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差點泡湯的氣泡室,讓更多基本粒子被發現

【科學史上的今天】9/21——格拉澤誕辰(Donald A. Glaser, 1926-2013)

格拉澤設計的氣泡室。圖/Public Domain

格拉澤設計的氣泡室。圖/Public Domain

1953 年 4 月,美國物理學會在華盛頓特區舉辦一連三天的研討會。第一天的午餐時間,出生於 1926 年 9 月 21 日、還是菜鳥學者的格拉澤(Donald A. Glaser)端著餐盤,好不容易找到一張桌子坐下。他目光掠過四周的人聲鼎沸,懷疑到了最後一天星期六還會有多少人留下;尤其他的演講排在最後十分鐘,到時恐怕只有小貓兩三隻。

格拉澤要講的是自己去年發明的「氣泡室」(bubble chamber),他相信這比「雲霧室」更能捕捉到基本粒子的足跡。他的指導教授安德森(Carl D. Anderson)就是在 1932 年用雲霧室發現正子,而榮獲諾貝爾物理獎;他跟了安德森三年,對雲霧室已瞭若指掌,總覺得除非大刀闊斧改造,否則難再有進展。因此 1949 年取得博士學位、至密西根大學擔任講師後,仍一直思考這件事。

他想到:可以用液體取代氣體;用活塞增加壓力,使液體的沸點提高,再將液體加熱到接近沸點,穿越液體的基本粒子會將撞擊到的原子離子化,並因高溫而產生細微的氣泡。此時拉開活塞降壓,氣泡就會逐漸變大而清晰可見,就形成基本粒子的運動軌跡了。

1952 年,他做出約拇指大的迷你氣泡室,實驗成功後,興沖沖地跟「美國原子能委員會」與「國家科學家金會」申請研究經費,卻都遭到質疑而被拒絕。看來這次大會也持保留意見,才把他的演講排在這最冷門的時段。

格拉澤正想得出神,突然聽到有人問他能否一起坐,他回過神來,原來是在核子物理界頗負盛名的阿瓦雷茲(Luis Alvarez)。兩人攀談起來,果然阿瓦雷茲週末也不會留下來,但聽完他的說明後,阿瓦雷茲眼睛一亮,鼓勵格拉澤絕對不要放棄。原來阿瓦雷茲正在加州大學柏克萊分校參與建造當時最大的粒子加速器,如果格拉澤的氣泡室真的可行,絕對能如虎添翼,發現更多次原子的秘密。

格拉澤回去後,繼續注入不同液體到氣泡室中,實驗何種效果最好。1959 年,他應阿瓦雷茲之邀,到加州大學柏克萊分校任教,參與打造 2 公尺長的氣泡室,用於粒子加速器。啟用後,果然捕捉到以往未曾發現的基本粒子軌跡。格拉澤隨即於 1960 年因發明氣泡室而獲頒諾貝爾物理獎;阿瓦雷茲也因在氣泡室中發現大量的粒子共振態,獲得 1968 年的諾貝爾物理獎。

氣泡室的成功讓許多當初不看好的人跌破眼鏡,包括粒子物理權威費米。他比格拉澤更早有此構想,但計算後發現並不可行,並寫在教科書上。格拉澤後來接受訪問時便說:沒有人會質疑從不犯錯的費米;好在自己當時沒看過這本教科書,否則絕對早就放棄氣泡室的構想了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。