书城科普读物探索未知-诺贝尔物理粒子发现
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第13章 1995年诺贝尔物理学奖——中微子和重轻子的发现(2)

这次诺贝尔物理学奖又一次授予实验物理学家,说明实验在物理学,特别是粒子物理学中的作用。20世纪50年代以来,粒子物理学取得了丰硕的成果。这首先应归功于一系列高能实验装置的运行,尤其是各种类型的对撞机,大大地提高了有效作用能量,再加上多种多样探测器的发明和改进,使产生和探测新能区的粒子成为可能。大规模实验室的建立和科学家集体的合作,实验技术的提高和实验方法的完善,为发现各种新粒子提供了保证。

下面简单介绍两位诺贝尔物理学奖获得者的生平。

佩尔1927年生于美国纽约。他的父母是犹太人,大约在1900年为了逃避贫困和反犹太主义,从俄国(原波兰领土)举家迁移到美国,在美国的贫民窟里定居。由于经营印刷业和广告公司,逐渐上升为中产阶级,才得以让佩尔进入较好的学校接受教育。父母认识到移民只有靠知识和文化才能在美国社会中立足,所以非常重视子女的教育。佩尔也很争气,努力学习,在学校表现很好。1942年16岁就从高中毕业,中间跳了两级。他酷爱读书,什么书都读,每次去公立图书馆,都要借满六本书回家。然而,父母不赞成他把时间都花在书本上,要他多做户外运动,因为一个真正的美国孩子是很爱运动的,他们希望佩尔成为100%的美国人。所以佩尔特别喜欢下雨天,这样就可以留在家里读书。

有两本书对佩尔特别有吸引力。一本是《大众数学》,他从这里学到了微积分。另一本是《大众科学》。为了省钱,他没有买这两本书,而是一次一次地借来读,详细作笔记。他对机械也很有兴趣,读过许多这方面的杂志和书籍。

佩尔深知一个移民要在美国社会不受歧视,就要设法找到一个好的职业。例如当律师和医生等等。他没有敢想要做一名科学家,但他又不愿当律师和医生,于是在高中毕业时,选择了化工专业,进了布鲁克伦多科工业学院。不久第二次世界大战爆发,学业暂停,佩尔因年纪不够,暂不能入伍,于是加入商船学校当学员,后来还是当了一年的兵,返回学校后于1948年以优异的成绩取得了学士学位。在学院里学到的机械、化学实验技术等等知识对后来的实验工作非常有用。

毕业后,佩尔进入通用电气公司,经过一年培训,分配在纽约的电子管部当化学工程师,解决生产电子管过程中的技术问题,有些也涉及电视显像管的生产。为了解决电子管中栅极发射之类的问题,佩尔有时到大学里去学习有关的课程,其中包括原子物理学和高等微积分。此时,佩尔已经23岁,他决心开始学习物理。

1954年,佩尔进入哥伦比亚大学物理系研读物理博士,那里有名师拉比教授。佩尔的博士论文是用原子束共振方法测量钠核的四极矩。原子束共振是拉比首创的方法,已经取得了丰硕成果。拉比并没有手把手地教他实验技术,而是指导他选择合适的研究课题,这是最重要的。当佩尔做出结果并急于发表时,拉比听说法国人用光学共振方法做出了类似的测量。就写信去询问。七八个星期过去了,来自法国的复信告诉拉比,那里确实得到了同样的答案,拉比这才让佩尔发表结果。这件事对佩尔很有教育意义。耽误一点时间不要紧,要紧的是不要出错。与其争第一个没有把握的发表结果,不如第二个发表正确的结果。

拉比经常强调要重视基础研究,他推荐佩尔到基本粒子物理部门工作。1955年佩尔获得博士学位,在密执安大学找到职位。在那里他和格拉塞一起从事气泡室工作。1957年前苏联卫星上天,美国急切地要加强尖端科技。佩尔利用这一时机,向华盛顿建议用发光室和火花室进行基本粒子研究。他的计划得到批准,从而发现了τ轻子。

莱因斯1918年3月16日出生于美国新泽西州的佩特森,父母也是俄国移民,定居纽约州的一个名叫希尔班的小镇上,以经营乡间百货店谋生。他小时酷爱歌唱和音乐。记得有一次在宗教仪式上闲得不耐烦,就用手指弯成环形,像一个望远镜筒一样套在眼睛前面,观看窗外昏暗的景色,他发现景色出现条纹,原来是发生了光的衍射。这是他第一次接触到光的神奇。在中学时他是一个好学生,科学教师对他特别欣赏,把实验室的钥匙交给他,让他自己到实验室里去做任何想做的实验。在高中时,莱因斯曾经负责编辑学生年鉴,他在年鉴上为自己加了一条特殊的按语:“立志成为优秀的物理学家!”

1939年莱因斯在斯特文斯学院获工科学士学位,1941年在斯特文理工学院获数学物理硕士学位。然后进入纽约大学当博士研究生。在考夫教授指导下研究实验宇宙线物理,在普雷申特教授指导下做博士论文,题目为:“核裂变的液滴模型”。1944年莱因斯还未取得博士学位就应聘来到洛斯阿拉莫斯科学实验室,参加费因曼领导的理论物理部并从事曼哈顿计划,第二年即被任命为理论部一个组的组长,后来担任操作仓主任,并与纽曼合作,研究空气冲击波。他在这个实验室工作前后长达15年。1958年担任日内瓦和平利用原子能会议的代表。

1951年莱因斯学术休假,他利用这个机会认真考虑未来的工作,决定尝试对中微子进行观测。他的方案早在1947年就已想出,只是没有条件付诸实践。于是他和考恩合作,向华盛顿提出经费申请。他们本来要利用原子弹试验获得中微子源,不过后来还是决定采用华盛顿州汉福德的核反应堆。1953年汉福德的结果得到了初步的迹象之后,惠勒告诉他们,在南卡罗来纳州新建成的萨瓦纳河反应堆条件可能更好些。1955年莱因斯和考恩转到那里做实验,1956年即观测到了电子型反中微子。不久考恩离开洛斯阿拉莫斯,两人的合作自然结束。莱因斯一度把注意力转向γ射线天文学,随即在萨瓦纳河又开始了一连串研究中微子特性的实验。

莱因斯1959年离开洛斯阿拉莫斯到俄亥俄州凯斯理工学院当物理系主任。在凯斯的7年里,莱因斯建立了一个小组专门研究反应堆中微子物理学、双β衰变、电子寿命以及核子衰变等问题。这一实验计划的最初目标是查明中微子的特性和探试基本对称性原理和诸如电荷、重子数、轻子数守恒之类的守恒定律的极限。这些实验要求降低宇宙射线中的μ子流量,因此必需在地下深处建实验室。这一计划还要求他们发展探测技术,包括要用到大型液体闪烁器和水切连科夫探测器。

1966年莱因斯到新建的欧文加州大学,在那里创建物理科学学院。他的研究小组也和他一起转移到了欧文加州大学,继续推进各项试验。他们证明了重子数守恒定律,确定质子的寿命为3×1024年,1979年再得结果为1030年以上。他还发起在深水下探测μ子和中微子。1976年他获得了电子型反中微子在电子上的散射效应。1964~1972年莱因斯和同事们一起,多次下到南非的深矿井里探测大气层在宇宙线辐射下产生的中微子。他们得到了一系列有价值的成果。他作为欧文加州大学物理科学学院第一任院长在1974年退职,以便全时投入教学和研究,1988年正式退休,却仍宝刀不老,继续在第一线上工作。莱因斯作为高能粒子实验物理学家,他以丰富的实践经验,开创了中微子物理学这一新领域,并且提出了一系列新的实验方案,从而把这门学科继续推向前进。他的注意力还涉及到以下一些课题:中微子穆斯堡尔效应、引力常数G、球面透镜空间望远镜、泡利不相容原理破坏的极限、用超声探讨脑以及新的探测器。这些科学概念、目标和挑战始终激发着这位八旬老人的兴趣。