【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。

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。