【物理史中的九月】1910 年 9 月 15 日:午夫(Theodor Wulf)發表宇宙輻射的第一個證據

1910 年 9 月 15 日:午夫(Theodor Wulf)發表宇宙輻射的第一個證據

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2019 年 8/9 月)

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午夫(Theodor Wulf)

宇宙線的正式發現要歸功於奧地利物理學家赫斯(Victor Hess),他也因此獲得 1936 年諾貝爾物理獎。然而,正如科學界常有的情形一樣,也有許多和赫斯同時期的科學家對此發現做出重大的貢獻,其中包括一位名叫午夫(Theodor Wulf)的德國耶穌會牧師物理學家。

午夫出生於 1868 年 7 月,20 歲時被任命為耶穌會牧師,並開始在哥廷根大學(University of Göttingen)攻讀物理。他除了做實驗研究外,還在一間耶穌會大學教好幾年物理。午夫很快地對於正在進行有關在地球大氣層測出的游離輻射的起源深感興趣,特別是它到底是起源於陸地,或來自太空的科學辯論。

許多科學家在各種實驗中一直都使用金箔靜電計來測量輻射的強度,然而,不管儀器絕緣得多好,總會因外在輻射持續的撞擊而喪失電荷。午夫認為當時使用的儀器,只要一移動就很容易破壞金箔,在實驗室外測量輻射強度不會精確。所以他設計自己的靜電計,使用一對鍍有白金取代金箔的導電石英線。午夫還將電線放置於垂直的圓筒內,以排除因為儀器周圍游離氣體所導致的電荷耗損。

要決定放射線是否來自地球的一個方法是,測量放射性是否隨著高度而遞減。因此,午夫使用他所改良的靜電計在幾個地點測量放射線,例如在瑞士馬特洪峰(Matterhorn)山腳下,以及瓦肯堡(Valkenburg)附近的白堊礦區和比利時山洞內。測量的結果有相當的差異性,但放射線看來的確是來自陸地。儘管如此,午夫有一個實驗是將靜電計浸在水中,顯示出電離有些微減少。以此看來,午夫猜想應該有某些輻射線來自太空。

1909 年,2 個獨立在高海拔所做的熱氣球測量提供了更進一步的證據。假如輻射真的只是源自陸地的話,我們會預期在那麼高處所測得的輻射強度會降低。但是卡克爾(Albert Gockel)觀察到的沒有預期減少的多,就像午夫一樣,他也認為這可能有輻射來自太空的跡象。然而,另一個科學家貝格維茲(Karl Bergwitz)測出的輻射則有大幅減少,符合預期。為了解決此問題,午夫決定將他的靜電計拿到艾菲爾鐵塔上去測量,這樣可以消除測量輻射時氣球移動所帶來的困擾效應。

午夫得到在艾菲爾鐵塔測量輻射的許可 ,於 1910 年復活節的周末花了 4 天做測量。他將結果和在鐵塔底部以及他在瓦肯堡的家所測得的輻射做比較,將結果發表在 1910 年 9 月 15 日的《物理學雜誌》(Physikalische Zeitschrift)中。在艾菲爾鐵塔最上面的輻射強度只少了一點,雖然強度弱一點可能歸因於塔頂的高度,但輻射穿過80公尺的空氣,強度會減少 50%,而艾菲爾鐵塔高 200 公尺,因此若輻射來自地球的話,那麼最上面的強度應該要更低才對。午夫自己這樣做結論:「到目前為止所做的測量若不排除地殼──較高層空氣 γ 射線的一個來源,不然就是空氣的吸收比之前所想的要弱很多。」

我們現在認為這是宇宙線存在的第一個具體證據,但當時,午夫的同僚大都不理會他的努力。公平來說,午夫在艾菲爾鐵塔的實驗是有些問題的,他自己都承認其金屬結構事實會吸收放射性粒子,那可能是輻射的另一個來源,對他的結果會造成困擾。他也不能完全排除在地面未被氣體吸收的輻射,若像之前鐳實驗所顯現的一樣多,所造成的未知現象。

在午夫發表他的結果後不久,赫斯在熱氣球中日以繼夜地做了一系列高緯度的輻射測量,長達 3 年。其他的科學家也將他們的儀器架到氣球上去記錄高緯度的游離,但是結果都因儀器設備有瑕疵而無法得到正確的結論。赫斯設計改良儀器,使能經得起更高緯度的溫度和壓力的變化。他下結論說,輻射強度隨著高度有顯著的增加,而且他在一次日蝕期間所做的輻射測量,有效地排除太陽是這些宇宙線的來源。赫斯於 1936 年和安德森(Carl Anderson)因發現正電子同獲諾貝爾物理獎,午夫則完全被摒除在此榮譽之外。

但至少午夫不是唯一因為宇宙線失去諾貝爾獎的一位,還有一位義大利科學家帕契尼(Domenico Pacini)也差不多和赫斯同時,做了類似的發現。帕契尼沒使用氣球來測量大氣中不同的輻射程度,而是到水下測量。他將儀器放在一個銅盒子裡,然後沉到義大利利佛諾灣(Bay of Livorno)底。他發現灣底的輻射強度比海面要弱很多,因此地殼不可能是宇宙線的來源。但很可惜的是,帕契尼於 1934 年過世,而諾貝爾獎無法於身後頒發。

 

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