【物理史中的八月】1969 年 8 月 9 日: 發現 π 介子開啟粒子世界新大門的鮑爾(Cecil Frank Powell)辭世

1969 年 8 月 9 日: 發現 π 介子開啟粒子世界新大門的鮑爾(Cecil Frank Powell)辭世

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鮑爾(Cecil Frank Powell)

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)

1932 年,英國物理學家查兌克(James Chadwick,1935 年諾貝爾物理獎)宣佈發現了中子,除了將當時所知的基本粒子由三個(光子、電子、質子)增加為四個之外,物理學家也馬上確認原子核是由質子和中子所組成。但新的問題出現了,是什麼樣的作用力可以讓質子和中子們相互拉扯,住在原子核那麼小的空間中?要構成原子核這樣的強固結合體,萬有引力和電磁力都嫌太微弱了。

日本理論物理學家湯川秀樹(Hideki Yukawa,1949 年諾貝爾物理獎)在 1935 年援引萬有引力和電磁力的例子,提出「核力場」的想法,並從原子核的大小,估計「核力場」的量子──即傳遞質子和中子之間作用力的粒子──的質量應約為電子的 200 倍左右。年輕的湯川秀樹時年 28 歲,是大阪大學的講師。

1947 年,鮑爾(Cecil Frank Powell)宣佈在宇宙線中發現了湯川秀樹所預測的粒子,命名為 π 介子,為粒子世界開啟了一扇新大門。

鮑爾於 1903 年 12 月 5 日出生,家族世居英格蘭南方肯特郡的湯布里奇城。他的祖父彼得是個槍枝商,在一次與友人到野外打獵時,有一子彈經樹幹跳飛,傷及獨眼擊鼓人僅剩的那一眼。經過冗長的訴訟,雖然彼得最後勝訴,卻讓他耗盡家財,加上槍枝行業日漸工業化,在他父親接手之後,很快就破產,只好去哥哥的電氣行當店員,鮑爾當時只有三歲。所以小時候鮑爾家裡經濟相當拮据,母親得靠接納房客來貼補家計,父親則偶爾到鄰近村莊農地射獵野兔、山鶉等野味帶回佐餐。雖然困苦,但鮑爾的童年還是充滿不少愉悅回憶,像跟隨他父親在炎熱夏日到麥德威河垂釣,整天靜靜地望著緩緩流動的河水,河谷中的果園、野花、樹林和池塘都深刻留在他的腦海中。

鮑爾的外祖父是個小學校長,很重視知識。母親的一個兄弟,從劍橋大學畢業後,擔任工程師,之後出版商,一直都很成功,所以他母親也非常重視鮑爾的教育,時常關心他的學習狀況。

當鮑爾 5 歲時,父母就讓他上小學,他最喜歡的課程之一是木工。12 歲時獲得獎學金進入著名的賈德中學(Judd school)就讀,其間他曾按照化學課本所述,自行購買稀硫酸、顆粒鋅、燒瓶、橡皮塞和漏斗等,在家實驗製造氫氣。結果當他以蠟燭察看是否有氫外漏畤,意外發生爆炸,這些都反映出他天生喜歡動手實作的一面。此外,受到物理老師查威士的指導和影響,他也決心要朝物理方面發展。

由於在賈德中學的表現出色,所以鮑爾於 1921 年獲得獎學金進入劍橋大學雪梨索塞克斯學院 (Sidney Sussex College),並於 1925 年以物理科第二名的優異成績畢業。畢業後,鮑爾起先曾想跟隨外祖父的腳步成為一名教師,也找好了學校,但在有些猶豫下,便去找卡文迪西實驗室主任拉塞福(Ernest Rutherford,1908 年諾貝爾物理獎),看能否當研究生。拉塞福同意後便安排威爾森 (C. T. R. Wilson,1927 年諾貝爾物理獎)作為他的指導教援。

威爾森當時因為發明了雲霧室,可以直接觀測帶電粒子,如 α- 粒子和電子的軌跡,已經很有名。威爾森給鮑爾的研究題目是,設計一個全由玻璃製成的雲霧室,以探討在不同溫度下,照相出來的質點軌跡是否會更清晰。研究的結果雖然對雲霧室的改進沒有什麼貢獻,但他發現,在急速膨脹的蒸氣中,超飽和是造成蒸氣從噴嘴射出時會高度放電的原因,有益於之後蒸汽渦輪機的設計。

在鮑爾完成論文研究前,布里斯托(Bristol)大學威爾斯物理所所長廷得 (A.M. Tyndall)到卡文迪西實驗室面試他,延攬他到布里斯托當助理研究員。鮑爾於 1928 年春天搬去布里斯托,之後除了 1935 年參加探險隊到加勒比海的蒙哲臘島(Monteserrat)觀測火山活動之外,一生都在那裡從事研究和教學工作,其間擔任過威爾斯講座教授、所長以及副校長。

廷得給鮑爾的第一個研究工作是,精確測量離子在氣體中的遷移率 。1935 年,廷得為了提升他物理所的國際地位,決定發展核物理,所以鮑爾從加勒比海回來後,請他除了設計雲霧室外,更負責建造一個 750 kV 的柯克勞夫-沃吞加速器(J.D. Cockcroft-E.T.S. Walton, 1951 年諾貝爾物理獎),以加速質子和氘核,來研究中子和質子的散射。

在加速器於 1938 年初開始加速質子的時候,當時因為躲避納粹到布里斯托工作的海特勒(W. Heitler,1904-1981著名德國理論物理學家)告訴廷得和鮑爾,說有一篇論文報告,使用半色調照相乳膠(halftone photographic emulsion),成功地測到宇宙線粒子,由於這種方法極為簡單,建議他們到山頂上去重複類似的實驗,結果果然相當不錯。

初步的成功讓大家深受鼓舞,馬上想到是否可以改用照相乳膠來取代雲霧室,做為偵測核反應所產生的粒子,因為在一個典型的實驗中,要測定中子的能譜,需要照 36,000 張相片,再費時六個月分析,而採用照相乳膠,只要一、二天就可完成,且結果更為精確。 所以從 1939 年春天起,鮑爾積極投入改進照相乳膠法的精密度,以及如何設計可以精確量測軌跡特點的研究。其實在那時候,英國核物理界普遍認為照相乳膠法不適用於定量分析的工作,覺得鮑爾在浪費時間。鮑爾事後回想,慶幸當時不知道其他實驗室相關的失敗經驗和看法 。

由於鮑爾決定採用照相乳膠板做為偵測器,所以雲霧室沒完成,加上二次大戰爆發,加速器也在 1940 年停擺。此外鮑爾於 1941 年動了盲腸手術加上腹膜炎,都影響了鮑爾戰時的研究工作。

1945 年,曾在卡文迪西實驗室工作的奧克查里尼(G.P.S. Occhialini, 1907-1993, 義大利實驗物理學家)在戰爭結束前,從巴西回到英國,加入鮑爾的團隊。奧克查里尼很看好照相乳膠法,積極與製作膠片的伊爾福公司聯繫,改進乳膠板,完成後帶到庇里牛斯山南峰的法國天文台去試驗,再帶回布里斯托沖洗。在顯微鏡下,密密麻麻各種慢速質子以及高能宇宙線的軌跡都被清楚地記錄下來。大家都很興奮,如同闖入高牆內豐盛的果園。

在多次高山和高空氣球的宇宙線實驗中,重複出現一種「錘子式軌跡」,而且長柄的長度幾乎都一樣,令人感到困惑。經過詳盡的分析,鮑爾的團隊認為,主軌跡源於一個比較重的新介子,而造成長柄軌跡的粒子,則與 1936 年安德森(C. D. Anderson, 1903-1991, 1936 年諾貝爾物理獎)和聶德邁耳(S. Neddermeyer)在海面的宇宙線中發現的介子是相同的,並分別命名為 π- 介子和 μ- 介子,質量各為電子的 274 和 212 倍。後來他們又發現了一種更重的介子,即後來的 K- 介子。這些新介子的發現,標誌著粒子物理時代的來臨。

帶負電的 π-- 介子進入固體內時,馬上會被原子捕捉,跟原子核作用,致其分裂,顯示它跟原子核內部的核子有很強的作用力,所以 π- 介子很像湯川秀樹所預測之「核力場」的量子。這種說法很快地得到物理界的認同,湯川秀樹因此於 1949 年獲得諾貝爾獎,大幅提振了戰敗的日本國民士氣。一年後,諾貝爾物理獎頒給鮑爾,因他發展出研究核反應過程的照相法,並以之發現介子。π- 介子的發現,提供了研究核作用理論的起點。

獲頒諾貝爾獎後,鮑爾的宇宙線實驗,規模越來越大,開啓多國團隊合作實驗的模式,為成立歐洲核子研究組織 (CERN) 提供了很好的參考經驗。鮑爾也一直積極參與 CERN 的運作。

戰後,鮑爾的政治立場明顯偏左。由於看到原子彈和氫彈驚人的殺傷力,在得獎之後,他開始聯繫各國的研究夥伴,積極與羅素等人攜手疾呼廢除核武器,1955 年發佈的羅素-愛因斯坦宣言,他也是 11 個簽名者之一。之後他一直積極參與帕格沃什(Pugwash)科學和世界事務委員會,並於 1967 年被選為主席。蘇聯科學院於 1967 年頒給他最高榮譽「羅蒙諾索夫獎」(Lomonosov),多少跟這些活動對蘇聯綏靖的傾向有關。

鮑爾於 1932 年與阿特娜(Isobel T. Artner) 結婚,婚後非常幸福。她對他生活所有層面都給予完全的支持。他們育有二個女兒,大女兒出生時,鮑爾覺得收入不夠用,申請到一個薪水超過二倍的大企業做研究工作,但阿特娜加以否決,因為她知道,鮑爾在商業環境中工作不會快樂。認識他們夫婦的人都認為,鮑爾對科學真諦、目的,以及它對政治的影響和後果的深刻認識,很大一部份要歸功於阿特娜。

1969 年 8 月,鮑爾夫婦去義大利北部阿爾卑斯山區渡假,9 日在山腳下散步時,鮑爾突然過世,享年 65 歲。

 

 

進一步閱讀:

1. Cecil F. Powell, “Fragments of Autobiography”, Bristol University, 1987.

2. C. Frank and D. H. Perkins, “Cecil Frank Powell” in “Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society”, Nov., 1971, Vol. 17, pp. 541-563.

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