[物理史] 赫斯（Victor Hess）在日全蝕時以氣球飛行測量宇宙線

赫斯（Victor Hess）在日全蝕時以氣球飛行測量宇宙線
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2010年4月）

現在，我們理所當然地認為地球大氣層不斷受到源自太陽系統外很遠處的高能宇宙線的衝擊，但以前並非如此認定。這都是因為一個 29 歲的奧地利物理學家赫斯（Victor Hess）確切發現了宇宙線，並繼續奉獻他傑出的科學生涯研究輻射線對人體的影響。

赫斯於 1883 年 6 月出生於奧地利，父親是奧廷根．瓦勒斯坦王子（Prince Oettingen-Wallerstein）的莊園林務長。他 1901 年進入格拉茲大學（the University of Graz），23 歲獲得博士學位。赫斯起先計畫跟隨知名的物理學家，為物理訂光速符號為「c」的德汝德（Paul Drude）研究光學。但很不幸地，德汝德在他預定抵達的幾個星期前自殺身亡了。

年輕的赫斯結果接受了維也納大學的職位，在早期研究輻射的先驅艾克司納（Franz Exner）下研習。在艾克司納的指導下，赫斯開始研究輻射和大氣電學。就在他於奧地利科學院鐳研究所當助理期間，他常常讀到驗電器偵測到電荷的報告，無論那些容器絕緣得多麼好都一樣，令他深感困惑。當時大多數的科學家都相信電離源來自大自然界的陸地─陸地上礦物質的放射線─並推測在大氣中所測得的電離會離地面越遠而越少。

之前用驗電器所做的實驗對大氣中的電離程度有粗略的估算，然而那些結果顯示出，電離程度在超過某一高度時卻可能會增加。例如，午夫（Theodore Wulf）於 1910 年測量巴黎艾菲爾鐵塔底部和塔頂的電離量，發現在 300 呎（塔頂）的電離量比假設它只源於地面輻射的預期多很多。其他的科學家將儀器架設在氣球上，記錄高度較高時的電離量，但因他們的儀器有瑕疵，無法得到確切的結果。

赫斯推測電離的主要來源也許是天空，而不是地上，因此他著手研究此問題，首先設計可以承受在高空處溫度和壓力變化的儀器。他還測定地面輻射在高度 500 公尺處即不再產生電離。

之後，赫斯將他的儀器架設在氣球上，在 1911-1913 的 3 年間分別升空 10 次，測量電離程度。他發現一開始電離量隨著高度而減少，然後開始急遽上升，在幾哩高處時，它的電離量比在地球表面大好幾倍。赫斯下結論說：「有一種穿透力很強的輻射從上方進入了我們的大氣層。」

另一個最終關鍵性的證據來自赫斯 1912 年 4 月 17 日，在幾近日全食時的升空所得。因為電離在日全食時並未減少，所以赫斯下結論說，輻射的來源不可能是太陽本身，它一定來自更遠的太空。赫斯的發現於 1925 年被密立根（Robert Millikan，1923 年諾貝爾物理獎得主）證實，密立根稱這些神秘的射線為「宇宙線」。赫斯因此發現於 1936 年和發現正電子的安德森（Carl D. Anderson）同獲諾貝爾物理獎。

赫斯獲得諾貝爾獎的故事有一有趣的插曲。2010 年 2 月，義大利物理學家，烏第內大學（University of Udine）的德安吉利（Alessandro de Angelis）在 arXiv（網路論文檔案庫）發表一篇論文，聲稱赫斯不應該獨得宇宙線發現的功勞。德安吉利指出，另一位科學家帕契尼（Domenico Pacini）幾乎在同時得到了相同的發現。帕契尼並非使用氣球來測定大氣層變化的輻射強度，相反地，他到水下測量，把他的儀器置入一個銅箱子中，再將它沉到利弗諾灣（Bay of Livorno）。他的結果是，如此測得的輻射比在地表少很多，因此地殼不可能是宇宙線的來源。

德安吉利第一個將帕契尼實驗的論文翻譯成英文，並指出，赫斯和帕契尼知道彼此的研究，那麼，為什麼我們只記得赫斯，而不記得帕契尼？再說另一個不幸的命運插曲，帕契尼於 1934 年過世，而諾貝爾獎無法於死後再頒發，所以赫斯就獨享宇宙線的榮譽。

在赫斯獲得諾貝爾獎的 2 年後，納粹入侵奧地利，而赫斯突然被解除格拉茲大學（University of Graz）的物理教授職位，一部分因為他太太是猶太人，而另一部分則由於他曾擔任范許士尼格總理（Chancellor Kurt von Schuschnigg）獨立政府的科學代表。一位同情他的蓋世太保（納粹德國的秘密警察）警官警告他說，假如他和太太留在奧地利的話，他們會被送到集中營，所以他們夫婦逃至瑞士。

之後赫斯移民至美國，成了福丹大學（Fordham University）的教授。在廣島被投下原子彈後不到 1 年，他參與首次輻射落塵的測試，有多次是在紐約帝國大廈的 87 樓執行。隔年，赫斯深入曼哈頓，在靠近崔雍堡（Fort Tryon）190 街地鐵站測量花崗石的放射性。

赫斯還和麥尼夫（William T. McNiff）共同開發出「一種總和伽瑪射線的方法」，用以偵測人體內極微量的鐳，如此可在病人危急前即判定他是否鐳中毒。

從福丹大學退休後，赫斯仍繼續做研究，他極有興趣設計一更精確的量表，以顯示人體能忍受的輻射線量，但這很難測定，因為每個人能忍受的程度不同，再加上效應經常是累積性的，可能最久 50 年才會完全顯現。他極力反對核子試爆，說明：「我們至今所知的放射現象太有限，所以無法確切說出地下或大氣上空的核爆對人體是否無影響。」

1964 年 12 月 17 日，赫斯過世，但他的事蹟流傳於世。2004 年，非洲西南部那米比亞的沙漠啟用了一觀測台，用以偵測來自宇宙的伽瑪射線。它被取名為高能立體視野系統（High Energy Stereoscopic System，HESS）望遠境，以紀念發現宇宙線的赫斯。

1912年，赫斯（Victor Hess）在奧地利正準備測量宇宙線。

原文刊載於物理雙月刊2015年4月號37卷第2期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。