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「核子研究的女王」吳健雄誕辰│科學史上的今天:5/31

張瑞棋_96
・2015/05/31 ・1184字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

Photo Credit: Smithsonian Institution

1956 年 5 月的某一天,34 歲的楊振寧走進同在哥倫比亞大學任教的吳健雄(1912-1997)的辦公室。大他十歲的吳健雄在核子物理領域已有相當地位,以「中國的居禮夫人」著稱。

當年曼哈頓計畫在核分裂的連鎖反應上遭遇瓶頸,計畫主持人歐本海默特別指名她來,因為「她知道所有關於中子吸收截面的知識」。於是來美國才八年的吳健雄,難得以外國人身分中途加入這涉及國家安全的秘密計畫,她也不負眾望解決了連鎖反應的問題,原子彈才得以順利完成。她的聲望也因而更加鞏固。

楊振寧來找她是要討論「宇稱守恒」的問題。所謂宇稱守恆是指大自然是左右對稱的,物理定律對左旋與右旋粒子的作用應該都一樣,這在重力、電磁力、強核力、弱核力這四大作用力都已屢試不爽。不過楊振寧與李政道懷疑一直令科學家困惑的 θ 和 τ 兩種介子之謎──兩個自旋、質量、電荷都完全相同的粒子卻有不同衰變方式,背後的真相就是:

弱交互作用不遵守宇稱守恒。因為楊李兩人是從理論出發,因此楊振寧特地來請教對弱交互作用已做過無數次實驗的吳健雄。

這次討論勾起了吳健雄的興趣,她很快設計出實驗方法。即使楊李兩人於次月發表宇稱不守恒的論文後,招來各界的質疑與訕笑,吳健雄仍沒有打退堂鼓,繼續張羅所需的器材與人員。量子力學大師包立知道後認為這是浪費時間,並願意賭上所有錢,實驗結果一定證明宇稱守恒。

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聖誕節前吳健雄率領的實驗小組已經發現宇稱不守恒的現象,但吳健雄向來嚴謹,她仍要成員多方查證與驗算,直到 1957 年 1 月中才將論文提交《物理評論》。這消息在物理界簡直炸翻了天,大家一直深信不疑的對稱性竟真的被推翻了!楊李二人也史無前例地立刻榮獲物理諾貝爾獎,但更出乎大家意料的是,吳健雄竟不在其列。

對於吳健雄未能同獲諾貝爾獎,許多物理學大師紛紛大抱不平。雖然她日後獲得許多殊榮,但這終究是個遺憾。她於 1989 年寫給有長時間同事情誼的史坦伯格(Jack Steinberger)信中說:

「……盡管我從來沒有為了得獎而去做研究工作,但是,當我的工作因為某種原因而被人忽視,依然是深深地傷害了我。」

八年後,至死仍具有中華民國國籍的吳健雄因中風過世,享年 85 歲。人們將永遠記得這位「核子研究的女王」、「物理學第一夫人」對宇稱不守恒的巨大貢獻。

 

 

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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張瑞棋_96
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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。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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做一顆原子彈有多困難?《奧本海默》背後的細節!原子彈究竟是文明之火,還是毀滅之火?
PanSci_96
・2023/08/27 ・6337字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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人類史上第一顆核武器 The Gadget 試爆。圖/wikimedia

1945 年 7 月 16 日美國時間早上五點三十分,在新墨西哥州的托立尼提沙漠內,人類史上第一顆核武器 The Gadget 引爆,爆炸溫度 7 千萬 K,三位一體核試驗宣告成功。這次爆炸不僅留下 80 公尺寬的核彈坑,徹底打開了潘朵拉之盒。

知名導演克里斯多福.諾蘭的電影「奧本海默」,用鏡頭為我們帶來奧本海默這位偉大科學家波瀾壯闊的一生,從他為人類取來核武器火種以威懾納粹,但意識到自己帶來的不是文明之光,而是毀滅之火。最後拒絕繼續參與氫彈的開發,卻捲入共產思想疑雲的政治風暴之中。

奧本海默的精彩故事,歡迎大家進電影院好好體會,但在進戲院之前,我們先來了解,這位原子彈之父,是怎麼做出原子彈的。為何曼哈頓計畫需要召集如此多的科學家,甚至招募多達 13 萬名員工來完成這項壯舉?預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?

電影《奧本海默》預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?圖/奧本海默電影預告

原子彈如何被製造?

1945 年 8 月 6 日與 8 月 9 日,兩枚原子彈小男孩與胖子分別在廣島與長崎的 550 公尺上空引爆,雖然終結了第二次世界大戰,但造成的直接與間接死傷,更震撼了全世界。

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雖然兩顆笨重的原子彈重量超過 4 公噸,但真正的核燃料核心在原子彈小男孩中只占了 50 公斤,而且經過計算,實際參與反應的可能只有其中 1 公斤。另一個原子彈胖子的核心更小,只有 6.2 公斤,是個直徑約 10 公分的球體,實際參與反應的部分大約是 1.2 公斤。

根據愛因斯坦著名的質能等價公式 E=mc^2,我們可以計算出在反應中損失 1g 質量,會產生大約 90 兆焦耳的能量,相當於 2 萬噸 TNT 的能量。1g 質量換 2 萬噸 TNT,難怪不論哪個陣營都想盡快開發出這恐怖的炸彈。預告片裡面也提到,許多科學家都擔心「如果我們不現在加緊研發,被納粹先做出來了怎麼辦」,而推動了這足以毀滅人類的軍武競賽。

但是,就算有了質能等價公式,卻還是無法憑空造出原子彈。我們過去在討論核能的影片中提過,核反應要持續,需要靠連鎖反應。一個反應堆中,每吸收一個中子就會釋放一個中子,讓反應穩定進行下去,稱為臨界狀態,也是一般核能發電廠希望達到的狀態。如果吸收一個中子,卻釋放不到一個中子呢?,那就稱為次臨界。所有沒在反應的燃料棒都應該處於這個狀態。原子彈呢,當然是希望吸收一個中子,釋放出超過一個中子,讓反應快速連鎖下去,在極短時間釋放巨大能量。這個狀態稱為超臨界或是過臨界狀態。

這邊提個物理學家間的有趣討論,預告片中,由麥特戴蒙飾演的格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅,奧本海默回答「機率幾乎是零」。這件事其實是出自奧本海默與另一位物理學家康普頓的討論,他們想到,大氣中有許多氫氣、氦氣、氮氣等輕元素,核爆瞬間可能會因為高溫在大氣中引發核融合,甚至產生連鎖反應,連海水中的氫都發生爆炸,讓地球化為太陽,世界終結。奧本海默和其他科學家還實際嚴密計算,確認機率幾乎是零。

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預告片中,格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅。圖/奧本海默電影預告

雖然核融合與核分裂的條件不相同,這個假設放在現在可能覺得太過誇張,但這也說明要讓核反應連續下去並不簡單。

在核分裂中,要達成超臨界狀態並不容易。在理想條件下,鈾 235 每吸收一顆熱中子,會產出 2.06 個中子,吸收快中子則會產出 2.5 個中子。另一個原子彈核燃料鈽 239,則在吸收熱中子和快中子兩種不同能量的中子後,分別產出 2.1 和 3 個中子。然而實際上,中子往四面八方移動,並不是所有的中子都會被原子核捕獲。加上未濃縮的燃料中含有大量其他元素,例如鈾 238,導致燃料堆很難進入超臨界狀態,大幅降低炸彈的效果。等等,既然如此,曼哈頓計畫是怎麼克服這件事的呢?

如何讓原子彈進入超臨界狀態?

電影預告中的芝加哥 1 號堆 CP-1。圖/奧本海默電影預告

1942 年 12 月 2 日,人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,在物理學家費米的主持下,初次達到臨界狀態,曼哈頓計畫成功踏出第一步,人類正式進入原子能時代。預告中一閃而過的這個結構,就是 CP-1,由 4 萬多個作為中子減速劑的石墨塊組成,裡面塞著一顆顆的鈾塊。

很難想像的是,在當時,控制臨界狀態的控制棒竟然是讓人用手抓著的,反應堆的位置還在芝加哥大學的足球場底下 (Stagg Field)。

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人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,可以看見控制臨界狀態的控制棒是讓人用手抓著的。圖/wikimedia

在這之後,曼哈頓計畫進入下一個階段,洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL(也就是電影預告中的小鎮)成立,奧本海默擔任首任主任,並聚集了當時幾乎所有能找到的物理、化學、工程學專家。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL。圖/奧本海默電影預告

為了讓原子彈能順利進入超臨界狀態,科學家的第一步,就是要濃縮鈾。將天然鈾礦中佔 0.7% 的鈾 235,濃縮到將近 100%。這不簡單,首先,鈾的沸點是攝氏 4000 度,因此要先與氟反應成沸點只有攝氏 57 度的六氟化鈾,接著利用兩者質量的些微差異,使用氣體擴散法或是離心法分離。

以氣體擴散法為例,氣體通過過濾材料的能力,正比於分子量的平方根,然而六氟化鈾 235 和六氟化鈾 238 的分子量分別是 349 和 352,只差了 0.85%。實際上兩者穿越過濾膜的能力大約是 1 比上 1.003,也就是經過一次濃縮,濃度會從 0.7%,變成 0.7021%,經過 100 次濃縮,濃度才會從 0.7% 變成 0.945%,要濃縮到接近 100%,非常耗時又耗力!雖然後來還有發展熱擴散法、透過雷射游離後分離的方法,或是結合質譜儀與迴旋加速器磁鐵的電磁分離法,但不論哪個,不是技術要求極高,就是需要重複多次,有些方法還會有臨界事故的風險,選項其實也不多。

但積沙成塔,聚少成多,只要肯花時間與人力,遲早都能得到濃縮鈾。有了寶貴的濃縮鈾,和來自中子照射鈾 238 產生的鈽 239,終於,原子彈可以登場了。

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原子彈如何運作的?

原子彈是如何運作的呢?我們先從「小男孩」開始說起。

原子彈小男孩採用的是槍式結構,裡面有四個重要構造:核心、起爆劑、反射體、和起動物。在炸彈尚未引爆時,含有高濃度鈾的核心會先被分為左右兩塊。爆炸時再透過起爆劑讓兩塊核心撞在一起,進入超臨界狀態。

原子彈小男孩的槍式結構。圖/wikimedia

為什麼兩塊併為一塊就會進入超臨界?這是因為在連鎖反應時,中子會不斷從核心的表面逃脫,變成無效的中子,減緩連鎖反應。對於核心這種球體來說,表面積與體積的比值,會與直徑成反比。也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。此時核心的質量,就稱為臨界質量。

也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。圖/wikimedia

在小男孩中,被拆成兩半的核心各自都未達到臨界質量,直到兩塊撞在一起,才進入臨界甚至超臨界狀態。這時,旁邊以鈾為材料的反射體,則負責將溢出的中子反射回核心,進一步觸發更強烈的連鎖反應。

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最後,為了讓反應在核心撞在一起的瞬間,就以最激烈的方式進行,核心通常會設有「起動物」,由鈹-9 和釙-210 組成。釙 210 會因為自然衰變,不斷產生 α 射線,鈹則會在吸收 α 射線後產生中子,作為整個連鎖反應的開頭。在原子彈爆炸前,鈹和釙會跟著分成兩半的核心分別放在兩側,隨著核心碰撞的瞬間產生反應,釋出大量中子。

但槍式構造的反應方式效率十分低下,原子彈小男孩中實際參與反應的燃料,根據事後計算,大約只有五十分之一。而且,槍式結構也無法使用連鎖反應更強的鈽作為燃料。

因此,電影中球型的內爆式原子彈就登場了。

球形的內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

什麼是內爆式原子彈?

胖子原子彈的燃料使用率大約是 1/5,是小男孩的十倍,這是因為它採用了內爆式結構。

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回頭說一下,小男孩的槍式結構雖然效率不高,但結構簡單不易出錯,因此甚至沒有測試過就被投入實戰。

而內爆式的胖子因為容錯率低,因此前面才有三位一體試驗中原子彈 The Gadget 的試爆。

內爆式結構複雜在哪呢?在內爆式結構中,最內層一樣是用金屬層隔開的起動物鈹-9 和釙-210,外面是由鈾和鈽組成的混合氧化物核燃料 MOX,更外圈是用來反射中子的反射體。在反射體外面,占整顆炸彈體積最大的,是一般的炸藥。作用是在起爆時,將核心用力往內擠壓,將核心推向超臨界狀態,讓起動物的金屬隔層破裂,誘發中子釋放。在原子彈誘爆初期,因為外頭炸藥的擠壓,中子會在反射層內快速反彈,大大增加燃料的使用率。

內爆式結構示意圖。圖/wikimedia

在預告畫面中的球體,就是標準的內爆式原子彈。在結構正中央的圓形物體,其實是反射層,核心和起爆物都被包裹起來,在看不見的更裡頭。而外面一塊塊的多邊形結構,其實都是炸藥,負責擠壓核心,但如何在內爆時讓核心維持完美球形,不會因為壓力不均而從某側破裂,卻是一項巨大挑戰。

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內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

為了確保達到預期效果,原子彈中含有爆炸速度快與慢的兩種炸藥,透過時間差,讓反射層在壓縮核心時能維持對稱的圓形。為了解決這個艱鉅的挑戰,數學家約翰.馮紐曼發展了 ZND 模型,用來計算火藥與震波的模型,成功計算出快、慢火藥的比例與配置。沒錯,就是那位提出電腦馮紐曼架構的那位馮紐曼。

橘色是「慢速火藥」,黃色是「快速火藥」,另外 Detonator 為「雷管」。圖/PanSci YouTube
放置炸藥引信。圖/奧本海默電影預告

更進一步,為了達到計算的效果,32 塊炸藥需要在千萬分之一秒內同時引爆,然而當時的雷管引爆誤差可能有 1/10 秒以上。這時,另一位物理學家阿爾瓦雷茨出馬了,他開發出 EBW 式雷管,解決了問題。這種雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。預告片這句「起爆器已充電」指的應該就是這些電池與電容。

雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。圖/奧本海默電影預告
雷管。圖/wikimedia

至此,濃縮燃料、內爆式結構和啟爆裝置都就緒了,接下來的故事大家都知道了。1945 年 7 月 16 日早上五點三十分,刺眼的火球照亮整個沙漠(聽說只有費曼裸眼看了這場人類核彈首爆秀),人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。

人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。圖/奧本海默電影預告

導演克里斯多福.諾蘭的最新大作《奧本海默》,改編自這本獲得普林斯頓獎的傳記「American prometheus The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer 」,《奧本海默的真相與悲劇》,並冠上副標 American prometheus 美國普羅米修斯,象徵為人類取來原子之火。

三位一體核試驗成功的 20 年後,奧本海默回憶到:「我們知道世界自此就不再一樣了。有的人笑,有的人哭,但大部分人沉默無言。我想起了印度教古典《薄伽梵譚》中,毗濕奴對阿周那王子所說:『我現在成了死神,世界的毀滅者。』我想,我們大家都多多少少是這樣想的。」

奧本海默的回憶。圖/atomicarchive.com

兩顆原子彈在日本被投下的隔年,奧本海默拒絕參與第四次核試驗,也拒絕杜魯門總統邀請的氫彈計畫。從此,這位原子彈之父人生出現重大轉變。小勞勃道尼飾演的原子能委員會主席,路易斯.史特勞斯,也將為奧本海默的人生帶來許多風雨。

電影原作書籍的兩位作者 Kai Bird 和 Martin J. Sherwin,雖然不是奧本海默的好友,但兩位都是歷史學家,也是政治、核武和冷戰的研究專家。書中從奧本海默小時候的成長與求學開始、講到他參與曼哈頓計畫與擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任、成為原子彈之父、受到政治迫害,最後獲得平反,鉅細靡遺地介紹了他的一生與心境變化。整本書花了 25 年完成,蒐集了成千上萬份收藏於美國國會圖書館,來自奧本海默的文件、以及 FBI 超過 25 年累積了數千頁的監控紀錄、還採訪了將近一百位熟悉奧本海默的密友、親戚與同事。光是聽以上的說明,就已經能想像其豐富又崎嶇的生活歷程了。

歷時 25 年,蒐集了成千上萬份資料完成的電影原作書籍。出自原文書第xii頁,中文版第6頁。

關於這些科學家之間的互動與理念的碰撞,我們就等著進電影院,看諾蘭大師如何透過鏡頭,介紹這段人類的重要歷史吧!

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當年曼哈頓計畫在核分裂的連鎖反應上遭遇瓶頸,計畫主持人歐本海默特別指名她來,因為「她知道所有關於中子吸收截面的知識」。於是來美國才八年的吳健雄,難得以外國人身分中途加入這涉及國家安全的秘密計畫,她也不負眾望解決了連鎖反應的問題,原子彈才得以順利完成。她的聲望也因而更加鞏固。

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對於吳健雄未能同獲諾貝爾獎,許多物理學大師紛紛大抱不平。雖然她日後獲得許多殊榮,但這終究是個遺憾。她於 1989 年寫給有長時間同事情誼的史坦伯格(Jack Steinberger)信中說:

「……盡管我從來沒有為了得獎而去做研究工作,但是,當我的工作因為某種原因而被人忽視,依然是深深地傷害了我。」

八年後,至死仍具有中華民國國籍的吳健雄因中風過世,享年 85 歲。人們將永遠記得這位「核子研究的女王」、「物理學第一夫人」對宇稱不守恒的巨大貢獻。

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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

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  • 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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