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迴旋加速器的發明 │ 科學史上的今天:08/03

尋找組成宇宙萬物的最基本粒子一直是科學家孜孜不怠的目標──而這完全取決於有什麼工具可用。一開始只能依賴具有放射性的天然礦物;拉塞福就是用精煉後的鐳所發射出來的 α 粒子轟炸金箔,才發現原子核。再來是靠宇宙射線;安德森就是從中發現正子。然而這兩種方式都是靠天吃飯,不但粒子來源不穩定,更重要的,因為先天的能量侷限,無法再深入探究;於是拉塞福在 1927 年大聲疾呼物理學家要找出天然放射性以外的高能粒子來源。

最直接的方當然是用高壓電加速帶電粒子。第二年,留學德國的挪威籍物理學家威德羅(Rolf Widerøe)就率先設計出直線加速器。但是要建造百萬伏特以上的高壓電所費不貲,運作成本也相當高昂,還有漏電的危險;若要再往上提高電壓,這些不利因素形成的障礙將更難克服。難道別無他法嗎?不到三十歲的美國物理學家勞倫斯(Ernest Lawrence, 1901-1958)想出了一個方法。

勞倫斯 24 歲就取得博士學位,29 歲成為加州理工學院有史以來最年輕的正教授,一直是備受矚目的年輕學者。1929 年春天,他在圖書館翻閱期刊時,看到威德羅的一篇論文;雖然勞倫斯只懂一點德文,但他從插圖看得出來是在直線加速器上用許多電場多次加速粒子。勞倫斯計算了加速到一百萬電子伏特所需的距離,發現遠超過實驗室的大小;他想著怎樣才能讓粒子加速器擺得進實驗室,忽然靈機一動:把直線改成螺旋狀,用磁場引導帶電粒子的行進方向,如此就能縮小加速器的尺寸,而且僅需一對電極就能在粒子每次經過時予以加速,而逐步推昇至極高的能量。

1931 年元月,勞倫斯的研究生李文斯頓(Stanley Livingston)打造出直徑僅 4.5 吋的迴旋加速器,只用一千八百伏特的電壓就把氫離子加速到八萬電子伏特。他們接著打造 11 吋的迴旋加速器;1931 年 8 月 3 日這一天,李文斯頓成功加速到一百一十萬電子伏特的里程碑,證明了迴旋加速器的潛力。

科學家終於有了前所未有的利器,得以進行過去難以想像的粒子物理實驗;勞倫斯因此獲得 1939 年的諾貝爾物理獎。1945 年,勞倫斯實驗室裡的麥克米蘭(Edwin McMillan)針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應,打造出同步加速器,再次突破迴旋加速器的能量瓶頸。如今,大強子對撞機(LHC)的能量高達萬億電子伏特以上,周長 27 公里,已非勞倫斯當初在圖書館畫下迴旋加速器的草圖時,所能想像的了。

 

 

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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關於作者

張瑞棋

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。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。