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宇宙的往事⑪:寻找W.K.Chang

宇宙的往事⑪:寻找W.K.Chang

2019年1月19日,诺贝尔奖得主基普·索恩(Kip.Thorne)在著名的arxiv网站上贴出了一篇名为John Archibald Wheeler: A Biographical Memoir的文章。这篇文章是索恩为自己的导师、高能物理领域的先驱约翰·惠勒(John Wheeler)教授所写的回忆录。经由索恩教授和这篇文章的出版商美国国家科学院和英国皇家学会授权,我将其翻译成了中文(详见不拿诺奖不改名:约翰·阿奇博尔德·惠勒:传记回忆录)。

在中文版里,我将出现的每个人名都翻译成了中文,唯独有一个名叫W.K.Chang的人的名字我保留了英文。他是谁?为什么我没有将他的名字翻译成中文呢?

他是谁?

我也想知道他是谁,因为我的强迫症要求我做到格式统一。于是我和朋友开始根据这篇文章中留下的线索进行寻找。

首先,他叫W.K.Chang,是索恩的这篇文章里唯一一个除了姓之外都是简写的人,看起来应该是一个中国人,姓蒋或者张。

其次,文中描述“W.K. Chang在他的宇宙射线实验室中,发现了μ介原子中的μ介子从一个能级跃迁衰变到另一个能级时所发出的伽马射线级联。”因此,他应该是一个宇宙射线和高能物理领域的专家。

带着这两条线索,我们在各大搜索引擎和相关社交群里寻找符合条件的人,结果却一无所获。

这真是奇了怪了,要知道,索恩文中那段话应该是发生在上世纪40 年代期间,那个年代别说做宇宙射线的中国人了,就是在美国从事物理学研究的中国人都很少很少,而那些人应该都是已经载入史册了。可是,为什么我们还是找不到呢?我也想过发邮件询问一下索恩教授,但想了想,估计他也是在综述中看到了名字的缩写。

无奈之下,我只能尽力克制住了我的强迫症,带着这个遗憾发布了中文版。

中文版发布后不久, @梁昊 在帮我审校的时候告诉我:索恩应该是弄错了。W.K.Chang实际上应该是W.Y.Chang。

W.Y.Chang

张文裕,1910年出生于福建省惠安县,1931年毕业于燕京大学物理系,1935年赴英国剑桥大学卡文迪许实验室攻读博士学位,1939年任昆明西南联合大学物理系教授、南开大学教授,1943年赴美,任普林斯顿大学帕尔麦(现改名为亨利)实验室教授。

看到这里,我明白了,梁昊应该是对的,因为索恩文中提到的那个宇宙射线实验室正是位于普林斯顿大学。

带着这股兴奋劲,我进入了张文裕的世界。

梁昊找到了“W.K.Chang”

“张原子”

从古至今,物理学的最终目的都是追求物质世界的简单性和统一性。“九天之际,安放安属?隅隈多有,谁知其数?”小到最基本的粒子,大到最广阔的宇宙,物理学家们从未停止过对自然的求索。

1897年,汤姆孙发现了原子含有极轻的、带负电的电子,粉碎了原子不可分的观点。

1911年,借助著名的散射实验,卢瑟福证明了原子的质量及正电荷集中于一个极小的核中,原子内部仍有着大片空旷的区域。

1932年,查德威克用α粒子轰击原子核,得到了中子,核物理诞生了。

1935年,汤川秀树提出“介子论”,用来解释质子和中子的结合。

汤川秀树认为,有一种很强的力存在于质子和中子之间。这种力在近距离时强于库仑力,在远距离时又弱的不能再弱。汤川把这种新力称为核子作用或强作用力,它是由于交换一种粒子而产生的作用力。他把这种粒子称为介子。按照汤川的预言,(π)介子的质量大约是电子质量的200倍。

在汤川的介子论提出1年后,维克托·赫斯获得了诺贝尔物理学奖,获奖理由是“维克托·赫斯发现了宇宙射线”。

宇宙射线属于宇宙中四处游荡的粒子,也可以称作宇宙粒子。它是由从外太空入射到地球的高能粒子和在穿越大气层时产生的次级粒子所组成的。美国物理学会前主席Karl K. Darrow曾将对宇宙线的研究描述为“因仪器之敏锐,现象之细微,实验家的尝试之大胆和推理之宏伟”而不同凡响。

1937年,一种质量为电子200倍的粒子在宇宙射线中被发现,这种粒子除了质量以外,其余性质几乎与电子一模一样。当时的物理学家一致认为,它就是汤川秀树的π介子。直到1947年,在宇宙射线中又发现了一种粒子,这种粒子才是汤川所言的π介子。而1937年所发现的那种粒子则被命名为μ介子。

1948年夏天,像往常一样,张文裕静静的坐在普林斯顿的帕尔麦实验室中,把记录有宇宙线粒子轨迹的胶片放在荧光屏上仔细对照,反复地计算着这些天外来客们的能量、质量和衰变的情况。突然,他发现有一些粒子的轨迹似乎有点不寻常。他凝视着这些记录着粒子轨迹的胶片,拿出纸笔,算了又算。正如70年后的一篇写错了自己名字的文章里所说,“W.K.Chang在他的宇宙射线实验室中,发现了μ介原子中的μ介子从一个能级跃迁衰变到另一个能级时所发出的伽马射线级联。”

张文裕在美国普林斯顿大学帕尔麦实验室(图源:中国科学院高能物理研究所图片库)

这个发现表明,宇宙射线中的μ介子不是科学家们一直认为的引起强相互作用的粒子,而是参与了弱相互作用的粒子,它和有关的原子核可以组成一个临时的原子。这种粒子被称为μ介原子。它们不仅在原理上很有意思,而且因为μ介子与原子核的结合比它所取代的电子更紧密,可以更好地探测原子核性质。

1953年,哥伦比亚大学建成了世界第一台高能粒子加速器,利用这台仪器,张文裕的发现被世界所认可。为了表达尊敬,同事们将张文裕发现的μ介原子命名为为“张原子”,而他发现的伽马射线级联则被称作“张辐射”。

国士无双

张文裕所处的那个时代,正值新中国的建立和抗美援朝,在这个背景下,回国建设新中国既是广大留美学子的内心呼唤,也是一场困难重重的考验。面对钱学森被美国海军次长丹尼·金布尔比作“五个火箭师”,然后受到迫害关进恶魔岛的例子,张文裕说,“我是个中国人,我的祖国需要我!”

1956年,张文裕放弃了在“亚美利加”取得的地位和成就,登上了一艘停泊在美国旧金山海岸的远洋轮船。就在轮船即将起锚的一刹那,美国移民局的一位官员用英语把张文裕喊到了岸上。在向移民局表明了自己只是回国探亲、而不是永久离开美国之后,张文裕如释重负的回到了船上,回到了故乡。

或许是受之前哥伦比亚大学的那台高能粒子加速器的影响,归国之后,张文裕一直致力于推动属于中国自己的高能粒子加速器的建设。他说:“定量研究是物理学发展的关键;新现象的发现只不过是问题的开始,规律性的关系是从定量研究中产生的。”宇宙射线毕竟不是人为可以控制的,要想研究好基本粒子、发展好中国的高能物理,就需要建设中国自己的高能物理实验基地,建设中国自己的高能粒子加速器。

1972年,张文裕与其他17名科学家一起联名上书周恩来总理,为了便于高能物理研究,要求建设高能粒子加速器。周恩来总理很快批复了意见:“……这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来,同时又要把理论研究和科学实验结合起来。高能物理研究和高能加速器的预制研究,应该成为科学院要抓的主要项目之一。……”以此为契机,中国科学院高能物理研究所成立了,张文裕任高能所首任所长。

1977年,经国家批准,高能所开始筹备建造一台500亿电子伏的质子环形加速器,原定10年建成,定名为“八七工程”。然而事与愿违,5年后,因为国民经济调整,“八七工程”被迫下马。

塞翁失马,焉知非福。“八七工程”下马之后,经过与许多国际知名物理学家的商讨,以及为了保证刚刚发展不久的中国高能物理事业的延续,国家又批准建造一台2×22亿电子伏的正负电子对撞机,定名为“北京正负电子对撞机工程”。

1988年10月16日,中国第一座高能粒子加速器--正负电子对撞机首次对撞成功。此时的张文裕已经坐上了轮椅。

张文裕先生坐着轮椅到储存环隧道了解工程进展情况(图源:中国科学院高能物理研究所图片库)

4年后,久于病榻之上的张文裕先生于弥留之际留下遗嘱,希望自己百年之后能够长眠于对撞机旁,那里有他的心血,有他的一生。

坐落在北京正负电子对撞机东侧的张文裕先生塑像

“诸将易得耳,至如信者,国士无双。”--《史记·淮阴侯列传》

编辑于 2019-02-12

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    我将在专栏中不定期更新天文及物理方面的科普,主要将集中在黑洞天体物理领域,并会有一些天文学史及近现代天文学研究进展和讨论。 同时我将在每周五更新一些我最近看文献或者教材所记录的一些笔记。