【物理史中的二月】1970 年 2 月 6 日:阿爾瓦瑞茲(Luis Alvarez)在《科學》雜誌上討論宇宙線和金字塔的論文

1970 年 2 月 6 日:阿爾瓦瑞茲(Luis Alvarez)在《科學》雜誌上討論宇宙線和金字塔的論文

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2019 年 2 月)

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1933年,諾貝爾獎得主康普頓(Arthur Compton,左)和年輕的研究生阿爾瓦瑞茲(Luis Alvarez)在芝加哥大學。

當考古學家於 2017 年證實他們在一座埃及金字塔內發現了一個隱密的埋葬室,這在某些方面來說是 1960 年代所從事此計劃的巔峰。有一位名叫阿爾瓦瑞茲(Luis Alvarez)的物理學家想出了利用宇宙線來繪製如吉薩大金字塔(Great Pyramid of Giza)這樣密實結構的圖像。

1911 年,阿爾瓦瑞茲出生在舊金山,父親和祖父都是醫生,姑姑瑪蓓爾(Mabel)則是藝術家。當他父親到梅奧診所醫學中心(Mayo Clinic)當醫生時,全家搬到明尼蘇達州,年輕的阿爾瓦瑞茲在那裡上中學。之後他讀芝加哥大學,最終於 1936 年獲得物理博士學位。在他讀研究所時,他使用蓋革計數管建造了一個宇宙線望遠鏡,用它來測定原宇宙線帶正電荷。

阿爾瓦瑞茲的姊姊葛拉蒂斯(Gladys)是勞倫斯(Ernest Lawrence,1939 年獲得諾貝爾物理獎)的秘書,因此,在阿爾瓦瑞茲獲得博士學位後,他問勞倫斯實驗室是否有職缺。勞倫斯聘用了他,所以阿爾瓦瑞茲就加入加州大學柏克萊分校,參與迴旋加速器研究。他設計實驗偵測放射性原子核,特別是曾被預測但尚未被證實的特種 β 衰變中軟 X 射線的偵測。

在第二次世界大戰期間,阿爾瓦瑞茲加入了麻省理工學院剛成立的輻射實驗室,他在那裡發展出微波雷達的軍事用途。阿爾瓦瑞茲參與幾個雷達計畫,其中最知名的是地面管制進場(Ground Controlled Approach,GCA)系統,它使用雙極天線來改進解析度,所以甚至是未受訓練的飛行員在跑道著陸時,也可經由地面航管人員以 GCA 系統來導航。有些國家到了 1980 年代還在使用此套系統。當阿爾瓦瑞茲於 1943 年夏天在英格蘭測試 GCA 系統時,他認識一位當時在英國皇家空軍當雷達工程師的年輕克拉克(Arthur C. Claarke),他們成了多年的好友。

那年秋天,阿爾瓦瑞茲加入了曼哈頓計劃,他首要的任務之一是要找出方法看看德國人是否有任何運行中的核反應器。阿爾瓦瑞茲在飛機上裝備一套可以偵測到這些反應爐會產生放射性氣體的系統,而德國當時並無核反應爐,所以此任務並沒找到證據,但此方法對於戰後情報的收集極為有用。阿爾瓦瑞茲在曼哈頓計劃的最後任務是設計出一個小儀器來測量從原子彈產生的震波強度。1945 年三一核試驗時,他在現場;他還使用他的儀器在 B-29 轟炸機上,以測量投擲在日本廣島和長崎原子彈的爆炸能量。

戰後,阿爾瓦瑞茲將他在雷達方面的專長用來改進粒子加速器,促成了 1954 年貝伐加速器(Bevatron)的建造。阿爾瓦瑞茲的貢獻在於改造氣泡室,因此可以採用液態氫,以使粒子交互作用的影像更為清晰。他於 1968 年因「他對於基本粒子物理決定性的貢獻,特別是經由發展氫氣泡室技術及數據分析,發現了大量的共振狀態」,獲得了諾貝爾物理獎。

阿爾瓦瑞茲早期對於宇宙線的研究,讓他得以於 1965 年提議利用緲子(muon)斷層掃描來搜尋埃及金字塔內之前未發現的密室。阿爾瓦瑞茲和他跨領域團隊的物理學家,以及考古學家放置火花室在齊夫林(Chephren)第二座金字塔下方已知的一個墓室,以偵測進入的宇宙線,並且測量宇宙線碰觸墓室堅硬石塊的偏斜程度。然而,緲子會直接通過墓室,使得影像呈現空白。

1967 年,以阿六日戰爭短暫終止此實驗,但戰後很快地恢復,阿爾瓦瑞茲團隊持續兩年收集宇宙線資料。在 1969 年的美國物理年會中,阿爾瓦瑞茲報告說,他們已成功勘測大約 19 % 的金字塔,沒發現有隱藏的墓室。他和他的同僚也於 1970 年 2 月將結果發表論文在《科學》(Science)雜誌。

阿爾瓦瑞茲與生俱來的好奇心時常讓他在物理實驗室外也能展露長才,當《生活》雜誌於 1966 年刊登美國甘迺迪總統被暗殺的照片時,阿爾瓦瑞茲就將他在光學和照片分析上面的專才應用到那些照片上。他在非正式的淺顯論文中所概述的結論不同於當時許多廣為流傳的陰謀理論。例如,他發現甘迺迪頭向後的那張快照,就是從後方射擊所會發生的情形,他指出幾個美國聯邦調查局所分析的錯誤或疏漏。

阿爾瓦瑞茲的兒子瓦爾特(Walter)是個地質學家,他對義大利中部石灰岩峽谷地層的黏土薄層非常感興趣,提出恐龍滅絕之地,就在白堊紀-古近紀界線。阿爾瓦瑞茲父子和勞倫斯柏克萊實驗室的核化學家合作,於 1980 年發表一篇爭議性論文,論及大滅絕事件是由於小行星類的外星球因素所引起的。

地質學家提出嚴厲批評,但隨後的黏土分析顯示出黏土含有令人震驚、唯有在高壓與高溫下才能形成的石英結晶、微小的鑽石、以及稀有礦石。在阿爾瓦瑞茲過世後 10 年,科學家在墨西哥海岸外海發現希克蘇魯伯(Chicxulub)撞擊隕石坑,更支持此理論。到 2010 年,科學家大都同意這顆小行星的撞擊確實引發物種滅絕,徹底消滅了恐龍。

1988 年,阿爾瓦瑞茲因食道癌手術併發症而過世,但他開創宇宙線成像技術所遺留下的資產持續開花結果。除了埃及金字塔外,宇宙線還曾用來繪製火山(如維蘇威火山)和其他考古地點的熔岩流,以及探測義大利佛羅倫斯聖母百花聖殿(Brunelleschi’s dome)的結構。

 

 

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