在電影中，歐本海默走進勞倫斯（Ernest Lawrence）的實驗室時，見到他正在打造迴旋加速器。沒錯，迴旋加速器就是勞倫斯發明的，剛好今天是他的冥誕（1901年8月8日），來分享一下他如何發明這個影響深遠的裝置。
天然放射源
1909年，拉塞福於用鐳所輻射出來的α粒子轟擊金箔，赫然發現α粒子竟會反彈，按他自己的形容：「簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈，結果砲彈卻彈回來打到你自己！」。面對此一事實，拉塞福才提出原子的絕大部分質量集中於原子核，週遭圍繞著電子的原子模型。
十年之後，拉塞福又用α粒子轟擊氮氣，竟出現原本沒有的氫原子核（拉塞福便命名為質子）與氧氣。顯然既然氧是由氮變成的，那麼是不是可以也用同樣方法，將別的元素轉化成另一種元素，甚至鍊土成金或是製造出尚未發現的元素？
α粒子實際上就是氦原子核，本身帶正電，而越重的元素其原子核內部的質子越多，對α粒子的正電排斥力也就越強，使得天然放射源所產生的α粒子難以接近，無法一探究竟。拉塞福便在1927年大聲疾呼，要物理學家找出產生高速粒子的方法。
直線加速器
就在1927這一年，從挪威來到德國攻讀物理博士的威德羅（Rolf Widerøe）發現了一篇的論文。這篇論文是瑞典科學家伊辛（Gustaf Ising）於1924年發表的，裡面描繪出直線加速器的構想，也就是在帶電粒子的行進方向上安置多個高壓電場，來推動粒子加速前進。
不過伊辛並沒有把機器做出來，也不知道直線加速器的構想是否真的可行。威德羅便決定以此做為博士論文的題目，結果他藉由轉換電場的正負極方向，先推後拉地加速鈉離子和鉀離子，而於1928年成功將這兩種粒子的速度提高兩倍到5萬電子伏特，完成世上第一台直線加速器。
不過物理學家所需的粒子至少要達百萬電子伏特以上，威德羅這台加速器所能賦予的能量遠遠不足，只能算是完成概念驗證，並不具實用價值。但若要做出百萬電子伏特以上的直線加速器，不但需要很大的空間，也要很高的電壓，建造費用與運作成本都相當高昂。正當歐洲的物理學家試圖克服困難，打造更高能量的直線加速器時，在大西洋的另一端，未滿30歲的美國物理學家勞倫斯卻另闢蹊徑，想出另一種加速粒子的方法。
迴旋加速器
勞倫斯出生在南達克達州的一個小鎮，憑藉著優異的學術表現，24歲就取得耶魯大學的物理博士學位，並在隔年獲聘為助教授。1928年他轉往加州大學柏克萊分校任教，隔年春天，他在圖書館翻閱期刊時，看到威德羅的博士論文。雖然勞倫斯只懂一點德文，無法全然了解論文內容，但還是從插圖看出來粒子加速的原理。他興起也來造一台直線加速器的念頭，但計算後發現要將粒子加速到一百萬電子伏特，所需的距離遠超過現有的實驗室空間。
他尋思是否可能讓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，而且不必用到很高的電壓，就能讓粒子逐步加速到極高的能量。勞倫斯立刻找了研究生李文斯頓（Stanley Livingston）幫忙打造，他們先做出直徑僅4吋的迴旋加速器（Cyclotron），於1931年1月把質子加速到8萬電子伏特，只用到1,800伏特的電壓。
圖片來源：Wikipedia
李文斯頓憑此成果拿到博士學位後，繼續和勞倫斯合作，著手把迴旋加速器的尺寸加大到11吋。1931年8月3日，出差在外的勞倫斯收到一封電報，寫著：「李文斯頓博士要我告訴你，他已經獲得1,100,000伏特的質子。他還要我加上”Whoopee!”。」這無疑是勞倫斯預先收到的最佳生日禮物。
達成這個重要里程碑後，勞倫斯在8月26日就向學校爭取到設立「輻射實驗室」，繼續打造更大的迴旋加速器。他們陸續完成27吋、37吋的尺寸，到了1939年5月已達60吋，可將粒子加速到16百萬電子伏特。
貢獻與影響
自1938年起，輻射實驗室就轟出許多前所未見的放射性同位素，同時也用來進行腫瘤的醫療實驗。1939年的諾貝爾物理獎便頒給勞倫斯，以表揚他在「迴旋加速器的發明和發展及因此取得的成果，特別是在人造放射性元素方面」。不過由於第二次世界大戰爆發，勞倫斯直到隔年二月底才在柏克萊校園內接受頒獎。
曼哈頓計畫啟動後，勞倫斯也扮演了重要角色。他除了向上層力薦歐本海默，本身也負責製備原子彈所需的鈾燃料，所用的便是迴旋加速器改裝而成的巨型質譜儀，以「電磁分離法」將鈾-235與鈾-238分開來。。
第二次世界大戰結束後，輻射實驗室的物理學家麥克米蘭（Edwin McMillan）針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應，於1945年打造出同步加速器，再次突破迴旋加速器的能量瓶頸；到1974年，這所實驗室已經發現16種新元素，另外還發現了反質子與反中子。
輻射實驗室後來改為隸屬於美國能源部的「勞倫斯柏克萊國家實驗室」（Lawrence Berkeley National Laboratory），至目前為止，這所實驗室誕生了十五名諾貝爾獎得主，除了勞倫斯本人，我國的李遠哲也是其中之一。
圖片來源：Wikipedia
另外勞倫斯於1952年在柏克萊東方60公里處設立的分支實驗室，後來獨立為「勞倫斯利佛摩國家實驗室」（Lawrence Livermore National Laboratory）去年在核融合上也取得重要突破。他們於2022年12月首度達成輸出能量（3.15 百萬焦耳）大於輸入能量（2.05 百萬焦耳）的「能量淨增益」里程碑，前天（8月6日）又宣布，獲得比上次更多的輸出能量。
這些科學成就都需要政府挹注鉅額經費才能達成，而這正是勞倫斯在戰後不斷鼓吹的「大科學」。1968年獲諾貝爾物理獎得主、也曾在柏克萊為勞倫斯效力的阿瓦瑞茲（Luis Alvarez）便在悼念他的文章這麼說：「他一定會被記得是迴旋加速器的發明人，然而更重要的是，他應該被記得是現代科研方式的發明人。」
按：本文改寫自發表於本月（8月號）的《工業材料》雜誌
參考資料：
