「核子研究的女王」吳健雄誕辰│科學史上的今天：5/31

• 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。

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。）

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。

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！」

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 文／海瑟．道格拉斯

誘人的科技甜美

當謎題的解答豁然開朗、當每一片拼圖完美地接合起來合作無間、當某項研究呈現井然有序的成果，科學家和工程師就說出這個詞語。

科技的甜美非常誘人、非常濃烈，而且正如我們在維克多．法蘭肯斯坦（《科學怪人》的主角）的故事中看到的，也可能使人盲目，看不見自己追尋的解答會帶來什麼後果。

受到科技的甜美驅策的科學家，可能看不見旁觀者眼中顯而易見的事實──某些計畫縱然誘人，但完成計畫不見得是件好事。

維克多最初發現生命的祕密時，立刻被成功沖昏了頭，因此沒有跟同儕分享他的發現，反而加速為自己的想法展開全面性試驗──他可以讓毫無生氣的軀體起死回生嗎？

在他不顧一切執行實驗時，他把自己逼到了崩潰邊緣，徹澈底底沉溺於這項研究帶來的技術甜頭，無法自拔。他不再連繫親朋好友，也切斷了能為他的工作注入更高觀點的一切社會連結。

他察覺有什麼事情不太對勁──他之所以不願意透露他的研究計畫，或許不只因為想在取得成績之前保守祕密。一直到他的創造物甦醒過來，他才明白創造這樣的生命或許不是個好主意。事實上，他對自己的創造物望之卻步，逃避了兩年。

到最後，為了阻止繼續製造人性悲劇，他將生命的最後階段用來追逐科學怪人，兩人跳起了一段黑暗之舞。

誠然，維克多是一篇哥德式恐怖故事中的虛構人物，但他的研究工作的發展弧線──從靈光乍現、得到（他拒絕公布的）理論性發現、閉門實驗直到完成實際成品、對千辛萬苦造出的成品感到嫌棄，到最後終於扛起責任、為了約束創造物的行為而對它窮追不捨──這種情節並非只存在於虛構世界。

這樣的發展弧線，也出現在二十世紀最重大的一項科學研究上：第一批原子彈的製造。

核裂變的發現改變了一切

原子彈的研製過程跟維克多的故事並不完全吻合，因為前者是許多科學家群策群力的結果，而不是某個人的獨力之作。而且，原子彈的研製過程充滿各種道德決策，並時時刻刻處於殘酷戰爭的陰影之下。不過，這段歷程的弧線與《科學怪人》的故事弧線基本上如出一轍，而在如此複雜的情境下，更彰顯出抗拒科技甜頭誘惑的必要性。

一九三八年年末，莉澤．邁特納 (Lise Meitner) 和奧圖．弗里施 (Otto Frisch) 發現了原子核裂變的過程，消息很快傳遍全球物理學界。

英美兩國的核子物理學界不僅立刻開始思索各種問題──例如核裂變是否可以打開實際應用的大門、鈾原子核裂變產生的中子數量是否足以形成連鎖反應，以及哪些原料可以提高出現連鎖反應的機會等等──更馬上展開了研究。

一九四二年十二月，美籍義大利裔物理學家恩里科．費米 (Enrico Fermi) 在芝加哥大學壁球館下方的實驗室中，造出了第一座可以自我維持運作的核子反應爐（使用慢中子），與此同時，負責建造原子彈（一種快速核反應）的曼哈頓計畫也正順利展開。

蜜糖或是毒藥——曼哈頓計劃

曼哈頓計畫由分散各地的研發實驗室共同組成，場址包括田納西州的橡樹嶺 (Oak Ridge) 和華盛頓州的漢福德 (Hanford) 等大型工業區，以及科學家們關在一起研究如何設計並測試第一批原子武器的洛斯阿拉莫斯 (Los Alamos) 國家實驗室。

科學家們祕密前往與世隔絕的洛斯阿拉莫斯實驗室，抵達之後，立刻被嚴令禁止與內部實驗室以外的人討論這項計畫。科學家們關注的焦點是達成目標──打造一個可使用的原子武器──沒有多加思索這件事情是不是個好主意。由於大多數科學家是因為擔心納粹搶先發展出這類武器而投入曼哈頓計畫，這樣的焦點無可厚非。

洛斯阿拉莫斯實驗室坐落在新墨西哥州一座平頂山的林木線上，海拔逾七千英尺，瀰漫著令人飄飄然的工作氛圍：由聰明絕頂的歐本海默 (J. Robert Oppenheimer) 負責主持，過去及未來的諾貝爾獎得主齊聚一堂，在戰爭的壓力下一起工作。實驗室迅速擴充規模，從一九四三年春的一百名科學家，到了大戰結束時，已擁有六千多名研究人員 (Bird and Sherwin 2005, 210) 。

洛斯阿拉莫斯的科學家遭遇了一連串技術挑戰，特別是關於如何讓核裂變原料釋放出最大能量；這些原料由橡樹嶺和漢福德負責生產（兩地分別負責生產濃縮鈾和鈽），非常難以蒐集，得來不易 (Rhodes 1986, 460-464) 。然而，到了一九四四年底，最初推動這項計畫的原始動力已大幅減弱。

盟軍成功挺進德國境內後傳來消息，表示德國的原子彈研究，距離成功製造出武器還相差十萬八千里。事實上，德國還無法造出可以運作的核子反應爐，而這是美國在兩年前就已達到的成就。

製造核武的原始動機既已不復存在，對其中一位科學家──波蘭物理學家約瑟夫．羅特布拉特 (Joseph Rotblat) ──來說，這樣的領悟已構成退出計畫的充分理由。他在一九四四年十二月辭去洛斯阿拉莫斯實驗室的工作。

不過離開之前，他被禁止跟實驗室的其他科學家談論他的這項決定 (Brown，2012, 55) 。洛斯阿拉莫斯的科學家進行道德反思的契機就這樣一閃而逝。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

• 文／海瑟．道格拉斯

在戰爭結束之前製造出可以終結戰爭的武器，成了至高無上的驅動力，一部分是因為洛斯阿拉莫斯的許多科學家，已經轉而以「終結一切戰爭」為開發核武找到了正當性。

許多人認為，唯有使用核武結束眼前這場戰爭，人類才能體會這類武器的真正殺傷力，因而產生永久終止戰爭的動力。

我們一開始振奮無比，然後發現自己累了，然後就開始憂慮

維克多．魏斯科普夫 (Victor Weisskoph)

一九四五年二月到該年夏天之間，洛斯阿拉莫斯的工作焦點在於鈽原子彈的測試。由於使用鈽製造武器，所需的機制複雜得多，科學家們沒有太大把握這項武器是否可行。唯有以真正的鈽進行試驗才能充分測試這項機制。

這就是在一九四五年七月六日進行的三位一體 (Trinity) 核試驗──人類首次在地球上引爆原子彈。

科學家用堪稱狂熱的態度準備這項測試。不論取得一切技術細節、校準度量儀器，或制定應變計畫，凡此種種都需要耗費龐大心力。有可能出現三種結果：

1. 受測的武器可能中看不中用，不比尋常的爆炸更有威力
2. 它可能具有龐大的殺傷力，當場造成重大傷亡，導致全國進入緊急狀態
3. 它可能符合科學家的期待，威力驚人但不失控 (Szasz 1984, 79) 。

結果證明第三種可能性是對的，科學家們如釋重負。這意味他們的研究成功了，已製造出可使用的武器。他們在戰爭期間付出的努力並未白費，而且他們全都安然度過挑戰。

對於這項成功，科學家們的反應不一。引爆炸彈後，歐本海默的第一反應是狂喜地歡呼「成功了」！從科學家對爆炸威力下的賭注來看，他們大多預期爆炸規模會小得多 (Szasz 1984, 65-66) 。歐本海默賭的是三百噸黃色炸藥的爆炸當量；絕大多數科學家認為爆炸威力會遠遠小於一萬噸黃色炸藥。

事實上，這項武器產生了將近兩萬噸黃色炸藥的爆炸威力。除了因技術上的成功而感到寬慰與興奮，這次爆炸對視覺及內心的衝擊力量，讓許多目擊者嘆為觀止。歐本海默後來回憶，他的腦海閃過《薄伽梵歌》裡的這句話：「我成了死神，世界的毀滅者」 (引自Szasz 1984, 89) 。

伊西多．拉比 (I. I. Rabi) 一開始熱血沸騰，但是後來，他領悟到自己和其他科學家的研究具有怎樣的涵義，沉重得招架不住 (Szasz 1984, 90) 。正如維克多．魏斯科普夫 (Victor Weisskoph) 寫下的：「我們一開始振奮無比，然後發現自己累了，然後就開始憂慮」 (引自Szasz 1984, 91) 。

甜頭後的苦澀餘味

這項計畫的技術甜頭結束了，科學家們如今得面對他們的成功在錯綜複雜的世界裡象徵的意義。試驗主任肯尼斯．班布里奇 (Kenneth Bainbridge) 挖苦地說，「我們如今成了一群王八蛋」 (引自Bird and Sherwin 2005, 309) 。

某些科學家經過一段時間的消化，才完全理解他們的所作所為背負怎樣的道德重量。在向廣島和長崎投擲原子彈、促使戰爭戛然而止後，洛斯阿洛莫斯的許多軍方人員歡天喜地，但科學家們卻為自己協助達到的成果震驚得不知所措，心情有些沉重，甚至出現身體不適的狀況 (Bird and Sherwin 2005, 317) 。

一九四五年十月底，當菲利普．莫里斯 (Phil Morrison) 和羅伯特．瑟伯爾 (Bob Serber) 從日本返回洛斯阿拉莫斯，帶回了有關原子彈衝擊力道的第一手報導 (Bird and Sherwin 2005, 321) ，曾參與這項計畫的科學家們，終於看清他們的成功代表著怎樣殘酷的現實，紛紛決心竭盡所能確保他們的研究用於為人類造福。

不同科學家以不同方式為他們的創造物負起責任。有些科學家致力於確保原子能受到文官機構的掌控，他們的努力促成了美國原子能委員會的成立。有些科學家倡議將原子技術交由國際機構管理，以防美蘇之間展開武器競賽。有些人努力讓世人得知原子彈的強大殺傷力，希望藉此遏止未來的一切戰爭。

有些人轉而研究甚至更有威力的武器，決心牽制蘇聯的極權主義。還有些人倡議原子的和平應用。

沒有人推卸他們對自己的研究成果應盡的責任。

我們可以在洛斯阿拉莫斯科學家們的故事弧線中，看到維克多．法蘭肯斯坦的故事影子。當年就有人注意到兩者的雷同之處──從激情地投入研究，到乍然領悟成功的負面影響，最後設法揚長補短。

一九四五年五月三十一日，美國戰爭部長亨利．史汀生 (Henry Stimson) 在籲請臨時委員會（一個有關核武的高層政策委員會）召開會議的信函中寫道， 原子彈「有可能毀滅或完善國際間的文明發展，有可能變成科學怪人，或變成世界和平的工具」（引自Rhodes 1986, 642）。

然而在原子彈研製完成以前，參與這項計畫的科學家始終沒有看清原子彈的科學怪人本質。

與成功如影隨形的道德議題

瑪麗．雪萊的《科學怪人》是一篇具有先見之明的寓言故事，書中闡述人類追求科學與技術時，伴隨成功而來的恐怖後果，讀來扣人心弦，堪稱非神學版的歌德《浮士德》。

即便科學已壯盛發展，即便科學研究的集體特性已昭然若揭，而大科學 (big science) 也已占據科學界的核心地位，孤獨科學家維克多遵循的弧線依然切合時代。二十一世紀的科學家不論單打獨鬥或通力合作，在他們勉力為自己的研究成果負起責任時，仍會持續受到科技甜頭的誘惑，被它蒙蔽了雙眼。

當研究工作突然發出危險信號（例如那些被標註為「可能具有雙重用途的研究」），科學家經常迴避法規限制，不顧要求他們深刻反思的聲浪。科技甜頭以及持續在專業領域追求成功的誘惑，使得科學家很難看清、更難認真衡量其研究工作的負面影響。

儘管人們正快馬加鞭地建立制度，希望幫助科學家解決他們在追求新的科學與技術能力時可能遭遇的棘手問題，科技甜頭仍然可能阻礙他們反思其研究工作的涵義和行動的急迫性，並且在完成工作之前，及時修正成功可能帶來的負面影響。