Liquid_hydrogen_bubblechamber

發明氣泡室的人

發明氣泡室的人

發明氣泡室的人

1953年四月,美國物理學會在華盛頓特區舉辦一連三天的研討會。第一天的午餐時間,餐廳裡人聲鼎沸,27歲的年輕學者格拉澤(Donald A. Glaser)端著餐盤好不容易找到一張桌子坐下。他還視四周,懷疑到了最後一天星期六還會有多少人留下;尤其他的演講排在最後一場,到時聽眾恐怕只有小貓兩三隻。

格拉澤攝於1960年。圖片來源:Wikipedia

格拉澤的演講題目是自己去年發明的「氣泡室」(bubble chamber)。這個構想早在1949年,他在加州理工學院取得博士學位後,便一直在他心中縈繞;起因是他的指導教授安德森(Carl D. Anderson)寫在黑板上的一句話:

「對於今日那些S型掛勾(pothooks),我們做了什麼?」

S型掛勾指的是在「雲霧室」中有著奇特軌跡的粒子,也叫V粒子或奇異粒子。雲霧室內充滿飽和水蒸氣,利用活塞讓雲霧室內部空間瞬間膨脹,使得溫度急速下降;此時穿過雲霧室的宇宙射線若有帶電粒子,便會造成氣體分子游離,水蒸氣即在離子上凝結成小水滴,留下帶電粒子的軌跡。他的指導教授安德森就是在1932年發現正子的軌跡,成為首位證實反物質存在的人,而獲頒1936年的諾貝爾物理獎。

除了正子,還有其它物理方程式中預測的粒子也在雲霧室中現身,但1947年開始陸續發現的奇異粒子卻完全不在預期中,甚至也無法用當時的理論解釋。物理學家深感困擾,想要蒐集更多觀測資料加以研究,但這些粒子神出鬼沒,很少留下足跡。格拉澤1949年到密西根大學擔任講師後,一直思考著怎樣才能更容易捕捉到它們的蹤跡。

雲霧室的氣體密度低,和宇宙射線碰撞的機率自然比較低,若是改用密度較高的液體,觀測到的機率應該就會提高吧?於是格拉澤構思出氣泡室,裡面裝的不是氣體,而是液體;藉由加熱和調整壓力讓液體處於沸點以上卻不沸騰的過熱狀態。此時若有帶電粒子通過,受碰撞的液體便會局部沸騰而產生細微的氣泡,便是粒子的運動軌跡。

氣泡室原理。圖片來源:Wikipedia

格拉澤於1952年做出約拇指大的迷你氣泡室,興沖沖的跟「美國原子能委員會」與「國家科學家金會」申請研究經費,卻都遭到質疑而被拒絕。看來這次研討會的主辦單位也不看好他的發明,才把他的演講排在最冷清的時段。正當他內心無奈的怨嘆時,突然聽到有人問他能否一起坐,他回過神來,原來是在核子物理頗負盛名的阿瓦雷茲(Luis Alvarez,在曼哈頓計畫中扮演重要角色)。

格拉澤在交談中提起自己的發明,阿瓦雷茲聽完眼睛一亮,告訴他自己雖然無法留下來聽他的演講,但鼓勵他絕對不要氣餒。原來阿瓦雷茲正在參與建造當時最大的粒子加速器,如果格拉澤的氣泡室真的可行,絕對是如虎添翼,可以發現更多次原子的秘密。

慧眼識英雄的阿瓦雷茲。圖片來源:Wikipedia

格拉澤回去後用不同液體(包括啤酒)做實驗,並繼續改良氣泡室。1959年,他應阿瓦雷茲之邀到加州大學柏克萊分校任教,著手打造2米長的氣泡室,用於捕捉粒子加速器所產生的粒子。這台氣泡室啟用後果然捕捉到未曾發現的粒子軌跡,格拉澤隨即於1960年因發明氣泡室而獲頒諾貝爾物理獎;阿瓦雷茲也因在氣泡室中發現大量的粒子共振態,獲得1968年的諾貝爾物理獎。

氣泡室的成功證明許多大師都看走眼,其中也包括粒子物理權威費米。其實他比格拉澤更早有此構想,但經過計算後發現並不可行,還寫在他所著的教科書上。格拉澤後來接受訪問時便說:沒有人會質疑從不犯錯的費米;好在自己當時沒看過這本教科書,否則絕對早就放棄氣泡室的構想了。

參考資料:

  1. Donald A. Glaser – Wikipedia
  2. Donald A. Glaser – Nobel Lecture (nobelprize.org)
  3. Bubble chamber – Wikipedia
  4. Donald Glaser, Nobel Winner in Physics, Dies at 86 – The New York Times (nytimes.com)

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