研究重新开始

战争使这么多的科学家离开了他们的工作台是物理学的灾难吗？事实上不是的，我们做成的新武器不仅是战争的武器而且也是我们自己的武器。一旦它们被部署好，成就和进步将是壮丽的；我能想象，战争造成的损失在几年内就可以迅速恢复。第一个大的原子核反应堆被建造起来制造原子炸药—

—外。但是它们会产生大量的中子，非常危险，因此把它们用混凝上墙包起来，只留一个小口让一束中子出来，这样就可以对它们进行精密的研究。

特别是它可以用来研究原子核的选择吸收。我们用有特定能量的中子来研究硼核的选择吸收，与我和思特恩在汉堡用过的办法大致相同。一个快速旋转带有窗口的转盘使中子从反应堆中连续被放出来，到达几英尺远的一个计数器，它们经历的时间被精确地记录下来。玻尔预言的分立能级现在被精细地显示出来了，甚至它还可以用分离铀同位素的方法来分离某些特别的同位素。两次电脉冲之间短小间隔的测量方法发展成为雷达，它通过计算短暂的电脉冲被飞机反射回来的时间得出飞机的距离。这些技术已经有很大的改善，微秒（百万分之一秒）是一个太大的单位，它的千分之一，纤秒（光大约走一英尺）被认为比较合适。通过计量一个粒子以接近光速飞过 100 英尺的时间，可以得到它的速度，误差只有 1％；没有一个粒子能超过速度极限而否定爱因斯坦的结论。一个粒子的速度和它在磁场中的弯曲的轨迹可以告诉我们它的质量。这种“飞行时间”的办法后来对确认在猛烈的爆炸之后产生的新粒子起了很大的作用。

另一个雷达的副产品是一门新学科的诞生与发展：射电天文学。但是我要把它放到最后一章，作为我在剑桥精彩故事的一部分。

战后不久，在核物理学中，发生了一件更适合大众口味的事情：闪烁屏，这个 30 年代被电子计数器逐出核物理的灰姑娘，通过与电视时代的王子—— 光电倍增管的联姻而意想不到地回来了。严肃地说，由一个光量子在光电倍增管中释放的一个电子，通过撞击一些电极被放大 100 万倍；每次撞击产生很多个新电子，在一纤秒内形成一个巨大的雪崩。一个光电倍增管能“看见” 快电子在闪烁屏上形成的闪光，甚至能测量出人眼看不见的微弱闪光的亮度。

盖革计数器，由一些人各自独立地制造出来，曾风靡一时。它每分钟能计数几百个粒子，但已不能适应现在放射性物质放出的大量粒子。新的闪烁器计数比盖革汁数器快 1000 倍，并且通过闪光的亮度能对粒子的能量进行不错的测量。除了闪烁屏，英寸见方的透明物质能用来计数 r 射线，而大部分的 r 射线会穿过盖革计数器。萘（樟脑丸的原料）被用来做最初的闪烁器，后来被精心设计的闪烁塑料和液体代替了。

关于这种有力的技术讲得太多了，结果怎么样呢？让我们从一个非常重要的实验开始。泡利在 1930 年梦想的粒子、中微子的存在于 1956 年最后被证实了。人们对“B 射线过程”比较担心，在这个过程中，原子核通过释放出一个电子而改变它的电量：皮特·德拜说它是“一个最好不要去想的东西，就像一种新的税收”。问题在于被释放出来的单个电子带有不同的能量；但作为一个给定的放射性同位素，它们从同样的原子核中被释放出来，又留下

完全相同的原子核。在近 15 年的研究中没有发现任何能解释这种随机能量的理由。

有一段时间，尼尔斯·玻尔严肃地认为 B 射线过程不遵守能量守恒定律。玻尔认为每个理解上的进步都要付出代价，经常要放弃一些曾被认为是绝对的东西。理解行星运动，哥白尼必须放弃（正如亚里斯泰克在 1800 年以前做的一样，但他已经被遗忘了）地球是世界不动的中心的信念；爱因斯坦为了把力学和电动力学统一起来而放弃了绝对时间的概念。现在是牺牲能量守恒的时候了吗？

泡利有不同的想法。在一封开头是“亲爱的放射性的先生们女士们（莱丝·梅特纳是其中之一）⋯⋯”的著名信件中，他提出电子和另一种粒子被同时释放出来了，它们随机地分配能量。这第二种粒子必须没有电量而且很轻，泡利称它们为“中子”。在查德威克发现重得多的中子后，泡利的“中子”被他的意大利同事改名为“中微子”（小中子），然后这个名字就确定下来了。

恩里科·费米把泡利的想法发展成了一个完善的理论，后来他的结论被实验证实了。但逮住中微子的任何念头都失败了，显然，它们不受电磁力和那种使原子核结合在一起的更强的力的作用。有一件事是清楚的：一个中微子一定能被产生它的力作用。但这个力显然是非常弱的，因为一个原子核要用几个小时、几天甚至几年才能完成如此的丰功伟绩。在原子的级别来看，这是一个长得不得了的时间。计算表明，一个中微子能穿过整个地球，而在它的路上几乎碰不到一个原子核。显然，需要非常强的中微子源和非常大的探测器来逮住这个滑头的家伙。

原子反应堆提供了其中的一个，而闪烁计数器是另一个。1953 年，一个装满了 70 加仑闪烁液体的大水柜放在了美国最大的原子反应堆之一的旁

边，这个反应堆是由弗雷德里克·雷恩斯创建的。在水柜的周围有 90 个光电倍增管监视着。希望的信号产生了，但仍有疑问。1956 年一个改进的实验使它确定了。在从反应堆里产生的大量（大约一秒 10 的 20 次方个）中微子中，

每 20 分钟有一个被逮住。不是很多，但作为证据已经足够了，实际上这和预计的一样多。这足以使泡利高兴了，他于几年后去世。

这是闪烁器和光电倍增管这一有力的技术取得的惊人成就。这个技术也给我们带来了许多关于原子核能级的新信息。模糊猜测中的规则性现在能被清晰地看见了；它们能显示出原子核内部的结构，能和 20 年代就已阐明的原子壳层结构相媲美。尼尔斯·玻尔的原子核液滴比喻错了吗？原子核一定不能在非常拥挤的情况下占有轨道吗？

泡利用他的不相容原理又一次找到了答案。我喜欢想像两个原子核之间的友好会面：“我们看起来要撞上了，但我不能进入另一个轨道，你也不能；泡利说，低能级已经都被占用了，我们没有足够的能量进入高一些的能级。所以我们就像没有碰撞一样，再见！”

不管你对这段对话怎么想，这个模型非常有用并解释了很多事实。它解释了“幻数”8，20，28，50，82 和 126：稳定的原子核只含有这么多的中子和质子，并且能被壳层模型严格地推论出来。它还能解释考非耳蒙在哥本哈根以及其他人在别的地方研究的核的自旋和电磁运动。德国出生的马瑞·吉波特梅尔在美国，奥托·亥克斯、汉斯·詹森和汉斯·苏易斯在海德堡分别独立地创造出原子核的壳层模型；詹森和吉波特梅尔分享了 1963 年的诺贝尔

奖。

液滴模型并没有消亡，它仍是对高激发态原子核最好的描述，{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0163-1.bmp}电子的行为更像是乱糟糟的一大群而不是礼貌的舞蹈。但要理解处于低量子态的原子核的中间领域则需要对量子力学罕见的直觉和高超的数学技巧。尼尔斯·玻尔的儿子及继承者伊吉和本·莫特尔逊获得了他们的“集体模型”，是对在杂乱自旋的小滴中核的轨道运动的量子力学的描述。他们的合作工作持续了四分之一个世纪，解释了很多关于原子核行为的细节问题，也使得玛格丽特·玻尔，这位诺贝尔奖获得者的遗孀在 1976 年成了诺贝尔奖获得者的母亲。我深情地想起我最近一

次见她时，她已是 85 岁高龄，还同往常一样慈祥动人。

但是最能抓住公众想像力和改变物理学风格的是巨大的粒子加速器的发展。它们方圆数英里，由几千吨的铜和铁制成。为什么政府会出资数百万去建立它们，并且让几百名工作人员整天维持它们的运转呢？

这一切都是从 30 年代中期由昂尼斯·O·劳伦斯和 M·斯但利·{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0164-1.bmp}利文斯顿在加利福尼亚的伯克利建立起来的回旋加速器开始的。它的基本思想是不靠一次非常大的电压去加速一个粒子，而是靠很多次小的推动。一个几英尺大的磁体用来使质子转圈以节省空间。质子的速度变大的同时它绕的圈也变大了，因此它每绕一圈的时间都一样；一个同样频率的电场产生一个规则的推动力，质子每绕一圈受到两次推动力。在 100 次推动之后，质子的能量可以达到 10Mev，足以使重核分裂：氘核（重氢的核，大约在那时发现的）是更好的子弹。

劳伦斯是一个勇敢的实验者，经常把“不可能”一脚踢开。相对论使速度有极限；但当贝特算出它们时，劳伦斯已经通过使磁场少一些规则性而将他们打败了；为什么会这样，后来才弄明白。他叫他的技术人员把一块离子团放入磁场中，报告说：“不太好，射线变弱了。”他说：“太好了，如果它能变弱，它也能变强！”经过不断的摸索，他果然办到了。在战争时期，他建造巨大的磁体起质谱仪的作用来分离铀的同位素；当用来做磁体绕组的铜用完了之后，比铜更好的导体，数吨的银被从财政部借了出来。

战后，通过在粒子获得速度时，首先改变电场的频率然后改变磁场的方法，把相对论性的势垒打破了。各种各样的天才和技巧被用来在粒子想要逃出它们应在的轨道时把它们拉回来。现在，不断增高能量的大门已经打开，唯一的障碍是建造巨大磁体的不断增高的费用。

但目的是什么？甚至是最重的核也挡不住能量为 20Mev 的质子， 100Mev 或更高的能量是不必要的吗？答案是，它们不是要分裂原子，而是要弄明白核子中间的相互作用力。这实际上是卢瑟福在 40 年前所作尝试的扩展。但它们的结果不是以同样的方式出现的，巨大的惊讶在前头等着我们。达到 100Mev 时，质子看上去非常简单地令人满意；它的行为越来越像一

个直径只有一英寸的一百万分之一的一百万分之一的台球。但到了 150Mev，质子开始像膨胀了似的，更易于和它们路上的其他质子相撞，有些碰撞会产生新的粒子。这些粒子被称为介子，它们在几个月前刚在宇宙射线中被发现。

这个发现不是突然出现的。早在 1935 年，日本的理论家汤川秀树就曾指出一个局域量子与核量子相联系，就像光子是电磁力的局域量子一样。但光子没有内禀质量，而汤川的局域量子的质量必须是电子质量的 300 倍左右。这样的一个介子（质量介于电子和质子之间的粒子）很快就在宇宙射线中被

发现了，但它不符合汤川的预言：它的质量只有电子的 207 倍并且它的穿透力太强了。我们现在称它为 u 介子并把它看成是一类重电子。

真正汤川的介子现在被称为冗介子，首先由很细的晶粒状的感光乳胶拍到。在显微镜下仔细地研究这些轨迹后发现，它带有电荷（要不然它根本不会留下轨迹），而且质量与汤川的预言相接近。它有放射性，在几秒钟内变成一个尸介于。但这还没有完：尸决于它的电性）和两个中微子。

随着巨大加速器的建成，发现了更多的新粒子；现在我们已经知道了几十种，并还有新的不断被发现。它们会都是基本粒子吗？它们使我们想起在100 多年前，几十种不同特性和化学属性的原子使我们认为它们是基本粒

子。在 1920 年发现原子是由质子和中子两块基石构成的时候，我们似乎又回

到了 19 世纪。几十种亚原子的实体使我们相信把它们看作是基本粒子是对的；它们中的一些会比其他的更基本吗？

它们中最古老的是电子，现在仍被看作是基本的，当然，它的反粒子，正电子也是。因为它们是最轻的粒子，所以没有被怀疑隐藏了更复杂的结构。实际上它们严格地符合狄拉克在 1928 年创造的一个简单方程，所有验证这个方程的实验从未失败过。

但现在它们是一个“轻子”家庭的成员了，这个家庭还包括μ介子，两种中微子和它们的反粒子。这个有几个成员的家庭不与别人来往；它们中只有四种与电磁场发生作用，没有一种与主宰原子核的强力发生作用。质子当然不是基本的。第一个证据来自它在磁场中的运动，思特恩和我在 1932 年的测量结果比按照狄拉克理论所预期的要大三倍。它不带电荷的兄弟，中子刚刚被发现；泡利提出了他的中微子；而由狄拉克预言的正电子在 1933 年被观

测到了。之后是风平浪静，物质的基本结构还是那么简单。在 1933 年第一次被观测到的μ介子是即将到来的风浪的一个暗示。

当赛斯尔·鲍威尔和吉斯普·奥克里尼用细小晶体做成的感光底板来扩展他们对宇宙射线的研究时，新的篇章被翻开了。α粒子留下的粗糙的轨迹在本世纪早期已被记录下来了。在 20 年代，维也纳的一批女科学家（主要是卡拉·米莎洛娃、马里塔·布劳和波特·卡丽卡）开始通过改善感光乳胶以求得到精细的轨迹，但被搁置了几十年。战后不久，加拿大的化学家皮埃尔·迪莫斯用非常细的晶粒做成了感光乳胶；英国成立了一个由我的老友约瑟夫领头的委员会，使底片工厂为这种新的可能性服务，一个新的强有力的研究工具开始形成了。布莱克特的触发式云室也加入其中。在大的加速器投入使用之后，来自宇宙辐射不足的粒子数得到大大的提高。

去追踪细致的次序是令人生厌和迷惑的，让我来简单说明一下主要的事实。质子是重子家族最轻的也是唯一稳定的成员，这个家族还在不断地扩大。其中有些粒子的寿命非常短以至于我们无法测量它们经过乳胶的长度；我们是从它们蜕变成的粒子那里得出了它们的存在。它们的寿命约在纤秒的量级，但根据现存的理论，它们的寿命要短许多。因此它们被称为奇异粒子并可能是带有一个或更多单位的无法除去的什么东西（尽管不是像电性或能量一样严格地具有）；那些东西被称为“奇异性”。

18 世纪时，当一个科学家说一个物质变热是因为它含有一种“热质”，我们像他们一样吗？完全不是，尽管我们对“奇异性”的无知和他们对“热质”的无知是可比拟的。我们的困难是无法观察那些阻止奇异的粒子蜕变的实体，所以我们开了一个小小的玩笑，叫它奇异性。

其他的属性如电荷、质量和自旋多少能直接地测量出来，然后把结果变成模型，这样我们就能以数学的方式来研究它们，有点像一只钻木虫在酒吧的天花板上看赌骰子。它会注意到两个白色的方块和随机变化的点数不断地出现在桌子上；但它要足够聪明才有可能在不很近地观察的情况下知道那是两只骰子不同的面。我们处于相似的情况：我们能见到各种质量、电荷和自旋的模型，而我们正试图去猜有着不同侧面的整个结构。

有一种解释曾被忽视后来又被重视，这就是美国理论家穆瑞·{ewc MVIMAGE,MVIMAGE, !08200110_0168-1.bmp}盖尔曼提出的假设，一个重子由三个“夸克”组成，没有人看见过，但（被认为带有电子电量的三分之一或三分之二）应很容易被探测出来。它们看来结合紧密，或者有其他原因使它们不能单独存在。（磁体有两极，但你不可能只见到一个！）盖尔曼认为有三种不同的夸克，但近来数目大有增加；不同的种类假定由“色”和“味” 来区分，甚至莱（charm）也被用来赋予某些近来发现的似乎有魔法保护的粒子。它们也许和引力没有关系，但我从名字的选取上看到了轻率的力量。

像这样一些猜测是有趣的，但要说它们中的哪一个，如果有可能的话，会幸存到下一个世纪还为时过早。但它们是必要的；它们预言一些可被观测的事情，然后实验家们忙着去测试它们，否定掉一些猜测并对剩下的做进一步的研究。整个来看，实验家们竭尽全力地去测量，有时得到不符合预期的结果而激发了一些新的猜想。也许要有另外一个爱因斯坦或玻尔才能把这些相关的碎片都拼起来，创造一个真正合理的理论。

最后是介子。我说过，汤川已预言它们能解释把原子核结合在一起的“原子核胶”，这是一种在原子之间完全没有观测到、只在非常近的距离才发生作用的很强的吸引力。给予足够的能量（至少 140Mev）原子核就能产生一个π介子（最轻的介子）。按照量子理论和海森堡测不准原理，原子核能在它的介子走失而不被观测到以前就把它收回来。我的脑子里出现了这样一幅画，一群男孩四处游荡，有时抛出一个球然后又放回口袋中；如果两个男孩走近了，他们就会互相把球抛来抛去而呆在一起了，因为他们喜欢这样。

同样的，核子之间的相互吸引力是因为它们靠得足够近而可以把介子来回地抛来抛去。这听起来有些神奇，但它符合事实；甚至是质子的额外磁场和 1939 年测到的中子磁场都符合这个原子核不停地制造介子又把它给收回来的想法。

有很多重的介子，它们不能被抛得很远，于是它们作用于那些距离更近的核子。有的甚至比质子还重，与它们的“介子”称号相矛盾。但我们不能老是改它们的名字；我们仍在谈论原子（“不可分割”）尽管我们已把它分成了许多片。

所有的这些将会把我们引向哪里？既然我不是爱因斯坦也不是玻尔，我无法告诉你们。也许需要一些任何人都没有想到过的新概念。那些物理学的战舰，粒子加速器，可以被认为是窥视物质最内层秘密的巨大显微镜。它们象征着纯科学的魄力和能力，不仅是为了获取物质的利益，也是为了我们对自然界的事物有更深的理解。

战争结束后不久，我们开始大批离开洛斯·阿拉莫斯⋯⋯我接受了大英帝国官员的称号。