【物理史中的一月】1955 年 1 月 15 日:〈氣泡室的特性〉論文在期刊《物理評論》發表

1955 年 1 月 15 日:〈氣泡室的特性〉論文在期刊《物理評論》發表

文|蕭如珀楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2010 年 1 月)

1912 年,物理學家赫斯(Victor Hess)在做游離室氣球實驗時,原期待會發現高度越高時,大氣中的電離會越低。可是他發現事實剛好相反:大氣中的電離實際上隨高度而增加。他下結論說,一定是有輻射從太空進入我們的大氣層,這些輻射後來被稱為宇宙線。去找出偵測那些粒子的方法,來看見原先看不見的粒子就成了物理學家的重要挑戰。接受此挑戰的人中有兩個人特別突出:威爾森(Charles Thomas Rees Wilson)和格拉澤(Donald Glaser)。

偵測宇宙線的技術最早是威爾森於 1895 年想到的。威爾森是蘇格蘭物理學家,任職於劍橋大學知名的卡文迪西實驗室,對氣象深感興趣,想要在實驗室複製讓雲凝結的方法。他建造了一個密閉的容器,裡面充滿飽和氣體,然後讓容器的容積突然擴大,這樣造成溫度下降使得氣體過飽和,而產生凝結。威爾森用盡當時已有的物理器具來加以測驗,最著名的是放電管。

至 1910 年止,威爾森都使用他的雲霧室裝置來偵測帶電的粒子,因為當帶電粒子通過雲霧室的氣體時,會留下離子、以及小水滴的軌跡。他拍下了 α 和 β 光線最先留下軌跡的照片,當然還有每個原子和他們的電子如何相互作用的證據。α 和 β 兩種粒子都有特殊的軌跡:前者寬寬直直的;而後者比較薄,和其他粒子碰撞後比較容易偏轉。對雲霧室加以均勻磁場時,帶正電和負電的粒子會朝反方向彎曲。

然而,雲霧室作為研究目的有其限制,特別在粒子物理持續進展的情況下。舉例說,它們用在大的加速器時太小了;而且,液體的密度不足以和大量的高能粒子產生作用,更何況它的循環很慢,要再度啟動雲霧室所費的時間和加速器的循環過程比起來太長了。

格拉澤(Donald Glaser)在他的氣泡室做研究
格拉澤(Donald Glaser)在他的氣泡室做研究

這時格拉澤出現了,他是被歸功發明了和雲霧室原理類似的氣泡室的美國物理學家,不同的是,氣泡室充滿著過熱的液體,而不是氣體。格拉澤是雜貨推銷員之子,來自美國俄亥俄州克里夫蘭,是一位很有造詣的音樂家,16 歲即加入當地交響樂團,但他真正的興趣是數學和物理,1950 年從加州理工學院獲得博士學位。

據說當格拉澤任職於美國密西根大學時,他和同事們暢飲冷啤酒,觀察著玻璃杯中的氣泡流動,給了他建造可以用氣泡追蹤次原子粒子儀器的靈感。格拉澤自己後來駁斥這個故事,說啤酒並非他的靈感來源,雖然他確實在他早期的原型中曾使用啤酒做為液體。

他的第一個裝置是一個小玻璃管,大約他的拇指大,最初不僅裝啤酒,還裝蘇打水和薑汁汽水,但使用這些液體來捕捉次原子粒子留下的氣泡軌跡並不太成功。之後他於 1953 年做了一個小氣泡室,裡面充滿過熱液態乙醚,輔以高速照相機來記錄宇宙線的最初軌跡。他因此成就獲得了 1960 年諾貝爾物理獎,是獲頒此榮譽最年輕的科學家之一。現在的氣泡室都是充滿過熱的氫。

格拉澤在發明汽泡室後不久就轉到加州柏克萊大學,在那裡繼續改良他的發明。他在柏克萊大學的最初兩年,就收集了將近 50 萬張照片,追蹤通過他的同僚阿爾瓦雷茨(Luis Alvarez)所建造更新、更大的氣泡室的粒子。這個新儀器長 6 呎,比起來,格拉澤最初發明的氣泡室只有幾吋長,新儀器每 14 秒即能測一次粒子的軌跡。阿爾瓦雷茨的機器有助於開展高能物理大科學的新時代,也讓它的發明者贏得了諾貝爾獎。

但諷刺的是,阿爾瓦雷茨和格拉澤兩人在他們巨大的成功後,都離開了粒子物理。有人猜測他們對於這個領域越來越機械化感到厭倦不新鮮吧。格拉澤繼續在分子生物領域出人頭地,研究細菌的演化、細胞生長如何受控制、以及癌與遺傳突變的原因。特別的是,他發現中國倉鼠的某些突變使得它們對紫外線非常敏感;曝曬在紫外線中會使得突變的細胞轉變成癌腫瘤。相同的缺陷也發生在人類身上,引起罕見的稱為著色性乾皮症(xeroderma pigmentosum)的癌細胞,因此,患者只要能避免陽光照射,就常能遠離癌細胞。

格拉澤在 1970 年代和兩位同僚合夥創辦第一代生物科技公司,很正確地預見了分子生物的研究成果應用於產業上的爆發性,尤其在醫學和農業方面。後來生物科技對他也不再新鮮,所以改進入神經生物學領域,專門研究人類視覺系統,以及它在運動和深度方面的感覺。

格拉澤還使用了他最初為氣泡室發展出的照片解析設備,經由電腦掃瞄來確認細菌的種類,因此,也為他的新領域帶來一點自動化。氣泡室在粒子物理方面被後來的科技,例如電花室和金屬絲室所大量取代,但卻仍在現今尋找暗物質粒子的研究中再次受到一些青睞。

 

加入好友

人瀏覽過