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核科学群英谱(16):第一个看到正电子的学者 赵忠尧

已有 20123 次阅读 2022-7-31 18:57 |系统分类:科普集锦


古今中外各行各业都有人“命好”,甚至很大程度上因为环境优越、消息灵通而成功,也有些人因为受到各种客观条件限制而令人唏嘘不已。本文主角赵忠尧先生(1902.06.27-1998.05.28)是第一个在实验中干净漂亮地观测到正负电子湮灭辐射的学者,然而各种曲折原因导致这一重要发现并没有被彼时的物理学界所认知,因而也与诺贝尔物理奖失之交臂。

赵忠尧出生于浙江诸暨城关镇赵家弄堂(现西施大街东),因战祸所及,到了祖父一辈已然破落;父亲赵继和因幼失怙恃,所受教育相对较少,然而他十分好学,童年不幸反而磨练个人意志,自学医术后行医为生,养就家国情怀。赵忠尧有两个姐姐,在他出生时母亲已经46岁(老来得子),加上赵忠尧幼时身体比较弱,因而家里怕出意外而对他格外呵护(不过也导致赵忠尧体育成绩不好)。好在赵忠尧很懂事,听从父亲教导,努力读书、顺利成长。赵忠尧早慧、求知欲强,小学和中学期间阅读了大量书籍,传统古文诗词的学习为以后在面对困境时坚忍不拔提供了思想文化基础。

1920年赵忠尧考入完全免费的南京高等师范学校(同年南京高等师范学校扩建为东南大学),先在化学系学习,不过后来很喜欢数学和物理。1924年春他已经提前修完了高师的学分,彼时他父亲去世、家庭贫困,于是先就业应聘为东南大学物理系为叶企孙先生作助教, 深得叶先生器重。赵忠尧边工作边修学分,补足高等师范学校与本科学分差额,次年顺利从东南大学毕业后随叶企孙先生去清华大学教物理实验课程。1927年秋天他与郑毓英女士结婚,不久半自费去美国加州理工学院留学,拜著名物理学家密里根 (Robert Andrews Millikan, 1868.03.22 – 1953.12.19, 1923年诺贝尔物理奖得主)为师。

密里根最初给赵忠尧的博士论文题目时利用光学干涉仪做实验,赵忠尧觉得太简单,于是密里根让他做硬gamma 射线通过物质时的吸收系数测量,实验目的是检验刚刚问世不久的克莱因(Oskar Benjamin Klein,1894.09.15 – 1977.02.05)- 仁科(Yoshio Nishina, 仁科芳雄, 1890.12.06-1951.01.10, 被称为日本近代物理研究之父)公式的适用性。这里有一个趣事,就是赵忠尧依然觉得题目太简单,最后赵忠尧勉强接受这个题目是因为密里根为此发了脾气。根据赵忠尧先生自己的说法,事实证明这个题目不仅能够学到实验技术,在物理上也是很有意义的。

1928年起赵忠尧开始做这个实验测量,那时人们认为gamma 射线通过物质时主要吸收机制是自由电子的康普顿 (Arthur Holly Compton, 1892.09.10-1962.03.15) 散射,即gamma 光子与电子的弹性散射。赵忠尧的实验数据表明克莱因-仁科公式在射线通过轻元素物质情况下是适用的,而在通过重元素(例如铅)时实验测量得到的吸收系数比公式预言结果大了约 40%。1929年底赵忠尧把结果整理成论文,由于他的实验结果表明gamma 射线在穿过重元素时吸收远超理论预言,密里根不太相信,因此论文一直被压了很久没有处理,直到后来代替密里根管研究生工作的鲍文(I. S. Bowen) 教授因为了解情况,确保实验结果的可靠性后论文才投出去发表于美国《国家科学院院报》。实际上除了赵忠尧在密里根指导下做这方面工作外,德国、英国也有同行做类似测量,在硬gamma 射线穿过重元素吸收系数方面的反常结果也同时被发现了,并认为这是原子核作用的结果。

到了这一步,一切似乎都是很正常的了,而面对这种表面上正常结果的态度才是真正考验学者在科学直觉方面的重要时刻。赵忠尧此时提出进一步研究这个反常吸收系数的物理机制,并设计新的实验来观测重元素对于硬 gamma 射线的散射。当时鲍文教授说:“测量吸收系数作为你的博士学位论文已经够了,结果也已经有了。不过如果你要进一步研究,当然很好”。按照多数人的做法也可能就算了,因为彼时距离他毕业也只有半年时间了。赵忠尧这时显示了一个大学者的气度,他决心一试

可是实验一开始,赵忠尧就遇到了麻烦。那时实验中的关键仪器是一种真空静电计,那时学校工厂仿制了这个测量仪器。在这个静电计中有一根非常细的白金丝,白金丝的上端通过焊点与电离室的电极连接,下端接着指针。在实验接通电源后指针很长时间都不能到达稳定点。密里根也束手无策,让他自己想办法。其它使用这批仿制静电计的人都认为这是环境振动影响导致的,想了很多办法避免振动,结果故障一直不能排除。这时赵忠尧考虑这个故障应该是导电不良的原因,于是他在焊点滴了一些导电的炭黑墨水,立即解决了问题。由此可见,实验故障也是千奇百态,只有经验极其丰富和素养很高的实验家,才能达到手到病除的境界;如果不能排除看似简单的故障,实验就无法开展,或者测量结果“本底噪音”太大。

这个实验非常成功,实验结果很干净、很漂亮。这个实验测量表明了在重元素对于硬gamma 射线 (反常)吸收过程中除了克莱因-仁科机制以外,还存在一种未知的辐射机制。通常康普顿散射的光子主要在朝前方向,朝后方的光子能量低、强度弱。实验结果还表明这种新机制辐射的能量大约等于一个电子的质量(0.5 MeV),而且角分布是各向同性的(即任何方向观测到的这种新机制辐射强度都是一样的)。这个重要论文整理后,发表于美国的物理评论期刊 [C. Y. Chao, Scattering of Hard gamma-rays, Phys. Rev. 36, 1519 (1930)]. 密里根教授对这个工作很满意,在他的专著中多次引述赵忠尧论文的结果。

很多人可能认为,科学问题只要做得好、做得对,在论文里也阐述明白了就应该立即得到承认。这可不一定!赵忠尧先生这个实验很干净漂亮,本底和涨落都很小,而且因为是新现象,所以学界很感兴趣,但是当时其它实验组实验设计不够好,因此都没有重复出来,那些实验结果解释的不确定度比较大,甚至相互不一致,有些论文对赵忠尧结果的引述还有错误。如果一直是这种情况,最初公布的实验结果有大概率会被不了了之而被学界完全忽视。

不过,这个时刻一个接力者出现了,这个人就是赵忠尧先生的同学安德森(Carl David Anderson, 1905.09.03--1991.01.11)。作为同一个导师指导下的同学,安德森当然理解并知晓赵忠尧先生的结果,他们在一起也多次讨论过,而且都认为应该用云室继续做这个实验,可惜这个想法因为各种原因限制赵忠尧先生后来一直没能实现这个愿望。安德森在赵忠尧先生论文发表一年后在研究宇宙射线过程中看到云室照片里一个意外的粒子径迹,根据初步猜测认为是一个粒子具有与电子相同的质量不过带有正电荷,这个结果发表在1932年[Carl. D. Anderson, Science 76, 238 (1932)],并且这个结果被其它人重复出来了。这个结果当然很有意义,因为假如他的猜测是正确的,就相当于证实了狄拉克关于正电子的预言。为了进一步更有说服力地证明确实存在这个粒子,他用云室做了与赵忠尧实验相类似(部分细节上完全借鉴了赵忠尧的实验)的实验设计,结果观测到了正负电子对, 论文发表于1933年[Carl D. Anderson, Physical Review 43, 491 (1933)],他也因此获得了1936年诺贝尔物理奖

我们这里绝对不能简单认为安德森后来第二步实验可有可无,实际上在第一篇Science 文章中,他自己也认为存在多种可能;一直在他发表于1933年的 Physical Review 论文的引言部分,安德森说前面的实验结果物理解释有多种可能和很多疑点,这个结果只有在赵忠尧先生工作基础上的云室实验之后才变得真正有说服力。这里引述一下1933年他在Physical Review上发表的论文第二段:“… … and a brief report was then published with due reserve in interpretation in view of the importance and striking nature of the announcement.”. 他第二个实验设计当然极大程度上参考了赵忠尧先生的实验。在安德森的个人介绍中也明确地说,这个发现受了他的同学赵忠尧先生的工作的启发,赵忠尧的研究是安德森第二步工作的基础,而那时以及后来很长时期物理学界并没有对此予以充分认可 [Anderson acknowledged that his discovery was inspired by the work of his Caltech classmate Chung-Yao Chao, whose research formed the foundation from which much of Anderson’s work developed but was not credited at the time (维基百科英文版Anderson个人传记部分的第一段末https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_David_Anderson )].

这里为了方便我们解释说明二点。第一点是关于赵忠尧观测到的反常吸收系数、反常辐射与安德森发现电子的关系。赵忠尧以及其它研究组都发现的反常吸收机制是入射的一部分gamma 射线经过原子核时转化为了正负电子对,而由赵忠尧首次发现的反常辐射实质是一对正负电子湮灭成为一对光子。安德森的第二次实验设计很大程度上参照了赵忠尧的实验设计。第二点是赵忠尧先生在发现正电子过程中的重要贡献后来被人们重新提起并重视起来的缘由,这一点我们大家都应该感谢杨振宁教授。杨振宁从1983年起用了不少时间收集整理资料,写成论文发表以澄清这段历史,杨先生很著名,他的话很多人都会放在心里认真考虑;或许,安德森不一定十分愿意公开承认这一点,毕竟这个承认也是过了五十年之后。如果安德森自己内心里很希望把应有的社会认可和名誉给赵忠尧,为什么还要过了五十年才说呢?!

当然,遗憾毕竟是遗憾。假如当时公平公正地对待此事,赵忠尧先生确实有很大几率作为第一个观测到正电子导致的现象并提供了真正确认正电子实验方案重要参考的人而在1936年与安德森一起获得诺贝尔物理奖。 这主要还是因为天不遂人愿,赵忠尧那时不能像安德森那样长期在加州理工学院安心做研究,上帝留给他在那个环境里的时间并不多。他在1931年短暂访问了卡文迪许实验室的大师卢瑟福(见《核科学群英谱(2): 原子核物理学之父 卢瑟福》, https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1343358.html ), 此后就返回中国了,假如他能一直在加州理工学院工作,境遇和结果肯定大不一样。

赵忠尧先生回国后,把相当大的精力用于教学和建立实验室方面,立足于国内先后开展了gamma 射线、人工放射性、中子共振等方面的科研工作。他和同事还忧国忧民,探索和尝试各种救国之路,包括科学救国、平民教育、工业救国等。他和同事(叶企孙、施汝为等) 用个人存款集资创办了铅笔厂,这个铅笔厂几度易名,即为后来的中华牌铅笔厂。

1945年赵忠尧先生离开清华大学,短暂担任中央大学物理系主任。1946夏天,美国在太平洋的比基尼岛进行原子弹爆炸试验,赵忠尧先生作为中国科学家的代表前往参观,并受托采购一批原子核物理的实验器材。在采购器材过程中赵忠尧得到了麻省理工学院电机系静电加速器实验室主任约翰-乔治-特朗普[John George Trump, 1907.08.21 – 1985.02.21, 曾荣获美国国家科学奖章, 他是美国第45届总统唐纳德-特朗普 Donald Trump 的亲叔叔。特朗普总统的父亲佛雷德里克-克里斯特-特朗普(Frederick Christ Trump,1905.11.11-1999.06.25)为兄; 他们还有一个姐姐伊丽莎白-特朗普 (Elisabeth Trump, 1904-1961), 见英文版维基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Family_of_Donald_Trump#Family_tree ] 的极大帮助。赵忠尧先生在麻省理工学院加速器实验室学习了半年时间后,去卡内基的地磁研究所访问半年学习离子源技术。由于国内战事影响,赵忠尧留在加州理工学院短期工作,1949-1950年历经艰难(故事情节几与钱学森回国雷同,先是美国联邦调查局阻挠、后来扣去许多书籍和期刊文献,在日本又被美军关在日本巢鸭监狱,直到国内和国际学术界声援下才被释放)于1950年11月回到中国大陆。

赵忠尧先生回国后很快就到中国科学院近代物理研究所工作,着手核物理实验室建设,他和同事利用从美国采购的部件和器材,于1955年装配完成中国第一台 700 keV 质子静电加速器,此后又高质量地建造了一台2.5 MeV的高气压型质子静电加速器(1958年完成),这个过程在国内培养了加速器领域一批中青年科技骨干。1958年中国国科学技术大学建立,赵忠尧兼任近代物理系主任,在教学科研两方面一直不懈努力,在他的领导下近代物理系很快建立了一个专业实验室,开设多个原子核方面的实验。非常不幸的是,赵忠尧先生后来政治运动中遭受冲击,被隔离审查多年。七十年代初高能研究所成立后,赵忠尧先生又积极参加与高能所建设相关的学术讨论、工作和会议。

赵忠尧先生与诺贝尔奖擦肩而过,不过后人还是没有忘记他在发现正电子过程中的重大贡献,中国核物理学界也从未忘记他在国内创业期所建立的丰功伟绩, 包括回国后建立中国第一个核物理实验室、第一台静电加速器、建立科大近代物理系等,他在数十年教育教学的生涯中培养了中国一大批人才。根据叶铭汉院士的说法,赵忠尧先生“培养了几代核物理和粒子物理学家,是两弹一星元勋王淦昌、赵九章、彭桓武、钱三强、王大珩、陈芳允、朱光亚、邓稼先的老师”,钱伟长说:“我的老师赵忠尧教授是中国原子能之父,王淦昌、钱三强等都是他的学生 … … 只有这样爱国老师才能培养出那么多优秀人才”。

赵忠尧先生在晚年说:“六十多年来,我一直为祖国兢兢业业地工作,说老实话,做老实事,没有谋取私利、没有虚度光阴“。这几句话看似平常,其实真正能如赵忠尧先生那样贯穿始终者是很少的。赵忠尧先生是中国近代学界的一座丰碑,是后辈学者的楷模。

 致谢:本文作者感谢张焕乔、张丰收、孟杰等老师们在本文发表之前的惠读。




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