發現宇宙射線 │ 科學史上的今天：06/24

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科學的進展就如牛頓所說的「站在巨人的肩膀上」，少不了前人的經驗累積。布拉格父子在 X光繞射的發現與應用上扮演的傳承角色就是典型的代表，而且他們人生道路上的許多交會也頗耐人尋味。

起點當然是今天生日的老布拉格（William Henry Bragg, 1862－1942）。他於 1885 年自英國三一學院以優異的成績畢業後即獲聘至澳洲阿德雷得大學（University of Adelaide），講授數學與實驗物理。數學是他的專長，而他雖然上過 J. J. 湯姆森一年的物理課，卻未深入研究，另一方面，學校的實驗器材也不足，在這遠離歐洲的邊陲地帶，他只能硬著頭皮一邊自學物理，一邊到廠商那兒當學做儀器。因此可以想見，當拉塞福於 1895 年從紐西蘭要前往英國跟 J. J. 湯姆森做研究，途經澳洲來拜訪老布拉格後，兩人就此成為世交。

1896 年，5 歲的小布拉格（William Lawrence Bragg, 1890－1971）跌傷骨折，老布拉格想起不久前侖琴發現的 X射線，於是動手打造 X射線管，幫兒子照 X光。這是他們兩人與 X光的初次相遇。後來小布拉格進入阿德雷得大學就讀，自然也成了老爸的學生。他畢業後，老布拉格獲聘至英國里茲大學任教，於是舉家於 1909 年遷回英國，小布拉格進入老爸的母校三一學院，而且指導教授又是 J. J. 湯姆森。

當時仍不清楚 X射線的本質是什麼，直到 1912 年夏天，德國物理學家勞厄（Max von Laue）發現 X光穿過晶體會產生繞射現象（就像水波或光波因干涉作用而產生明暗相間的條紋），才確定 X射線其實就是一種電磁波。原本就一直在研究 X射線的老布拉格得知後，趕忙把兒子找來一起做實驗，小布拉格很快在當年十一月就發表「布拉格定律」，不但給出解釋 X光繞射現象的模型，還可以根據 X射線的波長、角度，推算出晶體的晶格間距，因而得知晶體的結構。老布拉格也沒閒著，他在第二年發明了 X射線光譜儀，提供實際可行的測量工具。

1914 年，勞厄先獲得諾貝爾物理獎，接著第二年，由布拉格父子共同獲頒諾貝爾物理獎，創下史上唯一親子檔一起獲獎的紀錄；而小布拉格年僅 25 歲就獲獎，至今仍是諾貝爾科學獎項中最年輕的紀錄保持人。

拉塞福於 1937 年過世後，小布拉格接替他擔任卡文迪許實驗室主任直到 1953 年。華生與克里克正是在他任內來卡文迪許實驗室進行研究，而於 1953 年解開 DNA 的雙螺旋結構；成為破解關鍵的「51 號相片」也是羅莎琳 · 弗蘭克林（Rosalind Franklin）以 X光繞射原理攝得的。

布拉格父子兩人的一生就像雙螺旋，以當代重要的科學家為鏈結，彼此互繞；也像 DNA般傳遞了 X光繞射的技術，為科學的進展提供了重要的助力。回顧當時科學家們的交會，饒富趣味；喔，後來小布拉格的女兒還與 J. J. 湯姆森的孫子結為連理呢。

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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1932 年的今天，在加州理工學院做博士後研究的卡爾 · 安德森（Carl D. Anderson, 1905－1991）再次開著小卡車上到威爾遜山。他將車停在一個開闊的地點後，熟練地調整放在車後的雲霧室，準備拍下宇宙射線穿越雲霧室後所留下的蹤跡。

他跟著密立根研究宇宙射線已經兩年了，也對著雲霧室拍了無數的相片，試圖從中發現甚麼端倪。如今他已頗能體會天文學家的孤寂，他們日復一日地在望遠鏡旁守候、觀測、拍照，期待運氣夠好，能從一模一樣的天體照片中發現差異。而自己現在做的不也是類似的事情嗎？

不過他還是試著提高自己的中獎機率──改良雲霧室。他加上了活塞可以藉由氣體體積膨脹而急速降壓冷卻，並且在水蒸氣中混合酒精，因此可以得到比同儕更好的攝影效果。再來就只能靠耐心與運氣了。沒想到這一天，幸運真的降臨了！

洗出來的相片（上圖）上有個粒子的行進方向與電子相反，顯然是帶正電。但從其軌跡的曲率推算，又絕不可能是質子，事實上，它的質量大小幾乎與電子一樣，可以說就是帶正電的電子；於是安德森將這個前所未見的粒子命名為正子（Positron），對外發表。這個正子就是狄拉克前一年所預言的「反電子」，代表電子的反物質；當時受到物理界的普遍懷疑。如今安德森證實了它的存在，讓狄拉克立即在第二年就獲頒諾貝爾物理獎；安德森自己也因此於 1936 年得到諾貝爾物理獎。

就在 1936 這一年，安德森又與學生共同從宇宙射線中發現另一個基本粒子──渺子（muon）。他們原本以為這是湯川秀樹所預測的 π 介子，結果竟是完全不在物理學家的理論之中的奇特粒子。諾貝爾物理獎得主拉比（Isidor Rabi）還調侃道：「這是誰點的啊？」（Who ordered that?）

大多數科學家一生都無法發現新粒子，安德森竟然短短幾年內（尤其是在粒子加速器發明之前）就發現了兩個，難道幸運女神特別眷顧他？其實不然，後來我們知道他並不是捕捉到正子身影的第一人，約里奧─居禮夫婦在他之前就拍攝到正子的軌跡，只是他們理所當然以為是質子，未加以深究，才讓機會就這麼溜走，拱手將諾貝爾獎的桂冠讓予耐心守候的安德森。

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就是那道光！一九五○年代，包括貝爾實驗室等各路人馬競相研發雷射，卻始終難以突破；沒想到最後殺出重圍的，竟是製造飛機的休斯公司旗下實驗室的一名工程師。1960 年 5 月 16 日，物理博士梅曼率（Theodore H. Maiman, 1927－2007）先射出人類史上第一道雷射光。

雷射的原理最早是由愛因斯坦在 1917 年的論文中所提出，基本上就是利用光子激發原子或分子輻射出波長、相位都一模一樣（同調）的光子，然後這兩個光子又激發出更多光子，如此持續倍增而產生能量極強又集中的光束。此所以雷射原來的全名叫做「受激輻射造成的光增強（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 簡稱 LASER）」。

但這畢竟只是理論，實務上如何做出來又是另一回事。經過許多物理學家提供實驗與理論上的貢獻，直到 1953 年，美國物理學家湯斯（Charles H. Townes）才成功做出邁射（MASER），可以發射放大集中的微波束。五年後，他再偕同蕭洛（Arthur L. Schawlow）發表論文，根據邁射的工作原理提出打造雷射的建議方案，這也成為大家研發的指導方針。但梅曼採取的是完全不同的進路。

不同於大家選擇氣體做為激發介質，梅曼採用的是紅寶石（當然不是昂貴的天然紅寶石，而是用人工合成的）；而且另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射，而非大家一貫地持續不斷輸入能量。他在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡，紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子，這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射，又激發出更多同調光子，如此不斷倍增；其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出，就是雷射光。

梅曼於當年八月在《自然》（Nature）科學期刊發表論文，只用了 240 個字，就跟他的方法一樣簡明。在此鑽研已久的科學家們都難以置信，如法炮製後才恍然大悟，深受啟發，很快地開發出不同材料的固態雷射，以及半導體雷射、染料雷射、……等等不同的雷射方式。而今雷射已經普遍應用於各個領域：科學研究（1969 年就用來測量月亮的距離）、醫療（如眼睛手術、皮膚美容）、工業（如切割、焊接）、軍事、建築等等，日常生活中更是到處有它的蹤跡，例如超市掃描條碼、雷射印表機、DVD／藍光播放器、光纖網路、……等等。

1964 年，湯斯與同樣在雷射做出先驅性研究的蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Basov）、普羅霍羅夫（Alexander Prokhorov, 他的生日也是這一天）三人共同獲頒諾貝爾物理獎，而率先發明雷射的梅曼卻始終未獲青睞。但這無礙於他受到各界的肯定；在他的追悼會上，湯斯如此推崇他那篇猶如暮鼓晨鐘的論文：「以平均每個字而言，應該是《自然》過去百年以來最具份量的論文。」

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