二、研制回旋加速器

1928 年 8 月，劳伦斯来到建在伯克利山的斜坡上的加州大学。他受到热烈的欢迎和极高的礼遇。他感到这里的教师是一群出色的、有多方面才能的人，这里的设施与耶鲁的斯龙实验室相比只好不坏。在头一学期他每周教 5 节课。他还是电学和磁学博士考试委员会的主席。“我一点也不想耶鲁大学

（真是奇事），我在这儿占着相对重要的地位，这在耶鲁大学是多少年也达不到的。”他写道。不论是物理学家还是化学家全都怀着热切的心情来参观他的实验并点头称赞。他后来说：“耶鲁大学的态度是他们能恩赐于我什么，而在这里似乎是我能为加州大学做贡献。”

劳伦斯以极大的热情和充沛的精力投入教学和实验，他帮助一些研究生做实验，这些实验的情况发表了，里面没有他的名字。“他给人的印象是他从指头尖一直到全身都充满了活力，走到哪儿就把激动的气氛带到哪儿。当然也带来了和平。”他的一位同事评价道。

这个新来者这么年轻就当上副教授，这么快就能引起教员和学生们的密切注意，系里年长一些的人多少有些羡慕和忌妒，然而从来没有人指责他不努力工作或工作时间短。他如果不在实验室就准在图书馆聚精会神地看当代的物理文献，或在办公室计算什么问题。即使这样他还能抽出时间每周打三次网球。他也能找到时间参加社交活动，人们说他好像不怎么需要睡觉。

在所有的寻求知识的探索中，甚至包括宇宙空间的探险在内，最激动人心的，最重要的是小小的原子这一微观世界。原子比头发的直径要小 100 万倍，然而它却类似于一个宇宙，电子像行星一样围着核子转，这个核子比小小的原子本身小 10 万倍却含有原子质量的绝大部分。也许对原子的探索能使生命本身的秘密被揭晓。英国的原子核物理学家卢瑟福已经让人们看到几世纪以来原子是不可分割的最小单元这个概念站不住脚，并用镭的辐射将一种基本元素变成了另一种基本元素，但当时又有谁知道足以分裂每种元素的原子的可控能量可建立何等的丰功伟绩呢？但是劳伦斯感到若是没有产生这种能量的实际的方法，并设计出能装载它而不会被它所破坏的管子，对小小的原子进行的进攻是难以用人工的方法去完成的。从他在明尼苏达时开始，他就对能够而且最终将会设计出的某种方法感兴趣了。

全世界各个实验室都接受了这一挑战。有 3 个德国物理学家曾企图在山

顶峰之间拉一根 700 米长的链子吸引闪电加以利用。其中一人遭电击身亡。表上已记录了数百万电子伏，但是放电管经不住这样大的电压。怎样才能击中并研究原子呢？劳伦斯认识到只有采用当时还没有做到的、连续不断的、强度大的带电粒子流才能收到效果。

1929 年 4 月 1 日左右，当劳伦斯正在图书馆与约翰逊阅读科学杂志时，发现了挪威工程师罗尔夫·怀德洛在《电工学文献》上发表的一篇文章。文章论述的是钾离子的加速问题。他几乎没有看本文，而是激动地研究了文章的插图。怀德洛把两个管子（电极）排成一条线，用衰减高频振荡电压将钾离子注射到第一个管子中去，当离子行进到两个管子之间时以同样的电压升压一次，与第一次同步。因此当离子从第二个管子中出来时比进第一个管子时能量大了一倍。那么采用几个管子，以增加其长度来连续不断地升压而增大离子的速度，为什么不能将最初的电位和再加上去的电位提高几倍，从而增加能量，使其达到最初输入能量的许多倍呢？在合适的时间重复施加低

的、很容易控制的电压，会使能量比单独一次使用巨大的高压还要高，正如儿童打秋千，需要不断地推才能越来越高，而不是一次就能推得很高。

劳伦斯很快地计算了一下，这一串管子中后一个应该比前一个长多少，他意识到要想得到高能质子就需要一个相当长的管子，这对许多实验来说都是过于笨重的装置，然而若是达到百万电子伏重离子，其装置不一定要太长。他马上着手计算如何减少必须的长度。如果能将这些管子重复使用，结果会怎样呢？这就得把管子变成一个圆圈。他立刻就产生一个想法，即用磁场把离子限制在一个圆圈里。因为离子在磁场里的角速度是不变的，与其速度无关。那么，从理论上说，如果电极是在磁场之中，每当离子沿着直径方向通过将它们分离开来的小空隙时都给以重复加速的话，那么，人们是可以在空的半圆形电极中使离子不断循环的。

劳伦斯怀着发现者的激情跟约翰逊滔滔不绝地谈了一两个小时。约翰逊在劳伦斯的公式和图解中看不出什么破绽。但他指出，要使机器运转来达到如期的效果还无疑会遇到巨大的障碍。另外，一旦得到这个能量之后，将如何使用它呢？劳伦斯认为这不是什么解决不了的问题：人们可以把一个原子靶放在圆形电极的周边附近，想法使螺旋形增加的最高能量的离子击中靶子

——人们还可以从真空管中将它们完全取出来，拿到外面来用。 “我要用它来轰击和破碎原子。”劳伦斯兴奋得几乎喊起来。

不久劳伦斯去华盛顿召开学术会议。他在途中将他的草图发展到更加精细的阶段。而且比过去更加精确地计算了从一个小的实验装置中可能产生多大的能量，以及为了达到最终目的所需要的一切。从理论上说如果爱因斯坦关于质量随速度的增加而增加的公式对这个试验起作用的话，最后则能达到光速。在这样的速度之下，质量的增加可能使靠外边的离子减慢速度，足以防止它们与其它要进一步加速的粒子同步达到两极之间的空隙。

1929 年秋季学期有 8 名研究生在他指导下学习，需要他在实验室多给他们进行辅导。所以他感到人力和时间都很紧张。他经常告诫他的学生：“要经常向你自己提问题，这样一来，想法自己就会出来了，还会避免走许多弯路。”

这时一位年轻有为的理论物理学家奥本海默来到伯克利。他与劳伦斯很快建立了友谊。两人无论在气质、相貌以及对事物的一般态度来说都有天渊之别。使劳伦斯着迷的是奥本海默聪明、敏锐的头脑，对科学领域之外的生活的极大的兴趣和渊博的知识，以及运用语言的娴熟技巧。奥本海默从来没见过任何人像劳伦斯一样“充满了令人难以置信的活力，并对生活如此热爱。他工作一整天，跑去打打网球，接着又是半夜。他的兴趣是如此广泛，有助于解决问题，而我正好相反。”这位理论物理学家和实验物理学家劳伦斯在事业上互相帮助，成为挚友。

尽管很多人认为劳伦斯的想法“太不着边际了”，他还是在第二年夏天之后着手干起来。此时，他很欣赏的青年戴维·斯通来到加州大学攻读博士学位，他成为劳伦斯的助手。劳伦斯让斯通建造一台直线加速器。这是一种可以使粒子沿着狭窄而笔直的路程持续加速的装置。一根有些复杂的玻璃管，允许电连接进去，又可以排除空气。做成之后，劳伦斯和斯通又花了两天时间，仔细地往管里装了 8 根小镍管。这些镍管按顺序一根比一根长，间距在 1～2 厘米之间。它们交替地与震荡器的两根电线相连接。记录结果的仪器置于玻璃管一端，最长的镍管之后，玻璃管另一端作引入汞离子用。他们

借来真空系统，还借来了圆形加速器的震荡装置，以便对其理论和工作进行验证。它的工作原理得到了验证。这台装置成功了。

师生们纵情欢呼，兴高采烈。劳伦斯马上建议增加管子以提供 13 个以上

的间隙，以便利用 220 伏供电线最终产生 2 万电子伏能量。他们做到了这一点。

劳伦斯和斯通合作得很好。劳伦斯从不用高踞人上的命令口气说话。无论学生提出任何困难的建议他都不会去泼冷水。他为研究生组织的杂志俱乐部越来越受到其他教师和学生的欢迎。在那里每个人都可以随心所欲地发表意见，教授们可能像学生一样受到反驳。当大名鼎鼎的德国教授劳厄和鲁道夫·拉登保来参观杂志俱乐部的时候，他们被这里缺乏纪律的情况以及年轻人跟教授们说话时的态度吓了一跳。在这里甚至连博学的奥本海默也被人盘问，在解释所牵扯到的问题的时候，孩子气十足的劳伦斯经常站在研究生一边，而“成熟”的奥本海默实际上比劳伦斯还年轻。

到 1930 年物理系已成为一个活跃的、有创造性的系了，其中劳伦斯作出

了显著的贡献。为此 1930 年 10 月 21 日，校董事们批准提升他为正教授，这样一来，29 岁的欧内斯特·劳伦斯就成了这所学校历史上最年轻的正教授了。

正在此时，美国同世界其他地区一样出现了经济大萧条，劳伦斯也感到了这一点，他尽量为困难的学生申请补助或筹划薪金，或把钱借给他们。国内经济困境没有分散他的注意力，在实验室进行将粒子加速到高能的各种实验，占去了他教学和其他工作之外的所有的空余时间。他在努力发展质子回旋加速器。一切都是新的，没有任何经验可供借鉴，回旋加速器比直线加速器会出现更多的问题。

经过不懈的努力，问题得到了解决。电极上仅有 100 伏电压，却获得了相当于 1300 电子伏的能量。1930 年圣诞节期间，劳伦斯借来了一块强度大一倍的磁铁，1931 年 1 月 2 日产生了 8 万电子伏的质子，这正是根据劳伦斯的计算而预期的能量，至此，对此方法的有效性就不容置疑了。

他决定再建造一台更大的圆形加速器，产生的能量至少应达 100 万电子伏。他精确地计算出了所需要的磁铁尺寸。用于圆形磁共振加速器上的第一块磁体最初只有 9 英寸的极面，上面绕有十四号线包漆。精心制作的小室开头只有一个圆形电极——现在由于它的形状像个“D”字母而称为“D 电极”，以及一个更强大的射频系统。一支接地的开有窄缝的金属棒起着另一个电极的作用。这就使小室的一半可用于调整偏转板，放置靶子，以使高能粒子束全部打在靶子上。

甚至在它被安装之前，劳伦斯就已经在考虑建造一个更大、电压更高的机器了。他认为，采用回旋多次加速法是解决在获取和利用高能时所引起的困难的唯一办法。

劳伦斯成功地说服联邦电信公司把他们原来想制造无线电弧光发电机而没有用上的磁芯捐献出来。有些人认为他确实失去了理智。这是因为，他还没有用他那 4 英寸的仪器证明他的想法是否能实现，比 4 英寸更大的这台设

备还远未建成，然而他现在却在谈 2500 万电子伏！甚至一些过去习惯于实验室里的乐观主义和高昂情绪的学生们也摇头了。但是劳伦斯相信他的工作将会证明是“划时代”的，他说这是“研究原子核整个领域的新开端”。

在帕萨迪纳大会上，劳伦斯谈到了他的“质子旋转木马”。他虽然对获

取极高能量的其他方法也感兴趣，但他指出：在获得足够高的能量来击穿一切元素的核之前，这些方法必然存在一些不可克服的严重缺陷。而采用他的直线加速器或圆形加速器，就可以获得必需的高能，又不需要极高的输入电压。但是会上同意他的意见的人不多。

劳伦斯没有受那些议论的影响。他的 9 英寸大小的回旋加速器已能产生

90 万电子伏的质子，他还在不倦地为取得更高的电压而努力。

他们改变了极面的形状，调整了极面之间的加速空隙，从而大大提高了电流。他们还发现了电磁聚焦，他们现在知道这是改进加速器性能的最最重要的因素。他把磁极面的直径增加到 11 英寸。为克服磁场的不均匀性，他尝试着在磁面与装有电极的真空“盒”之间放上各种形状的小铁片，然后改变小铁片的形状和放置方法，电流提高了一倍，再做些改变，电流又增加一倍，这样就发现了电磁聚焦的另一重大特点。1931 年 7 月，使用改变过的测量仪，在它周边收集到了 100 万电子伏的离子！劳伦斯通过共振使磁体转动，看到电流计摆动起来。他能够分裂原子了！这是科学史上一个重大的事件，在此以前，从来没有人产生过 100 万电子伏的粒子，而使用的加速器的直径只有

11 英寸。

此时劳伦斯在纽黑文认识的美丽文静的姑娘玛丽·希卢默接受了他的爱并与他订了婚。劳伦斯真是双喜临门。

他申请了用学校一座木制的两层楼安装他的加速器，他还在东部争取到大笔的财政支援。设备安装好了，大家要求给这个建筑取个名字。劳伦斯开始称他“穿透辐射实验室”，后来他就称它为辐射实验室。辐射实验室建造的质子加速器那样大的仪器从来没有任何院校的实验室造过。越来越多的研究生到伯克利来入学。有的要求无偿为辐射实验室工作。

从此，劳伦斯日夜不停地在辐射实验室与他的学生利文斯顿以及詹姆斯·布雷迪一起在那个大磁体和它的附件旁工作。他又四处奔走，为实验室找到足够的助手和足够的经费。此时利文斯顿已用这台大机器将质子加速到200 万电子伏，劳伦斯让他去度假，并让他写信将这一消息告知《物理评论》的编辑，信的原名必须用利文斯顿的名字，他对利文斯顿说：“功劳是你的，而我的名字不必在论文上出现。”