趙忠堯：“世界欠中國一個諾貝爾獎”？ | 歷史
?趙忠堯
撰文 | 田筱超然
責(zé)編 | 葉水送
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1902年6月，中國核物理學(xué)家趙忠堯出生于諸暨城關(guān)鎮(zhèn)趙家弄堂。他不僅是第一個在實驗上發(fā)現(xiàn)了正電子存在的物理學(xué)家，也是中國核物理學(xué)科的奠基人之一，為中國核物理學(xué)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。今天，就讓我們截取趙忠堯先生人生的幾個片段，從中領(lǐng)略這位杰出物理學(xué)家的風(fēng)骨吧。
家國情懷——一個知識分子的擔(dān)當(dāng)
趙忠堯的父親趙老先生是當(dāng)?shù)匦∮忻麣獾尼t(yī)生，雖收入僅夠維持家用，但對這個小兒子，趙老先生寄予厚望，希望他將來能夠?qū)?、民族有所貢獻(xiàn)。關(guān)于父親的這一期望，趙忠堯在他晚年《我的回憶》中這樣寫道：“父親早年自學(xué)醫(yī)道，行醫(yī)為生。他看到社會上貧窮落后、貧富不均的現(xiàn)象，常想為國出力，又感知識不足、力不從心。因此，他只望我努力讀書，將來為國為民出力。”可以說，父親的期望對趙忠堯后來的人生選擇產(chǎn)生了潛移默化的重要影響。
他從東南大學(xué)畢業(yè)后，被歸國任教的葉企孫教授看中，成為清華大學(xué)物理系最早的教員之一。在清華的工作過程中，趙忠堯切實體會到了當(dāng)時國內(nèi)的科學(xué)研究水平和西方的巨大差距，這讓他焦慮萬分，也讓他產(chǎn)生了去西方更深層次地學(xué)習(xí)物理、再回來提升中國科學(xué)研究水平的強(qiáng)烈愿望。
和其他生于那個風(fēng)雨飄搖年代的知識分子一樣，家與國的艱難苦痛，都被趙忠堯一一看在眼里、記在心上。后來無論是在美國求學(xué)期間，還是在新中國核物理事業(yè)的開創(chuàng)階段，這些記憶一直敦促著他、支撐著他向前跋涉過一道道坎坷，承擔(dān)起一個知識分子的擔(dān)當(dāng)。
擦肩諾獎——發(fā)現(xiàn)正電子
出于對物理的熱愛和對祖國科研未來的期許，趙忠堯在1927年決定前往美國深造。正是在這次美國之旅中，他完成了一個被后人認(rèn)為是諾貝爾獎級別的科研工作——通過實驗發(fā)現(xiàn)正電子的存在。
趙忠堯在加州理工學(xué)院師從著名物理學(xué)家密立根開展實驗物理研究，彼時物理學(xué)正處于一個蓬勃發(fā)展的時期：構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子被相繼發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)、相對論等理論體系也逐步建立起來。而當(dāng)時的加州理工學(xué)院也正處在這些研究發(fā)現(xiàn)的最前沿，其中趙忠堯的導(dǎo)師密立根教授，就是憑借以他名字命名的油滴實驗，測出了當(dāng)時最精確的普朗克常數(shù)h，并因此獲得了1923年的諾貝爾物理學(xué)獎。
經(jīng)過一年基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)之后，趙忠堯順利通過了預(yù)試，開始真正進(jìn)行課題的研究。密立根教授一開始給趙忠堯的課題是利用光學(xué)干涉儀做實驗，趙忠堯認(rèn)為這個題目雖然容易獲得學(xué)位，卻學(xué)不到多少技術(shù)，這與他出國深造的初衷相違背，因此他要求密立根教授換一個課題。
在那個教授具有莫大權(quán)威的時代，做出這一舉動需要相當(dāng)?shù)挠職?。事實上，密立根對他提出這樣的要求也頗感意外。過了一段時間后，他重新給了趙忠堯一個題目：“計算硬伽馬射線在物質(zhì)中的吸收系數(shù)”——當(dāng)時無論是趙忠堯還是密立根本人，都沒有完全意識到，這個課題把趙忠堯推到了一個偉大物理發(fā)現(xiàn)的門口。
密立根之所以安排這樣一個課題，和當(dāng)時的物理學(xué)發(fā)展情況是密不可分的。當(dāng)時，物理學(xué)家們對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了很多的發(fā)現(xiàn)，也產(chǎn)生了很多新的疑惑：為了描述進(jìn)行高速運(yùn)動的基本粒子，狄拉克將量子力學(xué)中的薛定諤方程和愛因斯坦的狹義相對論結(jié)合起來，得到了狄拉克方程。
根據(jù)這一方程，他進(jìn)一步提出了空穴理論，認(rèn)為存在一個電子負(fù)能量海，從理論上預(yù)言了正電子的存在。而另一方面，來自宇宙或核反應(yīng)的粒子射線是當(dāng)時物理學(xué)的重要研究對象，它們?yōu)槿藗兝斫饣玖Ｗ拥奈锢硇再|(zhì)、發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個絕佳的平臺。正是出于這樣的考慮，密立根給趙忠堯安排了“計算硬伽馬射線在物質(zhì)中的吸收系數(shù)”課題，他想研究涉及電子的散射問題并驗證理論計算結(jié)果。
1929年底，趙忠堯用放射性元素釷衰變的中間產(chǎn)物ThC（即鉈208）作輻射源，它能輻射出能量為2.6兆電子伏的伽瑪射線。趙忠堯測量了這種硬伽瑪射線在好幾種物質(zhì)中的吸收系數(shù)之后，意外地發(fā)現(xiàn)，射線只在通過輕元素時吸收情況才與理論公式相符，當(dāng)通過重元素時，則出現(xiàn)了反常現(xiàn)象——實際吸收量大于公式給出的量。在我們已經(jīng)知道有正電子存在的現(xiàn)在，這是可以理解的，因為射線在通過重元素時激發(fā)了正負(fù)電子對，所以產(chǎn)生了額外的吸收。這是人們第一次在實驗上發(fā)現(xiàn)正電子存在的證據(jù)。盡管當(dāng)時大家還不理解反常吸收產(chǎn)生的原因。
1930年，為了更多地了解硬輻射在物質(zhì)上的吸收機(jī)制, 趙忠堯在第一個實驗之后又緊接著進(jìn)行一個新的實驗，來研究散射輻射的強(qiáng)度和角分布。這個實驗相比第一個難度更大，因為散射輻射的強(qiáng)度比輻射背景更弱，但趙忠堯以極大的耐心和細(xì)心，解決了許多技術(shù)難題，最終完成了實驗，測量的結(jié)果意外地好。他在這個實驗中發(fā)現(xiàn)，伽瑪射線被重元素散射時，除康普頓散射外，伴隨著前述的反常吸收還有一種特殊的光輻射出現(xiàn)。當(dāng)時測定的這種特殊輻射的強(qiáng)度大致是各向同性的，并且每個光子的能量為0.5兆電子伏，這恰好就是電子對湮滅中，每一個光子帶走的能量。這一結(jié)果表明，伽瑪射線在重元素中的特殊吸收不是由康普頓效應(yīng)引起的。它揭示了一種新的反應(yīng)機(jī)制——也就是我們現(xiàn)在知道的正負(fù)電子對激發(fā)。而額外輻射則是由電子對的重新湮滅產(chǎn)生的。
由此可以看出，趙忠堯的研究工作確實從實驗上看到了正負(fù)電子對產(chǎn)生和湮滅的過程，而這是世界上最早發(fā)現(xiàn)的正電子存在的證據(jù)。然而，1936年諾貝爾物理學(xué)獎卻頒發(fā)給了1932年在云霧室中發(fā)現(xiàn)正電子徑跡的安德遜（C.D.Anderson）。
從20世紀(jì)80年代起，楊振寧、李政道和丁肇中做了大量的調(diào)研、考證，充分肯定了趙忠堯的成就。安德遜在半個世紀(jì)之后的1983年也寫出了當(dāng)年的故事：在加州理工學(xué)院時，他與趙忠堯同為研究生，二人辦公室只有一墻之隔。當(dāng)時他就了解并意識到趙的實驗結(jié)果表明存在一種人們尚未知道的新物質(zhì)，他的研究是受趙的啟發(fā)才做的。20世紀(jì)90年代，曾任諾貝爾物理學(xué)獎評委主任的瑞典皇家學(xué)會愛克斯朋（Ekspong）教授，在解密諾貝爾獎評選過程時就此評論道，這是一個“很令人不安的、沒法再彌補(bǔ)的疏漏”。
近代物理學(xué)研究的一段歷史至此形成公論，有媒體甚至報道：“世界欠中國一個諾貝爾獎”。
篳路藍(lán)縷——四年的美國游學(xué)生涯
除了發(fā)現(xiàn)正電子，趙忠堯另外一大成就則是作為中國核物理科學(xué)的奠基人，為核物理的發(fā)展做出了莫大的貢獻(xiàn)。其中他為了學(xué)習(xí)加速器建造技術(shù)而在美國游學(xué)四年的事跡尤其值得一提。
時間來到1946年，美國在日本投下兩顆原子彈之后，又在太平洋的比基尼小島上試爆了一顆。在距離小島28公里的海面上有一艘軍艦，一群來自各個國家的觀察員正在觀摩這次原子彈試爆，趙忠堯也身在其中。作為第一個看到蘑菇云的中國科學(xué)家，當(dāng)其他觀摩代表在實驗結(jié)束后去美國游玩時，他則馬不停蹄地趕回他在美國的母校加州理工學(xué)院，完成這次前往美國的任務(wù)——了解美國核物理科學(xué)的最新進(jìn)展，設(shè)法購買核物理研究設(shè)備。
然而巧婦難為無米之炊，時任國民黨中央研究院總干事的物理學(xué)家薩本棟輾轉(zhuǎn)匯來的兩筆錢款總共也才12萬美元，要購買科研儀器，尤其是核物理研究亟需的加速器，這點兒錢遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。為此，趙忠堯決定自己學(xué)習(xí)制作加速器的技術(shù)，購買零件回國自己組裝。
于是，他放棄了再次來到美國能夠做出更多研究成果的機(jī)會，先后輾轉(zhuǎn)于加州大學(xué)、加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院等各個院校的多個加速器實驗室，盡可能多地掌握加速器的制作、使用技術(shù)，同時四處尋找工廠加工必需零件。與此同時，他也盡可能地抽出時間繼續(xù)科研工作，在宇宙射線研究等方面取得了不錯的成果。一直到1950年回國，趙忠堯利用這次在美國的四年時間，讓自己再次進(jìn)入到物理學(xué)研究的前沿。而更重要的是，他在靜電加速器的設(shè)計和研究方面學(xué)習(xí)到了很多技術(shù)，為以后中國核物理的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。到1958年，在趙忠堯的帶領(lǐng)下，中國的科研人員終于成功建造了自己的V2加速器，其中趙忠堯在美國的學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷功不可沒。
當(dāng)然，除了前面所說的成就以外，趙忠堯在清華大學(xué)和西南聯(lián)大時期為中國核物理人才的培育上做出的努力，1950年從美國返回中國時經(jīng)歷的種種刁難坎坷，回國后在核物理有關(guān)研究所和科研院系的建設(shè)上做出的貢獻(xiàn)……這一系列事跡在此不再詳述，但同樣也是不可磨滅的功勛。
在晚年回憶自己的一生時，趙老這么說道：“我對自己走過的道路重新進(jìn)行了回顧與思考，唯一可以自慰的是，60多年來，我一直在為祖國兢兢業(yè)業(yè)地工作，說老實話，做老實事，沒有謀取私利，沒有虛度光陰。”對于親身經(jīng)歷過家國多難歲月的趙老來說，“為祖國兢兢業(yè)業(yè)地工作”絕然不是一句套話，而是他一生真實的寫照。他與正電子的奇妙邂逅是歷史上濃墨重彩的一筆，而他與中國核物理科學(xué)的休戚與共，更是一個令人感慨的傳奇。
參考文獻(xiàn)
[1] 《我的回憶》，趙忠堯，見《趙忠堯論文選集》，科學(xué)出版社1992年版；
[2] 《核物理先驅(qū)：趙忠堯傳》，鐘學(xué)敏、段治文，浙江人民出版社；
[3] 《趙忠堯，電子對產(chǎn)生和湮滅》，李炳安、楊振寧，《現(xiàn)代物理知識》第10卷第6期；
[4] Chao, Chung-Yao. The Absorption Coefficient of Hard γ-Rays. Proceedings of the National Academy of Sciences 16.6 (1930): 431-433.
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