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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》

物理雙月刊_96
・2017/02/21 ・5013字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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)。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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  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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物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 14 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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身在臺灣也不能阻止他進行核分裂實驗,日本高能物理學奠基者——荒勝文策
PanSci_96
・2023/03/10 ・4147字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/陳立欣

你知道亞洲第一次成功的核分裂實驗是在臺灣完成的嗎 ?

1934 年 7 月 25 日晚間,就在今天的臺灣大學二號館 101 室,舉行了一項令人興奮的偉大實驗。科學家用高壓直線型加速器使質子加速前進,撞擊鋰原子而得到了兩個 α 粒子!這是亞洲第一次,也是世界第二次成功分裂原子核的實驗。而進行這項實驗的科學家,就是時任臺北帝大物理學講座首任教授——荒勝文策(Bunsaku Arakatsu)

醉心物理學研究,歐洲行開啟高能物理之路

荒勝文策出生於 1890 年 3 月 25 日,日本兵庫縣印南郡的一個小漁村。他從御影師範學校與東京高等師範學校畢業後,一度曾在佐賀縣擔任教職。後來在興趣的推動下,1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。1918 年他從京都帝國大學物理學系畢業,並旋即擔任該校講師。其後陸續擔任京都帝國大學物理學系助理教授、甲南高等學校教授、臺灣總督府高等農林學校教授。

從事教職之後,他還是對研究比較感興趣,後來因緣際會之下,他以臺灣總督府在外研究員的身分前往歐洲留學,正式開啟了他與高能物理學的淵源。

荒勝到了歐洲之後,曾經短暫留學於德國的柏林大學(今柏林洪堡大學),跟隨物理學巨擘阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)作研究,當時也正是哥本哈根詮釋風靡全世界的時候。荒勝在自傳中表示,無論在物理或是思考面,都受到愛因斯坦相當大的影響,使得原本矢志攻讀理論物理學的他,轉而對原子核實驗產生了相當大的興趣。

1900 年的德國柏林大學(今洪堡大學)。圖/wiki

因此,一年後他到瑞士蘇黎世聯邦理工學院師從保羅・謝樂(Paul Hermann Scherrer),並進行有關鋰原子中自由電子分布的研究。緊接著他到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,師從約瑟夫.湯姆森(Sir Joseph John Thomson)歐尼斯特・拉塞福(Ernest Rutherford)詹姆士.查兌克(Sir James Chadwick)等人共二年半的時間。(編按:此三人正是中學物理課本中介紹近代物理中,對原子核構造發現有重大貢獻的三位物理學家。湯姆森以陰極射線實驗發現了電子、拉塞福以金箔實驗確立了原子核的存在、查兌克則發現了中子。)

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他於 1928 年 8 月獲得京都帝國大學理學博士學位,而畢業論文的主題,就是運用愛因斯坦狹義相對理論裡的「質能互換公式」理論,撰寫出以原子釋出巨能的理論公式。他從事高能物理學研究之路,自此開啟。

臺灣首任物理學教授,完成亞洲首次核分裂實驗

1928 年 12 月,荒勝來到了臺灣總督府轄下的臺北帝國大學,擔任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,也是臺北帝國大學首次開設物理學相關課程。荒勝趁著在歐洲進修的機會,大肆採購了許多教學研究相關的圖書與器具,為臺北帝國大學的物理學發展帶來很大的幫助。

1932 年 4 月《自然》雜誌裏有一篇論文,描述英國劍橋大學卡文迪西實驗室怎樣用 Cockcroft-Walton 的加速器,製造快速質子,打入鋰(Lithium)原子核後引發核反應,產生一對 α 粒子來促成鋰蛻變。

經典的核反應之一——鋰同位素的 α 衰變示意圖。此一核反應示意圖中,Li-6()與氘()反應,形成高度激發狀態的中間產物 原子核,並立即再衰變為兩個 α 粒子()。圖中的紅色球體代表質子,藍色球體則代表中子。圖/wiki

在瞭解了這個過程內容後,荒勝就對助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」

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荒勝決定在臺北帝大二號館 101 室建造 Cockcroft-Walton 型加速器。當時臺灣設備簡陋資源不足,有許多問題需要克服。除了器材需要打造,實驗室裡面也沒有天然的放射線源,荒勝借鑑臺北帝國大學理農學部無機化學講座的研究,嘗試從北投石中提煉釙充當 α 線源。此外實驗中需要的重水,也自行設計器材提煉取得。

最後就是電力的問題,Cockcroft-Walton 型加速器需要穩定而充沛的直流電力,進行實驗電壓不足將無法擊碎原子核。幸虧當時臺北工業職業學校提供器材奧援,才解決了直流電的問題。在萬事皆須重頭準備的臺北帝大也能完成此一實驗,由此可見荒勝文策不屈的意志。

1934 年 7 月 25 日夜裡,荒勝成功完成人工撞擊原子核(Li(p, α)He)的實驗。該次實驗重現並證實了 的反應,並發現用高速「氘離子」撞擊「鋰」,也能使鋰同位素產生 的反應。

這次實驗在當時轟動整個日本的物理學界。這是日本史上第一個加速器(全世界第二座這一型的加速器),而這一次追試成功,距離《自然》雜誌刊登論文也只不過經過 2 年。

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與原子彈無法迴避的淵源 二戰未能成功的 F 計畫

1941 年,荒勝成功使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要在原子彈計畫的篇章中留下身影。二戰後期,大日本帝國海軍招集荒勝進行研究,成立了一個研發小組,成員也包含了湯川秀樹

荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235,而不是世界上普及的熱擴散法。他的研究成果,也曾被美國研究原子彈的曼哈頓計劃作為數據計算參考。

鈾-235()的核分裂反應示意圖。鈾-235 受到中子(n)撞擊後,形成極度不穩定的鈾-236,此不穩定的鈾隨後分裂為兩個較輕的原子(Ba-144 與 Kr-89)、產生三個新的中子,並伴隨能量釋放。這些新的中子會再去撞擊周圍其他的鈾-235,如此不斷重複進行,產生連鎖反應,引發巨大的能量。圖/wiki

荒勝文策曾自言:

我自小喜歡旋轉的東西,也許這是我選擇離心機的真正原因。我一輩子喜歡的研究,就是轉動體。

然而,由於當時日本政府內部的混亂以及資源的相對缺乏,致使日本核計畫未能如美國、英國與納粹德國一樣發展迅速。以至於在荒勝的 F 計畫先從日本遷到朝鮮,後因大戰結束也被迫中止了 F 計畫。

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1945 年 8 月 6 日,美軍在廣島投下原子彈,驚人的爆炸力與毀滅性的災難,引起了日本學界的重視。日本陸軍動員了東京理化研究所的仁科芳雄前往觀察研究,而日本海軍則是委任京都帝國大學的荒勝文策,並組織「京都帝國大學原爆災害調查班」進行調查。

荒勝與仁科皆震驚於爆炸威力之強悍,且不斷進行爆炸的計算分析,兩人共同的結論就是「這應該就是原子彈」,經過計算荒勝精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在五分之一秒和二分之一秒之間,其調查報告數據計算之精確,震驚世界。

可惜的是,雖然有著最頂尖的相關學識,卻因戰爭的局勢而不得不被迫放棄研究。

戰後,聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於 1945 年 9 月 28 日下令禁止日本進行有關原子物理與航空學的研究,並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,該次拆除行動也引來了國際間的一陣撻伐。甚至引發了包含美國麻省理工學院在內的科學家們對美國陸軍的抗議,美國陸軍長官並因此引咎道歉,承認拆除行動的錯誤。

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雖然在戰後無法持續相關的研究,荒勝文策仍影響了日本高能物理學的發展。無論是在京都大學發展的 Cockcroft-Walton 型加速器,或是發表在《自然》雜誌與木村和植村一同利用宇宙射線進行的研究。甚至是湯川秀樹,也在畢業後特地回母校旁聽其課程,並深受其影響。荒勝的努力為日本高能物理學在荒野中展開了道路,也讓原子能科學在日本持續發展。

荒勝文策與他在京都大學研究室的迴旋加速器。圖/wiki

在 1949 年湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎後,荒勝感嘆到道:

晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了(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)。

雖然是欣慰之語,或許也透露出這位奠基者心中仍有所遺憾。

角落也無法掩蓋裡的光芒,開創日本高能物理的荒野道路

鑽石即使擺放在角落,也會發出迷人的光芒。我想,用這句話來形容荒勝文策再適合也不過了。身處日本學術邊陲的臺北帝國大學開設理科講座,在講座成員只有 4 個人的情況下,在不到兩年的時間內就完成了 Cockcroft-Walton 型加速器的設置;甚至完成了全球第二次、亞洲第一次的核分裂實驗,真的非常的不容易。在人手不足、資源不足、連放射線源都沒有的狀態下,還能使用北投石完成實驗,荒勝的堅持態度也為科學研究鍥而不捨的精神立下標竿。

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荒勝文策在臺北帝國大學物理科講座的原子核加速實驗,在物理史上的意義是多重的。對臺灣而言,這是臺灣的名字第一次在物理學學術論文期刊。而遺留在臺灣的加速器殘骸與相關器材,成為戰後臺灣成立物理系、發展核子物理實驗的契機。雖然荒勝藉著這次的實驗重返日本,就未再返回臺灣,但他對於臺灣高能物理學發展,仍舊猶如荒野中的第一道腳印,留下了不可磨滅的痕跡。

參考文獻

  1. 鄭伯昆,〈台大核子物理實驗室 (四)有關的日本科學家〉,《物理雙月刊》,卅卷五期,2008 年 1 月,頁 574-580。
  2. 松本巍著,蒯通林譯《臺北帝國大學沿革史》,頁 7-11。
  3. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變——以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 101。
  4. 轉引木村毅一,〈廣島原爆後日譚〉,《神陵文庫》第五卷,1988 年 2 月 29 日,京都三高自昭會,頁 14。
  5. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變-以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 106。
  6. Info,(阿文開講——F計畫〉,《臺灣物理學會雙月刊》,2016 年 9 月 7 號。
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五十年三十諾貝爾,日本諾貝爾獎的八卦
活躍星系核_96
・2019/11/01 ・3893字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

  • 文/姚荏富

每年十月是諾貝爾獎開獎的時刻啦,由於諾貝爾獎嚴格限制候選人和提名人必須保密,要直接猜出得主實在有點困難。但如果是猜哪個國家會得獎,似乎就容易許多了,不外乎是美國、英國、德國這些傳統科學的強國,而亞洲比較能打的就只有我們的鄰居日本了。基於對科學的興趣,筆者找到了一些有關日本諾貝爾獎相關的小資訊在這邊和大家分享。

五十年三十諾貝爾,日本的諾貝爾之路

1. 2001 年日本科學技術基本計畫目標為 50 年內至少培育出 30 名諾貝爾得主

這項發言相信有在關注日本科學界的人應該多少有聽過,而日本在 2000 年後也因為幾乎年年獲獎所以這項宣言再度被人們提起,截至目前為止科學類物理、化學、生醫得獎人數分別為 11、8、5 人共計 24 人。以下附上科學獎得獎清單。

日本歷屆諾貝爾獎(科學類)得主名單

姓名 得獎年分 最高學歷 得獎研究主要產出單位(日本大學分類) 諾貝爾獎得獎原因 基礎/應用
湯川秀樹 1949 大阪大學理學博士 京都大學(研究型) 物理學獎以核作用力理論基礎預言介子的存在 基礎
朝永振一郎 1965 東京大學理學博士 筑波大學(研究型) 物理學獎量子電氣力學 基礎
江崎玲於奈 1973 東京大學理學博士 東京通信工業(Sony前身)(產) 物理學獎發現半導體與超導體的隧道效應發明江崎二極體 應用
福井謙一 1981 京都大學工學博士 京都大學(研究型) 化學獎量子化學 基礎
利根川進 1987 加州大學聖地牙哥分校博士 瑞士巴塞爾免疫研究所等 生理醫學獎發現抗體多樣性的遺傳學原理 應用
白川英樹 2000 東京工業大學工學博士 賓州大學 化學獎導電高分子 應用
野依良治 2001 京都大學工學博士 名古屋大學(研究型) 化學獎不對稱氫化反應 應用
田中耕一 2002 東北大學名譽博士 島津製作所(產) 化學獎發明軟雷射揮離法(SLDI)解析蛋白質 應用
小柴昌俊 2002 美國羅徹斯特大學博士、東京大學理學博士 東京大學宇宙線研究所神岡實驗室(研究型) 物理獎天體物理學,探測宇宙中微子 基礎
下村修 2008 名古屋大學理學博士 普林斯頓大學 化學獎綠色螢光蛋白(GFP) 基礎
小林誠 2008 名古屋大學理學博士 京都大學(研究型) 物理獎夸克研究 基礎
益川敏英 2008 名古屋大學理學博士 京都大學(研究型) 物理獎夸克研究 基礎
南部陽一郎 2008 東京大學理學博士 芝加哥大學 物理學獎亞原子物理學中的自發對稱破缺機制 基礎
鈴木章 2010 北海道大學理學博士 北海道大學(研究型) 化學獎以鈀金屬做為觸媒的有機偶合反應 應用
根岸英一 2010 賓夕法尼亞大學博士 普渡大學等 化學獎以鈀金屬做為觸媒的有機偶合反應 應用
山中伸彌 2012 大阪府市立大學大學院醫學研究科博士 奈良先端科學技術大學院大學(NAIST)(研究型) 生理醫學獎iPS幹細胞 應用
赤崎勇 2014 名古屋大學工學博士 名古屋大學(研究型) 物理學獎氮化鎵結晶化技術藍光LED 應用
天野浩 2014 名古屋大學工學博士 名古屋大學(研究型) 物理學獎氮化鎵結晶化技術藍光LED 應用
中村修二 2014 德島大學工學博士 日亞化學工業(產) 物理學獎藍光LED 應用
梶田隆章 2015 東京大學理學博士(大學畢業於琦玉大學理學部) 東京大學(研究型) 物理學獎微中子研究 基礎
大村智 2015 東京藥學博士、東京理科大學理學博士 北里大學(私立大學) 生理醫學獎寄生蟲新療法 應用
大隅良典 2016 東京大學理學博士 東京大學(研究型) 生理醫學獎自噬機制 應用
本庶佑 2018 京都大學醫學博士 京都大學(研究型) 生理醫學獎免疫療法 應用
吉野彰 2019 大阪大學博士(大學碩士畢業自京都大學) 旭化成公司(產) 化學學獎鋰離子電池 應用

由上面的資料可以知道,日本在不到一半的時間內就已經超過達標一半的人數,以這樣的速度 50 年要達成目標似乎只是時間的問題,不過也有人開始注意到日本本身結構性上的問題,預言未來日本得獎的頻率可能會開始下降,這個部份我們在後面再提出他們的觀點給大家了解一下。

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2.在日本拿過最多諾貝爾獎的是京大而不是大家熟知的第一志願東大

截至 2018 年京大已經出了十位諾貝爾獎(科學類)主,我們在課本上曾經看過的湯川秀樹(推論有介子)就是京都大學的傑出校友,至於東大則是出了五位(科學類),以及名古屋大學也出了五位,大阪市立大學出了一位,北海道大學一位,東北大學一位,東京工業大學一位,琦玉大學一位,神戶大學一位,山梨大學一位,長崎大學一位。(這邊數量超過總得獎人數,因為學者的畢業學校和他做研究得獎的學校可能不同所導致。)

由次上述資料可以發現除了京大得獎人數較多之外,日本的地方大學在研究上也有不錯的成果。

湯川秀樹です 圖/Wikimedia Commons

3.京大比東大強在哪裡?

兩間學校學風相差甚遠,東大是以「菁英」著稱,在高度競爭的體制下,東大的秩序感十分強烈,在規則下的佼佼者們都聚集在這裡,這樣的風氣更多產出社會的菁英分子,舉凡醫師、律師、政治家多為東大出身。

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而京大則是以「奔放」著稱,京大的自由學風造就了他們在日本大學中的獨特性。

京大的校長山極曾說過:「自由學風是以對話為中心的自習自學,幫助學生啟發自我」,而這種重視學生思考與找到興趣的教育方式,正是產出「興趣使然的專家」的重要關鍵。

簡單比較完之後跟大家報告幾個有趣數據,日本一般大學生無法準時畢業的比例大約在 10.9% 左右,但學風自由的京大卻是 20.6%,看來自由也是有些代價的XD,另外京大女子占比約為 23% 而東大約為 19%,所以京大生生活起來似乎真的會比東大生更快樂些(喂。

日本《さんまの東大方程式》綜藝節目還做了一集「東大 v.s. 京大」的主題也引起熱烈迴響,由此可見京大跟東大誰更優秀的話題在日本也還算熱門。

4.過去日本的諾貝爾獎多建立在企業研發上

過去人們曾認為日本因為基礎學歷高所以科研項目才會有如此高的成就,但事實上日本非研究型機構在科學研究上也有相當多成就,像是發明藍光 LED 得到 2015 年諾貝爾物理獎的中村修二以及 2015 年生醫獎得主大村智他們皆是由應用向的研究得到學術界的肯定

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這其實是因為日本在科學的發方向上是以「開發研究」與「基礎研究」並行的方式來運作。

日本企業在 1980 年代主導了基礎研究的發語權,像是量子力學、電磁學、材料科學……等諸多領域日本的企業內研究所皆為技術領導者,而這些企業內的研究成果,因為產業的需求便能夠繼續研發,同時產業最高級別的相關設備以及技術支援又能提供良好的實驗環境,這樣便成為了一個相對正向的循環。

更重要的是日本企業不僅擁有強大的技術實力,還會給予研究者自由的研究空間,有趣的是能夠做到這樣的並不只限於日本大企業,同樣能做到這些研究的公司其實有大有小,像是前面提過發明藍光 LED 的諾貝爾獎得主中村修二就是在一家名為日亞化學的中小企業實驗室中完成研究,而過去曾經風靡一時的 iPS 細胞研究者山中伸彌(2010年諾貝爾生醫獎得主)則是受到樂天集團的支持,由此可見日本企業與研究領域關係確實相當密不可分。

2015 年諾貝爾物理獎得主中村修二。圖/Ladislav Markuš, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

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5.經費減少、研究人員短缺、諾貝爾獎的得獎力道難以維持?

在日本經濟泡沫後整個社會乃至於政府對於基礎研究的投入漸漸減少,在世界各國在加碼投資科研項目時,日本政府的投資比重卻沒什麼變化(2000 年為 350 億美元左右,2017 年還是 350 億元左右)。

在世界各國在加碼投資科研項目時,日本政府的投資比重卻沒什麼變化。圖/參考資料2

而企業端也把研發的重心放在可以快速商業化的開發項目,甚至將資金開始轉向國外的研究所,如此一來無疑是對日本科研領域雪上加霜。

另外日本近年來除了人口下滑外,就讀博士學位的人數也開始逐年減少,自 2003 年的頂點 1.8 萬人到  2016 年的 1.5 萬人,與國際情況相比,先進國家中只有日本的博士人數是下降的,除此之外這樣的變化也將造成科研人員高齡化的現象,這些現象對於一個國家的科研動能來說並不是很好的現象。

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日本科研人員高齡化的情況逐漸明顯,紅線為國立大學 35歲以下全職科研人員占比,藍線為平均年齡。圖/參考資料2

此外因為受限於經費的關係,大學為了拿到補助所以會努力達到論文發表數量與刊登數這些標準,而且為了要通過審核機制,學術的研究方向便逐漸往「主流」的方向走,如此一來過去日本研究的多樣化特色的發揮空間便受到擠壓,願意挑戰新研究的人變得更少,研究的心態就越趨保守。

以上五點目前日本與諾貝爾獎有關的小資訊和大家分享,其實還蠻想跟大家分享更多日本目前結構性上的問題的,但如果要再說深一點可能就要變成專題報導了,所以將來如果有機會的話再和大家討論吧。今年日本吉野彰以鋰電池的貢獻再下一城,但後續是否有機會直奔 30 座諾貝爾獎的目標呢?還是在達標前後繼無力咧?讓我們看下去。

參考資料

  1. 日本科學技術學術政策研究所
  2. NHK world-japan 《Nobel Laureates Sound Alarm over Japan’s Basic Research
  3. 日経TECH《【電子産業史】1980年代》
  4. 綜藝節目《さんまの東大方程式》
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