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二戰日本核分裂研究:荒勝文策與F計畫—《物理雙月刊》

文/高崇文|中原大學物理學系教授

上一回的阿文開講提到理化研究所在二戰時秘密從事原子彈研究的「二號研究」,這個「二號」是由於核心人物仁科芳雄的頭文字 「に」與「二」一樣的發音。這一回阿文要來開講的則是由日本海軍所主導的 F 計畫。嗯,這個 F 可不是考被試被當掉的 F,而是核分裂的 Fission 的頭文字 F。這個計畫的核心人物,說來跟臺灣也頗有淵源,不知算不算是臺灣之光?他就是臺北帝國大學的荒勝文策(Bunsaku Arakatsu)教授。

荒勝文策

荒勝文策於 1890 年出生於日本兵庫縣姫路市,他的生父叫長田重,但是他過繼給荒勝家成為養子。在從御影師範學校(現已併入神戶大學)與東京高等師範學校(後併入東京教育大學,筑波大學的前身)畢業後,荒勝文策一度在九州的佐賀縣擔任教職,後來他於 1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。京都帝國大學是日本利用甲午戰爭後訂定的馬關條約中國支付的賠款將第三高等學校的法學部與工學部改制而成,是東京帝大之後成立的第二所帝國大學。

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荒勝文策教授。圖 / 公有領域, wikimedia commons

當時的物理系只要讀三年,所以 1918 年 7 月,荒勝從京都帝國大學物理學系畢業,之後他留下來擔任該校講師,接著在1921 年 8 月升助教授。(當時日本的大學分三級:教授、助教授、助手。現在助教授改稱准教授,助手則分成助教以及助手)。

1923 年(大正 12 年)4 月荒勝轉任甲南高等學校擔任教授。甲南高等學校是當時新設立在神戶的一所私立高等學校,著名的粒子物理學家坂田昌一就是從這裡畢業的。跟其他公立高校不同的是他強調體育與德育,而且學生人數很少,相對地學費也不便宜,算是當時的貴族學校吧!

但是他在甲南高校也沒有待太久。三年後的 1926 年 6 月,他被臺灣總督府任命為臺灣總督府高等農林學校(後來併入臺北帝國大學)的教授。不過在此時,荒勝文策並沒有去臺灣,而是以臺灣總督府在外研究員的身分,前往歐洲留學,直到 1928 年 10 月。

留學歐洲,啟發他對核子物理的興趣

在歐洲的這段期間,他曾經短暫在德國柏林大學跟隨愛因斯坦作研究。當時正是波爾與海森堡提出量子力學的哥本哈根詮釋,而愛因斯坦期期以為不可的時候。日後荒勝認為自己受到愛因斯坦很大的影響

之後荒勝到瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH),跟 Paul Scherrer 學習有關鋰原子中自由電子分布的研究。這時 Paul Scherrer 對新興的核子物理產生了濃厚的興趣,也許這影響到了荒勝。所以他接著來到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,當時這裡可是核子物理的聖地,拉塞福以及他的徒子徒孫正展開一系列的核子物理實驗。這段在歐洲的留學經驗,也使原先立志從事理論物理研究的荒勝文策,開始對核子物理實驗產生興趣。

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荒勝文策投入物理學講座全部資源,在助手木村毅一與植村吉明的協助下,他們在台北帝大二號館 101 室開始建造高壓直線型加速器。圖 / Japanese book “Showa History: History of Japanese colony" published by Mainichi Newspapers Company.,公有領域,wikimedia commons

成為臺北帝大首任物理教授

1928 年臺北帝大正式成立了,這是繼東京帝大(1886)、京都帝大(1897),東北帝大(1907) 九州帝大(1911) 北海道帝大(1918)、京城帝大(1924,今天的韓國首爾)之後的第七所帝國大學,比大阪帝大(1931)以及名古屋帝大(1939)還早呢。臺北帝大一開始只有起初只有文政學部、理農學部,1928 年 12 月 26 日為了準備擴充 1929 年度的開課講座,在文政學部增設 4 個講座、理農學部 9 個講座,其中就包括荒勝文策的物理學講座。

荒勝文策於 1928 年 12 月成為臺北帝大物理學講座的首任教授,並開設普通物理與原子論等相關課程。在帝國邊陲的荒勝忙著繼續在歐洲學到的光譜學研究,大概也沒料到他的人生即接迎接一個大轉折,將他帶往人生的高峰。

亞洲第一次成功的核分裂實驗

1932 年 4 月英國劍橋大學卡文迪西實驗室的 John Cockcroft 與 Ernest Walton 利用新造的高壓直線加速器將質子加速,然後去撞擊鋰原子,結果得到兩個 α 粒子!這在當時被譽為是現代煉金術。之前大家只能用天然的放射源,放射出來的 α 粒子能量不足以將鋰原子核撞裂,而高壓直線加速器的發現讓物理學家搖身一變成了現代的鍊金師了。他們的結果刊登在《自然》期刊,一篇簡單介紹他們的新加速器,接著一篇介紹裂解鋰原子的實驗結果。

在閱讀這兩篇論文之後,荒勝向助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」於是荒勝文策投入物理學講座全部資源,在助手木村毅一與植村吉明的協助下,他們在臺北帝大二號館 101 室開始建造高壓直線型加速器。兩年後,1934年(昭和 9 年)7 月 25 日晚間(因為白天太熱)他們成功了!這是亞洲第一次,也是世界第二次的分裂原子核的實驗。該次實驗重現並證實了 1H1+5B11→32He反應,並發現用高速氘離子撞擊鋰也能使鋰同位素產生 1H2+3Li6→ 22He反應。當時轟動整個日本的物理學界。

木村毅一也是從京都帝大畢業,他跟湯川秀樹以及朝永振一郎是第三高校以及京都帝大的同期生。他是 1930 年來到臺北帝大。植村吉明則是生於日本兵庫縣的一個小村莊中。隨後,他與家人一同遷居到當時屬於日本領土的臺灣,並在該處接受教育。1929 年,他從臺北的一間技職型高中畢業,並在同年至臺北帝大任職,加入了物荒勝的實驗團隊,成為其雇員。還有一位太田賴常是助教授,則是奈良人,也是京都帝大畢業的。他負責提煉重水。有趣的是整個團隊都是關西來的。不知平常實驗室是不都講關西弁呢?

順便廣告一下,二號館後來變成臺灣大學物理系館,101 室就在學生戲稱「陰氣很重,夏天不用冷氣一樣涼颼颼」的系館穿堂的旁邊。多少年來莘莘學子來來往往,確都不知道這裡曾有過如此輝煌的歷史呢。現在二號館 101 室已經改建為臺大物理文物廳,記錄原子核實驗室加速器建造過程以及重建過程也被拍成科學史紀錄片《衝破原子核》大家應該去參觀一下。

回到日本

在 1935 年於臺北帝國大學舉辦的日本學術協會第 10 次大會的物理學會議中,荒勝文策報告了他的研究成果,當時應邀來臺的仁科芳雄聽了之後非常激賞,很快便邀請他回京都帝國大學任教。很快地荒勝文策在 1936 年(昭和 11 年)11 月轉任京都帝國大學教授,接任石野又吉的物理學第四講座。木村毅一、植村吉明二人也一同轉任京都帝國大學,專長為重水製造及分光學的太田賴常則留在臺灣,物理學講座由同為出身京都帝國大學的物理博士、專長於宇宙射線物理的河田末吉接手。

而他們蓋的加速器之主設備,就被荒勝文策攜回日本內地去了。荒勝文策繼續進行他的核子物理研究。在京都帝大重新建造了高壓直線型加速器,並建造回旋加速器。1939 年,荒勝文策與萩原德太郎利用該加速器,測定出平均每次一個鈾 235 原子核分裂會釋出 2.6 顆中子。

除了利用加速器進行實驗,荒勝文策也曾與木村和植村一同利用宇宙射線進行高能物理研究,並將其實驗結果發表至 1937 年 8 月的《自然》雜誌上。另外,他也開設了實驗原子核物理學與量子力學等課程,甚至連爾後於 1949 年成為日本首位諾貝爾物理學獎得主的湯川秀樹也去旁聽他的課程。當時湯川是大阪帝大的助教授。1939 年湯川成為京都帝大的教授,成為荒勝的同事。

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荒勝文策與京都大學加速器的合照。圖 / By 時事通信社,公有領域,wikimedia commons

F 計畫

1941 年(昭和 16 年),荒勝文策成功利用鋰原子與質子反應產生的伽瑪射線,使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要跟原子彈計畫結緣。日本海軍一開始對原子彈深感興趣,但是在得知需要投入大量資源,而且可行性不高後就放棄了。但是中途島海戰後,失去許多主力艦的海軍,回頭開始重新思索,希望開發新武器來扭轉戰局。也有一說是一開始海軍只是因缺石油想利用核能,後來才想回頭考慮製作原子彈。(前一陣子伊朗的核濃縮不也說是要開發核能嗎?只是全世界第二大產油國要開發核能,沒人相信罷了。)

艦政本部的磯恵大佐是京都帝大的校友,於是他找上了荒勝文策。戰後各方證言對 F 計畫何時開始可以說是眾說紛紜,從 1942 年 10 月到 1944 年 9 月各種說法都有,在盟軍佔領當局 GHQ 的文獻則說是 1943 年 5 月。這個就留給專業史家來決定了。

F 計畫跟二號計畫最大的不同是荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235,而不是熱擴散法。他估計需要每分鐘旋轉十萬次以上的離心機才能將較輕的鈾 235 與較重的鈾 238 分離。當時日本國內專做船舶引擎的北辰電機與東京計器頂多只能做到每分鐘 3~4 萬轉,受制於高速旋轉產生的磨擦現象。東京計器與荒勝的實驗室都想將空氣壓縮再灌倒扇葉上產生高速旋轉。同時荒勝也找上古屋的住友金屬工業幫忙,因為離心機要承受相當於 10 萬 G 的壓力,憑自己的力量根本無法掌握。但是住友金屬沒多久就被炸成廢墟了。

一直到戰爭結束,荒勝都沒有蓋出他需要的離心機,F 計畫是徹底地 F 掉了。倒是配合荒勝的理論部門,以小林稔為首,算出鈾 235 的臨界質量。聽說是小林稔用機械式計算機去解擴散方程式得到答案的。湯川秀樹也在 F 計畫理論部門工作過,只是實際上他負責什麼,因為沒有資料只能留白了。

調查廣島原子彈

1945 年 8 月 6 日,美軍在廣島投下原子彈,造成廣島死傷慘重。為了明白災情,荒勝文策被海軍大臣米內光政委任原子彈爆炸受害區域的調查任務,與京大醫學部的杉山繁輝教授共組原爆災害調查班,於 8 月 10 日到廣島以了解原子彈的影響力。為了取樣,在毫無防護設備的情況下進入原爆災區,當天他與仁科芳雄都參加了大本營在廣島開的會,會中他們一致認定丟在廣島的是原子彈。

8 月 12 日他在完成對廣島土壤的 beta 射線的測量後,翌日又跑去廣島做更一步的調查。8 月 15 日他對海軍提出完整的調查報告荒勝文策精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在 1/5 秒至 1/2 秒之間。數據計算之精確,震驚世界。據說他還跟木村毅一說,快去比叡山架好觀測臺與偵測器,因為美軍下一個對象是京都,對核子物理學家來說,這可是千載難逢的機會。所幸這事沒有成真。

研究設備慘遭聯合國銷毀

聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於 1945 年 10 月 31 日下令禁止日本進行有關原子物理的研究,並在 11 月 24 日拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器,將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收,為此他表達強烈抗議。荒勝文策在日記中表示,這次拆除工作完全不必要的,因為該設施是純學術用途,與原子彈製造根本毫無關係。荒勝文策的大量報告與製作之儀器因此大量流失,只殘留部分被保留在廣島縣西南部的吳市海事歷史科學館。

迴旋加速器被拆除後,荒勝文策在日記中描述其研究室成為一片「慘澹的光景」。除了京都大學之外,該次行動也拆除了東京大學與大阪大學的迴旋加速器。荒勝事後曾感嘆地說:日本原子核物理研究的幼芽就這樣被摘下,令人遺憾!

面對空盪盪的研究室,荒勝文策在 1950 年時也只好自京都大學退休。所幸他在京都大學的核子物理研究室,在1951 年美國解禁日本核物理實驗後重啟,由木村毅一接手。當湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎,他說了一句「後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた」(晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了),想必感嘆良深吧。

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湯川秀樹。圖 / By Nobel foundation,公有領域,wikimedia commons

退休後的荒勝在 1951 年 4 月成為私立的甲南大學首任校長。1973 年,荒勝文策於神戶市逝世,享壽 83 歲。日本的加速器研究也好,核子物理的理論與實驗也好,現在都堪稱世界一流,不輸歐美先進國家。想來這些明治出生的前輩們,在自己祖國打下一個堅若磐石的科研基礎,這給在臺灣的我們一個最佳的典範。

參考資料

  1. F 計畫中文、日文、英文維基百科相關條目
  2. Scientific Research In World War II: What scientists did in the war (Kegan Paul Studies in Anthropology, Economy and Society) by Ad Maas (Editor), Hans Hooijmaijers (Editor)
  3. もう一つの「戦争裏面史」原爆開発競争 京都帝大「F研究」秘話 被爆地で新型爆弾の正体突き止めた“皮肉”
  4. 戦後70年 核物理学の陰影(下)
  5. 台灣大學博物館群網站,物理文物廳網頁

 


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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