中剛好有人過世,於是有了空缺。貝特建議讓羅西來填補這個職位,很順利地,羅西就被任命為康乃爾大學的副教授。1940 年秋天,在從科羅拉多州返回芝加哥後,羅西一家前往伊薩卡(康乃爾大學所在地)。在康乃爾大學,羅西遇到了他的第一位美國研究生肯尼斯· 格雷森(Kenneth Greisen),兩人一起寫了一篇文章《宇宙射線理論》,該文章發表在《現代物理學評論》上,後來被宇宙射線研究人員譽為“ 聖經”。1941 年夏天,格雷森和來自科羅拉多州的丹佛和博爾德的物理學家,陪同羅西到埃文斯山,在那裡他們改進了渺子動量與衰變前壽命之間的比例關係的測量。格雷森和羅西還進行了實驗表明,如果只考慮他們所合寫的《宇宙射線理論》所列出的可能反應,那麼並非所有軟成分的粒子都可以由硬成分的渺子產生。他們將此解釋為初級宇宙射線含有電子或光子,但後來才了解,多出來的宇宙射線的軟分量是由電中性π0 介子的衰變引起的,π0 介子會衰變成兩個光子。

1941 年遠征科羅拉多之後,羅西決定渺子是否衰變的問題已經得到解答。然而,他對渺子壽命的精確度並不滿意,因為現有的估計取決於渺子的質量,而渺子質量並不夠準確。為了進行更直接的測量,他設計了一種儀器來測量渺子到達吸收器並停止,到渺子衰變時發射電子之間的時間間隔。他在研究生諾里斯· 尼勒森的協助下完成,他們實驗的核心是一個「計時器」,它是一個電子電路,它產生一個脈衝,其脈衝高度與時間間隔精確地成正比,並且可以通過拍攝示波器軌跡來記錄。這是第一個時間-振幅的轉換器,算得上是羅西對實驗物理學電子技術的另一項貢獻。使用鉛和黃銅的吸收劑,衰減次數隨時間繪製,這些衰變曲線與普通放射性物質具有相同的指數形式,平均壽命為2.3 ± 0.2微秒,後來更精準的測量得到2.15 ± 0.07 微秒。戰後,羅西發現他的義大利同事Marcello Conversi 和Oreste Piccioni 進行了與他非常相似的實驗,並得到了與他結果一致的渺子壽命的數值,現代通用的值是2.1969811(22)微秒。

羅西後來回顧他所謂的「純真年代」,曾感嘆地說:
涉及基本粒子物理學基本問題的結果,怎麼可能通過幾乎幼稚的簡單實驗來實現,只花費幾千美元,只需要一兩個研究生的幫助?


渺子的研究工作完成後,羅西將注意力轉向了戰爭。1942 年,在從伊薩卡前往馬薩諸塞州劍橋市的途中,他成為了麻省理工學院輻射實驗室的雷達開發顧問。在這裡,他與格雷森一起發明了「距離追蹤電路」(range tracking circuit),並在戰後獲得了專利。隔年,他離開了麻薩諸薩州,到了一片沙漠中,繼續他的科研生涯,他去了哪裡?去那裡做什麼?還請大家繼續收看阿文的專欄喔!