王 成 尹曉冬

(首都師范大學(xué)物理系,北京 100048)

·物理學(xué)家與物理學(xué)史·

路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯在實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域獲得的成功

王 成 尹曉冬

(首都師范大學(xué)物理系,北京 100048)

美國高能物理學(xué)家路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯因發(fā)展改進(jìn)氣泡室和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)獲得1968年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),為高能物理的蓬勃發(fā)展做出決定性貢獻(xiàn).本文簡要介紹了阿爾瓦雷斯的生平,詳細(xì)回顧了他在實(shí)驗(yàn)物理的努力與成功,并分析歸納出包括“成長環(huán)境”、“科學(xué)眼光”、“團(tuán)隊(duì)能力”在內(nèi)的3點(diǎn)成功因素.

路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯;高能物理學(xué)家;氣泡室

路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯(Luis Walter Alvarez),美國高能物理學(xué)家、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,在將近一生的科學(xué)生涯里進(jìn)行了許多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)發(fā)明.得益于實(shí)驗(yàn)操作和儀器制作上的才華與努力,解決了諸多的實(shí)驗(yàn)難題,被美國物理學(xué)雜志稱為“二十世紀(jì)最具才華和創(chuàng)造力的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一.”[1]

1 人物生平

圖1 路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯

1911年6月13日阿爾瓦雷斯出生于美國加利福尼亞州舊金山市的一個(gè)醫(yī)學(xué)世家.兒童時(shí)期,他被選中并參加了著名心理學(xué)家劉易斯·特爾曼進(jìn)行的天賦縱向研究.[2]1918年到1926年阿爾瓦雷斯先后在位于舊金山的麥迪遜學(xué)校(Madison School)和舊金山理工高中(San Francisco Polytechnic High School)學(xué)習(xí).[3]1926年,由于父親的工作變動(dòng),他隨家人來到了明尼蘇達(dá)州的羅切斯特,并在當(dāng)?shù)氐牧_切斯特高中(Rochester High School)就讀.由于父親的醫(yī)學(xué)工作,他經(jīng)常有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室接觸真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器,[2]這對他之后選擇在物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.

高中畢業(yè)后,阿爾瓦雷斯接受了中學(xué)老師的建議來到了芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí).[3]他最初選擇的是化學(xué)專業(yè),1930年因?qū)I(yè)成績不佳阿爾瓦雷斯轉(zhuǎn)而開始學(xué)習(xí)物理專業(yè).在此之后他開始接受喬治·芒克和迪恩·蓋爾等人的指導(dǎo).[4]再之后的兩年時(shí)間里阿爾瓦雷斯對物理的激情和天資逐漸顯露出來,5個(gè)季度中他修完了12門物理課,[5]并于1932年在學(xué)?？茖W(xué)與數(shù)學(xué)(School Science and Mathematics)上發(fā)表了第一篇主題為測量室內(nèi)燈光波長的科學(xué)文章.[6]1932年阿爾瓦雷斯取得學(xué)士學(xué)位,并離開一直參加的Phi Gamma Delta學(xué)生組織.之后他選擇繼續(xù)在芝加哥大學(xué)攻讀碩士學(xué)位,并加入了校內(nèi)的Gamma Alfa組織.[3]在導(dǎo)師康普頓的指導(dǎo)下,1934年阿爾瓦雷斯取得了碩士學(xué)位.1936年,他獲得博士學(xué)位并圓滿地結(jié)束了自己的學(xué)生時(shí)代.[7]

1936年,阿爾瓦雷斯的姐姐格雷迪思以歐內(nèi)斯特·勞倫斯兼職秘書的身份將他引薦給勞倫斯.當(dāng)年秋天,阿爾瓦雷斯接受邀請來到了著名的加州大學(xué)輻射實(shí)驗(yàn)室(The Radiation Laboratory of the University of California)開始進(jìn)行研究.[2]

1941年秋天,隨著歐洲戰(zhàn)爭的來臨,作為勞倫斯的得力助手之一的阿爾瓦雷斯來到麻省理工學(xué)院幫助建立輻射實(shí)驗(yàn)室(The Radiation Laboratory)并與亨利·蒂澤德團(tuán)隊(duì)進(jìn)行無線電方向上的合作研究.1943年后阿爾瓦雷斯又被派往洛斯阿拉莫斯參加曼哈頓計(jì)劃.[3]

1945年在結(jié)束了戰(zhàn)時(shí)科研后,阿爾瓦雷斯重新回到了伯克利進(jìn)行研究工作.1968年阿爾瓦雷斯因?qū)玖Ｗ游锢韺W(xué)的貢獻(xiàn)獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).[8]之后他又繼續(xù)進(jìn)行了其他科研工作.1987年阿爾瓦雷斯被診斷患有癌癥,1988年9月1日在家中病逝,享年77歲.[2]

2 在輻射實(shí)驗(yàn)室時(shí)期的研究

1936年阿爾瓦雷斯來到了加利福尼亞州伯克利大學(xué)輻射實(shí)驗(yàn)室并開始在歐內(nèi)斯特·勞倫斯的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行為期4年的工作.在輻射實(shí)驗(yàn)室中,阿爾瓦雷斯開始獨(dú)立設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證理論.

2.1 K電子俘獲的驗(yàn)證

初到實(shí)驗(yàn)室的阿爾瓦雷斯在熟悉儀器閑暇之余閱讀實(shí)驗(yàn)室圖書館資料時(shí),注意到漢斯·貝特在物理評論上發(fā)表的《核物理學(xué)A:原子核定態(tài)》(Nuclear Physics. A: Stationary States of Nuclei)《核物理學(xué)B:核動(dòng)力學(xué),理論》(Nuclear Physics. B: Nuclear Dynamics, Theoretical)以及《核物理學(xué)C:核動(dòng)力學(xué),實(shí)驗(yàn)》(Nuclear Physics. C: Nuclear Dynamics, Experimental)3篇核物理學(xué)總結(jié)性文章,以及其中提到的貝特在實(shí)驗(yàn)上無法證實(shí)的K電子俘獲現(xiàn)象.[2]所謂K俘獲是指電中性原子的豐質(zhì)子核吸收一個(gè)原子內(nèi)的K層電子,這個(gè)過程會(huì)將核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子同時(shí)發(fā)射出一個(gè)電子中微子,反應(yīng)式如下:

p+e-→n+υe.

(1)

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的難處在于俘獲產(chǎn)生的中微子在當(dāng)時(shí)無法被觀測.對此貝特曾提出一個(gè)方法:通過長時(shí)間計(jì)數(shù)質(zhì)子的方法,比較這個(gè)數(shù)量和衰變形成的樣品的數(shù)量.[9]但是此法實(shí)驗(yàn)要求太高,操作時(shí)間也太長,并沒有被阿爾瓦雷斯采用.但他卻注意到在發(fā)生K俘獲后,最內(nèi)層的電子會(huì)缺失一個(gè)形成激發(fā)態(tài)原子,外一層的一個(gè)電子發(fā)生躍遷填補(bǔ)這一空缺,同時(shí)會(huì)發(fā)射出帶有明顯特征的KX射線這一情況,決定用這個(gè)原理尋找演示K俘獲的方法.

在發(fā)生K俘獲樣品的射線中包含多種成分,從混合物中純化KX射線成為阿爾瓦雷斯的第一要?jiǎng)?wù).他首先利用回旋加速器內(nèi)的纏制磁鐵產(chǎn)生穩(wěn)定磁場來偏移射線中的貝他電子,使得其飄離檢測器.然后根據(jù)KX射線與伽馬射線的穿透性不同,設(shè)計(jì)制作了一個(gè)填充常壓氬氣的蓋革計(jì)數(shù)器.通過臨界吸收法,測量鋁箔片在射線中吸收X射線的情況,檢驗(yàn)其是否符合鋁對鈦的KX射線吸收標(biāo)準(zhǔn).

為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性,阿爾瓦雷斯又考察了同樣會(huì)輻射X射線的內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程,他著手對產(chǎn)物中的鎵-67測定母元素序數(shù),并在確定其符合KX射線特征后,最終宣告電子俘獲現(xiàn)象的發(fā)生,在實(shí)驗(yàn)上首次完備證實(shí)了K電子俘獲現(xiàn)象.[3][4]1938年他將這一結(jié)果寫為文章《原子核俘獲軌道電子》[10](The Capture of Orbital Electrons by Nuclei)發(fā)表在物理評論上.

2.2 飛行時(shí)間法的提出與熱中子束的制造

1936年尼爾斯·玻爾在眾多中子誘發(fā)的核反應(yīng)現(xiàn)象被觀測的背景下,提出了“液滴模型”.1937年阿爾瓦雷斯參加了玻爾在伯克利舉行的一場演講,其中“液滴模型”的研究情況以及在實(shí)驗(yàn)上仍然存在的困難讓阿爾瓦雷斯注意到了慢中子俘獲的問題.[6]

當(dāng)時(shí)面臨的主要問題是如何將快中子從熱中子中除去,最初的方法是利用鎘對熱中子的吸收作用,但吸收測量時(shí)快中子的影響會(huì)不可避免地出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)噪聲過高難以達(dá)到要求.[6]

阿爾瓦雷斯苦思冥想,試圖突破這個(gè)障礙.經(jīng)過前期一系列的理論準(zhǔn)備和一整夜無拘無束的思考,他提出了一個(gè)解決問題的方法——“中子飛行時(shí)間法”.這個(gè)方法是基于熱中子行進(jìn)速度很慢—在1/240s內(nèi)(這在當(dāng)時(shí)是可觀的時(shí)間)其行進(jìn)距離約8m的特性.根據(jù)其在中子束內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度慢于快中子的這一事實(shí)來將熱中子分離出來.[6]

第二天,阿爾瓦雷斯就著手開始制作儀器.首先,他制作了一個(gè)以方波形式來控制離子源開合的電路,以此來達(dá)到高速開合離子源的目的.之后,在鈹靶周圍加裝了一塊固體石蠟,用來緩沖穿過的快中子,然后在石蠟一面安裝了長鎘管,另一端安裝了三氟化硼電離室接收中子,最后將它們用一個(gè)只在加速器射束關(guān)閉時(shí)才響應(yīng)的線性放大器在示波器上顯示出來.[4] [6]由于快中子的壽命很短,處在10-5s量級,他又對振蕩器進(jìn)行電壓半波調(diào)節(jié),在利用單相調(diào)節(jié)的方法多次嘗試后,最終實(shí)現(xiàn)了快中子在探測器響應(yīng)前通過,熱中子在探測器失效前觸及的預(yù)期效果.[11]

阿爾瓦雷斯使用這臺儀器得到了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)可用熱中子束,突破了熱中子束純化的難題.1938年他在發(fā)表于物理評論上的《300～10°K溫度范圍內(nèi)中子單色平行射束的制造》(The Production of Collimated Beams of Monochromatic Neutrons in the Temperature Range 300°-10°K)文章將“飛行時(shí)間法”作為一項(xiàng)新技術(shù)首次提出.1940年他參與了利用這項(xiàng)技術(shù)和使用其制造的純化熱中子束完成了的“正氫-仲氫”散射實(shí)驗(yàn),同時(shí)也與菲利克斯·布洛赫一起使用純化熱中子束首次準(zhǔn)確測量計(jì)算了中子磁矩,并發(fā)表《全核磁子中的中子磁矩準(zhǔn)確測定》一文.[11](A Quantitative Determination of the Neutron Moment in Absolute Nuclear Magnetons)

這項(xiàng)設(shè)備不僅僅解決了熱中子束制造的難題,還為一些物理理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了材料,創(chuàng)造了決定性的條件.

3 兩項(xiàng)高能物理設(shè)備的研制

“質(zhì)子直線加速器”和“氫氣泡室系統(tǒng)”是阿爾瓦雷斯和他團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)杰出成果.這兩項(xiàng)物理設(shè)備也對高能物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.

3.1 質(zhì)子直線加速器的設(shè)計(jì)與制造

3.1.1 預(yù)見與思考

1934湯川秀樹預(yù)言了介子的存在.由于此,1935年建立質(zhì)子直線加速器的想法曾閃過阿爾瓦雷斯的腦海.[12]但隨著1940年戰(zhàn)爭的開始,研發(fā)加速器的事情被他暫時(shí)擱置了.在戰(zhàn)爭結(jié)束時(shí),阿爾瓦雷斯開始重新關(guān)注加速器,并預(yù)言戰(zhàn)后自己將建造的用于粒子研究的大型加速器會(huì)成為物理學(xué)的未來.

3.1.2 準(zhǔn)備與研究

1940年,戰(zhàn)時(shí)中的阿爾瓦雷斯來到了麻省理工大學(xué)放射實(shí)驗(yàn)室接受了一系列的理論培訓(xùn),其中最讓他受益的是參加了來自斯伯利電子公司比爾·漢森的培訓(xùn)課程,這門課程詳細(xì)教授了有關(guān)諧振腔的使用方法.受到啟發(fā),阿爾瓦雷斯開始思考利用諧振腔制作加速器的可能性.

戰(zhàn)后,阿爾瓦雷斯開始將自己的加速器計(jì)劃付諸現(xiàn)實(shí).最初他想利用大量的戰(zhàn)余SCR 268s(美國通信兵雷達(dá))來制作電子直線加速器.但不巧,在他制成前,麥克米蘭就先發(fā)明出了性能明顯更優(yōu)的電子同步加速器,[12]阿爾瓦雷斯因此轉(zhuǎn)向質(zhì)子直線加速器的研發(fā).他與軍方商議,得到了2000臺雷達(dá)設(shè)備,并以此給加速器驅(qū)動(dòng)做好準(zhǔn)備.

之前從未有人制作過質(zhì)子直線加速器,其中重要的分路阻抗和共振頻率沒有現(xiàn)成可查的數(shù)據(jù),阿爾瓦雷斯只得通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合著以往的理論自己摸索.

3.1.3 設(shè)計(jì)與制造

在得到了有效的數(shù)據(jù)后,阿爾瓦雷斯的研究小組開始進(jìn)入設(shè)計(jì)制造階段.首先他們利用模型對漂移管尺寸和直徑進(jìn)行了測量,之后麥克米蘭向小組提出了保持相同步的重要性.而保持相同步的難度在于:當(dāng)設(shè)備處于相同步的時(shí),徑向偏焦的問題就會(huì)出現(xiàn).根據(jù)恩肖定理想要同時(shí)實(shí)現(xiàn)徑向聚焦和粒子前移是不可能的.為了解決這一問題,阿爾瓦雷斯提出了向漂移管的入口加入鎢片的方法,通過持續(xù)不斷地加入鎢片,讓設(shè)備成功聚焦.[12]

在此之后他又開始考慮如何測量分路阻抗.他在激活的諧振腔中打孔,穿線,然后將一個(gè)稱作“beebee”的銅質(zhì)小球通過用繩子連接中心放到諧振腔中.在前后擺動(dòng)小球時(shí)測量出Δf與f的比值,通過對這一比值的數(shù)學(xué)處理得到分路阻抗.[12][13]

在測量了諧振腔數(shù)據(jù)之后,下一個(gè)團(tuán)隊(duì)要解決的問題是:如何保證各個(gè)諧振腔中每個(gè)獨(dú)立的單元都保持同一頻率.由于整個(gè)結(jié)構(gòu)中的單元相互關(guān)聯(lián),當(dāng)調(diào)節(jié)某一個(gè)單元的頻率時(shí),每個(gè)腔室的磁場強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生改變,問題因此變得十分棘手．在多次實(shí)驗(yàn)與探討后,團(tuán)隊(duì)中的皮傅提出使用傅里葉變換和微擾理論的方法,通過計(jì)算得到了每個(gè)獨(dú)立單元的調(diào)節(jié)參數(shù),成功解決了這一問題.[12]

不斷調(diào)試修正后,阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)解決了加速器的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)問題,將整個(gè)加速器進(jìn)行了組裝實(shí)驗(yàn).在連接上電源后,1947年這臺設(shè)備第一次發(fā)射出了射束,[4]標(biāo)志了質(zhì)子直線加速器設(shè)計(jì)建造正式成功.這項(xiàng)設(shè)備為質(zhì)子對散射和短壽命放射性物質(zhì)研究等高能物理理論探索提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)備.它的出現(xiàn)也為更高能量循環(huán)機(jī)提供了新的標(biāo)準(zhǔn)注入器,這一成果為后續(xù)更多的高能物理實(shí)驗(yàn)提供了支持.[4]

3.2 氫氣泡室和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的發(fā)展改進(jìn)

3.2.1 發(fā)展氫氣泡室

二戰(zhàn)后期,一些新的粒子被物理學(xué)家發(fā)現(xiàn).1947年鮑威爾等人發(fā)現(xiàn)了π介子.1950年借助同步加速器和核乳膠技術(shù)的一系列實(shí)驗(yàn)又證實(shí)了中性π介子的存在.1952年π介子-核子共振也被發(fā)現(xiàn),[14]這批新粒子的發(fā)現(xiàn)掀起了物理學(xué)家找尋新粒子的熱潮,同樣也引起了阿爾瓦雷斯的注意.隨著1953年熱那亞和米蘭小組發(fā)現(xiàn)了帶電Σ超子衰變,配合加速器探索新粒子的方法為阿爾瓦雷斯探索新粒子打開了思路．

1953年4月在出席美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議時(shí),阿爾瓦雷斯接觸到了密歇根大學(xué)博士后唐納德·格拉塞,他向阿爾瓦雷斯介紹了自己發(fā)明的氣泡室和現(xiàn)在的研究進(jìn)度,并向他展示了玻璃泡中徑跡的照片,[4]阿爾瓦雷斯對此產(chǎn)生了極大的興趣.

1953年5月阿爾瓦雷斯回到了伯克利,開始著手研究氣泡室.根據(jù)格拉塞的原理,他設(shè)想制作一個(gè)大型的氣泡室,并邀請來林恩·史蒂文森、約翰·伍德和弗蘭克·克勞福德加入自己的研究團(tuán)隊(duì),開始重復(fù)格拉塞的工作.他們3人先是在杜瓦瓶中建造了玻璃室,然后使用液氮和液氫進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn).[14]在當(dāng)時(shí)羅杰·希爾德布蘭德和達(dá)拉·內(nèi)格爾已經(jīng)證明了過熱氫在γ射線源存在時(shí)會(huì)更快沸騰,但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,僅用液氮或液氫產(chǎn)生的氣泡并不能觀察徑跡.[16]8月,阿爾瓦雷斯就氣泡室中設(shè)計(jì)的幾個(gè)原理性問題向芝加哥大學(xué)的厄爾·朗請教,[15]并在之后開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正式開始?xì)馀菔覍?shí)驗(yàn).

1954年2月,芝加哥小組的約翰·伍德在1.5英寸直徑液氫氣泡室里首次觀察到了徑跡,如圖2所示，這也是阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)首次成功獲得氫氣泡室徑跡,[16]但是芝加哥小組在之后轉(zhuǎn)向了研究碳?xì)浠衔锸疑?[14]并未繼續(xù)氫氣泡室的研究．

圖2 首次在氫中觀察到的徑跡

1954年8月,阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)中的施韋邁恩和帕門蒂爾在又分別建造了兩個(gè)4英寸直徑的氣泡室,兩者都在10月底前得到了徑跡.到1954年年底前,阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)的從1.5英寸到4英寸氣泡室全部都進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài).[16]

獲得的階段性的成功并沒有讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)停下來,阿爾瓦雷斯打算開始發(fā)展更大規(guī)模的氣泡室.他向3個(gè)助手唐納德·高、羅伯特·瓦特和理查德·布倫伯格尋求幫助.布倫伯格立即著手10英寸室的機(jī)械設(shè)計(jì),然后在主機(jī)房里進(jìn)行建造.

1954年12月,在4英寸室開始工作后不久,10英寸室還處于開發(fā)階段時(shí),阿爾瓦雷斯就預(yù)感到較大尺寸的10英寸室也不能完全滿足他們探索奇異粒子的要求.[15]他通過研究奇異粒子的相對論運(yùn)動(dòng)和衰變,認(rèn)為所謂的“大室”應(yīng)該是至少長30英寸的長方形結(jié)構(gòu),為了保證衰變區(qū)域上游有足夠的氫,這個(gè)長度應(yīng)該還增加至50英寸.又根據(jù)室的高度可以小于寬度的原則,為了不改變?nèi)莘e,長度則更應(yīng)被加至72英寸.依據(jù)室的結(jié)構(gòu)大小可以由質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器能量相對論變換的橢圓形狀的分析和粒子只沿室的寬度磁場傳播這個(gè)事實(shí)計(jì)算.最終這臺氣泡室的長度應(yīng)為72英寸,寬度為20英寸,高度為15英寸.其中還包含一臺質(zhì)量在100t以上的磁鐵.整套設(shè)備消耗功率將為2至3MW,同時(shí)還要配有一塊75英寸長,32英寸寬,5英寸厚,能承壓8個(gè)大氣的玻璃窗.[16]這個(gè)要求震驚了小組內(nèi)的所有人.但是阿爾瓦雷斯決心堅(jiān)持意見,斷定大室的建造是必須和必要的,認(rèn)為要得到最好的實(shí)驗(yàn)效果就必須克服設(shè)備工程上的種種困難.

1955年1月,阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)說服美國國家標(biāo)準(zhǔn)局科羅拉多波爾德分局的低溫工程師也參與到這項(xiàng)工程中.[17]工程師提供了大量的液氫技術(shù)支持,并在后來直接參與到了大室的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中.

1955年4月,阿爾瓦雷斯在討論了大室的各項(xiàng)問題后撰寫了一篇名為《加利福尼亞大學(xué)輻射實(shí)驗(yàn)室的氣泡室方案》的文章.詳細(xì)說明了大室的必要性和作用,并開創(chuàng)性地提出了以半自動(dòng)化的測量設(shè)備進(jìn)行觀測的計(jì)劃,描述了利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行空間徑跡重現(xiàn),動(dòng)量計(jì)算,解決相對論力學(xué)問題等細(xì)節(jié).[15]為了得到建造大室的經(jīng)費(fèi),阿爾瓦雷斯向美國原子能委員會(huì)請求.在向3位委員會(huì)委員闡述自己的計(jì)劃后,他得到了250萬美元的經(jīng)費(fèi),緊接著阿爾瓦雷斯就指派唐納德·高負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)物理學(xué)家與工程師之間的工作,[17]開始加緊建設(shè)氣泡室.

圖3 建造中的72英寸氣泡室

在保羅·赫蘭茲負(fù)責(zé)的工程小組設(shè)計(jì)下,許多工程方面的問題得到了解決.阿爾瓦雷斯也親力親為,和負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)氣泡照相機(jī)的杜安·諾格倫一起設(shè)計(jì)制造出了外套吊架逆向系統(tǒng)來解決與拍攝有關(guān)的問題.[14]在用15英寸氣泡室測試操作后,1959年3月24日,阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)的72英寸室正式首次運(yùn)行,并獲得成功，如圖3所示.[16]

3.2.2 建立數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

1955年,阿爾瓦雷斯提交了他關(guān)于大室設(shè)計(jì)制作的文章,他建議團(tuán)隊(duì)中的休·布雷德尼著手實(shí)現(xiàn)自己有關(guān)設(shè)備半自動(dòng)化觀測分析的設(shè)想.[14]布雷德尼在對商用測量機(jī)和譯碼技術(shù)等做了充足全面的研究后同杰克·弗蘭克一起設(shè)計(jì)建立了“弗蘭肯斯坦(Frankenstein)”測量設(shè)備.緊接著弗蘭克又開始設(shè)計(jì)“弗蘭肯斯坦二號”的工作,用以測量72英寸氣泡室的底片.[14]

之后阿爾瓦雷斯領(lǐng)導(dǎo)著團(tuán)隊(duì)內(nèi)的其他人員設(shè)計(jì)完善了SMP系統(tǒng).彼得·施韋邁恩、鮑勃·赫爾希澤、彼得·戴維、羅恩·羅斯和比爾·漢弗萊在其中起到了重要推動(dòng)作用.在阿爾瓦雷斯的組織協(xié)調(diào)下,1957年后幾項(xiàng)關(guān)鍵性的氣泡室事件分析程序相繼誕生.索米茨和阿爾特·羅森菲爾德與耶魯大學(xué)霍勒斯·塔夫脫和伊利諾斯的吉姆·斯奈德一起寫出了GUTS擬合程序,這個(gè)程序是該項(xiàng)目第一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程KICK的核心.KICK系統(tǒng)給出了幾個(gè)相連的定點(diǎn)的整體擬合,一個(gè)高度強(qiáng)直的擬合,如果限制的程度不高,幾個(gè)“假設(shè)”(徑跡識別集)就可給出一個(gè)擬合,這大大加強(qiáng)了徑跡識別的速度.[16]之后是阿爾特·羅森菲爾德和羅恩·羅斯首創(chuàng)的SUMX程序,它能夠輕松搜尋大象的運(yùn)動(dòng)學(xué)程序輸出,打印有效的數(shù)據(jù)信息.阿爾瓦雷斯又建議格雷·林奇寫下GAME程序,與FAKE系統(tǒng)一起提供了測試分析程序得出錯(cuò)誤結(jié)論的頻率的方法.[16]

阿爾瓦雷斯團(tuán)隊(duì)利用這些改進(jìn)過的氣泡室以及自動(dòng)化的測量分析系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,1960年他們在羅徹斯特高能物理學(xué)會(huì)議上宣布了發(fā)現(xiàn)了共振態(tài)Y1*(1385),又在1960年底前發(fā)現(xiàn)了K*(890)和Y0*(1405)兩個(gè)奇異共振.[18]

1968年,阿爾瓦雷斯因發(fā)展氫氣泡室和分析系統(tǒng)獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),像頒獎(jiǎng)時(shí) S·馮·弗里森院士說到的一樣:“在高能物理這個(gè)重要領(lǐng)域已經(jīng)取得的所有發(fā)現(xiàn)只有通過阿爾瓦雷斯教授提出的方法才能成功.”[14]氫氣泡室系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展為高能物理的研究提供了新道路,它為探索分析大量新的基本粒子提供了可能,這項(xiàng)設(shè)備對高能物理學(xué)的發(fā)展起到了決定性的作用.

4 成功因素

路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯作為一名物理大家把將近一生奉獻(xiàn)給了實(shí)驗(yàn)物理研究,在物理探索上獲得了成功.他能夠從眾多科學(xué)家中脫穎而出并不是偶然,這是與3個(gè)要素是密切相關(guān)的.

4.1 青少年時(shí)良好的生長環(huán)境

家庭環(huán)境可以給兒童提供一定的信息, 而足夠的信息量是創(chuàng)造力形成和開發(fā)的前提.良好的家庭環(huán)境大人通過各種途徑培養(yǎng)兒童的思維習(xí)慣和豐富的想象力.[19]阿爾瓦雷斯出生于一個(gè)醫(yī)學(xué)家庭,家中的學(xué)術(shù)氛圍濃厚.[6]由于父親的醫(yī)生工作,他有大量的時(shí)間接觸到儀器設(shè)備.這些醫(yī)學(xué)設(shè)備是他實(shí)驗(yàn)技術(shù)的良好啟蒙者.在談到這一點(diǎn)時(shí)他說“在父親的實(shí)驗(yàn)室里,起初并不是那些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓我感興趣,反而是那些電子儀器設(shè)備深深地吸引了我.”[6]除此之外,他的父親還鼓勵(lì)他進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn),他曾提過在11歲時(shí),父親曾經(jīng)指導(dǎo)他按照“文摘”雜志的方法自制一臺晶體收音機(jī).制作的成功給他帶來了極大的快樂和滿足.[6]類似于此的小物理實(shí)驗(yàn)他們還進(jìn)行過許多次.可以說父親的指導(dǎo)對他在之后選擇實(shí)驗(yàn)物理方面是一個(gè)極大的鼓勵(lì).在搬家至羅切斯特后,當(dāng)?shù)乜諘缱杂傻沫h(huán)境給了阿爾瓦雷斯自由探索的機(jī)會(huì),他在回憶時(shí)提到“如果我沒離開舊金山來到明尼蘇達(dá),我的人生將會(huì)是另一幅模樣,來到羅切斯特我才真正擺脫了以往的束縛.”.[6]為了阿爾瓦雷斯的科學(xué)發(fā)展,父親還給他專門聘請了梅約診所的機(jī)械師進(jìn)行周末輔導(dǎo),這極大的豐富了他早年的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷,為他積累了大量的原始實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn).更重要的是,在這一過程中他得以開始接觸一些真正的科學(xué)家,開始了解他們的工作處事、思考研究的方法.在回憶中他提到“那時(shí)我們開始學(xué)著問為什么,開始意識到那些只會(huì)對聽到的東西說是的人無法成為科學(xué)家.”[6]這段經(jīng)歷為日后他出色的科學(xué)思考打下了良好的基礎(chǔ).

4.2 科研時(shí)獨(dú)到的科學(xué)眼光

前總統(tǒng)科學(xué)顧問喬治·A·基沃思評論稱“路易斯·沃爾特·阿爾瓦雷斯是萬中挑一的思考家和發(fā)明家,他擁有著不同常人的感知和視角.”他的科學(xué)眼光是突破性和預(yù)見性的.他在思考前人未解決的實(shí)驗(yàn)物理問題時(shí)采取的是“在分析后果斷徹底地采用新思路、新角度”的方法.正是有了這種突破性的眼光,他才避免了被舊模式拴住手腳.在K電子俘獲實(shí)驗(yàn)上他并未固執(zhí)改進(jìn)以往的計(jì)數(shù)質(zhì)子法,而是使用了KX射線計(jì)量法進(jìn)行探測,通過徹底改變觀測方法首次成功地在實(shí)驗(yàn)上證明了K電子俘獲.在熱中子束制造難題上,他突破性地開發(fā)了飛行時(shí)間法技術(shù),并使這套裝置成為出現(xiàn)熱柱技術(shù)前純化熱中子的設(shè)備之一.他也高瞻遠(yuǎn)矚造就了諸多科學(xué)上“從零到一”的成功.在氫氣泡室裝置創(chuàng)建過程中,他首先預(yù)見到了唐納德·格拉塞原型氣泡室在基本粒子領(lǐng)域的卓越前景,率先將這一技術(shù)帶到自己的團(tuán)隊(duì),并對此抱有極高的期望.在氣泡室建立的關(guān)鍵的“大室”問題上,即使搭建困難,經(jīng)費(fèi)投入巨大,在綜合以往的氣泡室成果后阿爾瓦雷斯仍堅(jiān)持建造“大室”.成功建造的72英寸等一系列“大室”的事實(shí)證明,他預(yù)見性的想法是必要而成功的,大型設(shè)備的使用帶來了以往設(shè)備無可比擬的高信和高效.

4.3 團(tuán)隊(duì)中出色的工作領(lǐng)導(dǎo)能力

隨著實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性的增強(qiáng),儀器設(shè)備使用要求的增加,科研團(tuán)隊(duì)內(nèi)的合作是否緊密很大程度上決定了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展快慢.在人才任用問題上,阿爾瓦雷斯堅(jiān)持以才華為重,在他的團(tuán)隊(duì)中沒有出現(xiàn)因?qū)W歷平凡而被埋沒的人才.他重用了只有高中學(xué)歷的唐·戈夫、彼得·斯維敏等人,團(tuán)隊(duì)的整體效率得到了極大的提升.實(shí)際工作中也能常常見到阿爾瓦雷斯本人的身影,在氣泡室項(xiàng)目中他就親自參與了氣泡室窗口和氣泡相機(jī)等內(nèi)容的設(shè)計(jì),并親自參與了成品的測試.不僅發(fā)揮了他自己作為物理專家在技術(shù)和能力上的優(yōu)勢,也提高了團(tuán)隊(duì)的士氣,加快了項(xiàng)目完成的進(jìn)度.作為整個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者,阿爾瓦雷斯的能力與貢獻(xiàn)絕對是值得肯定的,所獲得的榮譽(yù)也是值得驕傲的,但在他取得了眾多的成就后依然還能繼續(xù)保持著對團(tuán)隊(duì)的絕對尊重.在各項(xiàng)成果報(bào)告中他都將獲得的成績作為整個(gè)團(tuán)隊(duì)的結(jié)果,在接受諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)他甚至出資將團(tuán)隊(duì)中的大部分成員帶到現(xiàn)場來共享榮譽(yù).阿爾瓦雷斯教授這份對待團(tuán)隊(duì)的尊重和認(rèn)可讓團(tuán)隊(duì)成員感動(dòng),這也印證了他從科研成功的物理學(xué)家到學(xué)術(shù)、為人成功的物理大家的升華.

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7 Nobel Lectures,Physics 1963-1970,Luis Alvarez-Biographical[OL], Amsterdam:Elsevier Publishing Company,1972.

8 郭奕玲,沈慧君.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1901-2010[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012:193.

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13 Radiation Laboratory.Berkeley Proton LinearAccelerator[M].University of California,1953:1-10.

14 《諾貝爾獎(jiǎng)講演全集》編譯委員會(huì).諾貝爾獎(jiǎng)講演全集[M].福建:福建人民出版社,2003:735-755.

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19 孫雪峰.科學(xué)家與科學(xué)家的成長環(huán)境——錢學(xué)森[J].黑龍江科技信息.2008,36(06):165.

本文系北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃一般項(xiàng)目(編號:KM201610028003);2015北京市屬高校青年拔尖人才培育計(jì)劃;中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所重大突破項(xiàng)目(Y62102)研究成果之一.

2017-01-01)