四極線中的塞曼效應

四極線中的塞曼效應

在20世紀的物理精英中，艾米奧古伊洛塞格拉（eimonginosegre，19051989）可以被視為幸運。由于加入為重振意大利物理學“昔日的雄風”而創(chuàng)建的“費米學派”,使他有幸拜包括費米在內(nèi)的諸位世界頂尖物理學家為師,并一舉在光譜線的禁戒躍遷、里德伯態(tài)、分子束研究、中子慢化、新化學元素和反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)以及核子碰撞等廣闊領域,取得諸多顯赫的業(yè)績。與此同時,他還以一位極具性格魅力的教師和科學史的終身愛好者而聞名于世。甚至到了古稀之年老驥伏櫪,作為一位勤勉的科學文化使者,贏得世界各國朋友的厚愛、欽佩和景仰?？耸蠂锏娜窭兹窭子?905年2月1日出生在意大利羅馬附近的古鎮(zhèn)蒂沃利(Tivoli)的猶太家庭。父親是意大利著名的工業(yè)企業(yè)家,母親從小就受過良好的教育,家境殷實、教子有方。在家庭濃郁人文氛圍的影響下,塞格雷自少年時代就酷愛科學史。1922年7月,塞格雷中學畢業(yè),遵從父母的意愿進入羅馬大學學習工程學。后經(jīng)好友拉賽蒂(FrancoRasetti)鼎力相助,塞格雷結識了堪稱科學天才、意大利最早懂得量子論和相對論的年輕學者、25歲就擔任羅馬大學理論物理學教授的費米。在費米的指導下,塞格雷和拉賽蒂迅速對科學產(chǎn)生了難以置信的熱情,他們對物理的熱愛程度可以與熱戀相比——每天想的、談的全是物理。1927年,塞格雷轉入物理系,并于翌年以題為《水銀和鋰蒸汽的反常色散》的論文,從費米手里第一個獲得博士學位。嗣后,塞格雷加入在國際科學界享有崇高聲譽的“羅馬小組”,即“費米學派”。就這樣,在費米淵博的學識、精湛的教學方法、有口皆碑的個人品德和人格魅力的影響下,塞格雷逐步成長、成熟起來。1930年11月,他以短信形式給《自然》寄去自己第一篇完全出自于獨立思考的的論文。塞格雷在文中指出:堿金屬光譜中的某些(S-D)禁戒躍遷,起因于通常一級近似計算所忽略的電四極輻射,這可通過觀察這些譜線的塞曼效應來證明。沿著這個思路,他使用羅馬大學一部大型希爾格棱鏡光譜儀,終于觀察辨認出自己預言為四極輻射的那類塞曼效應,并就此寫成題為《四極線中的塞曼效應》的論文,經(jīng)費米推薦在德國《物理學雜志》上刊出。這個成就使塞格雷在朋友圈中得了“四極爵士”的綽號。但鑒于當時羅馬大學實驗條件的限制,信心百倍的塞格雷在深入研究塞曼效應時,難以獲得進一步的成果。于是,他采納杰出的荷蘭物理學家德拜(P.Dedye)的建議,受邀于1931年初夏來到阿姆斯特丹,投入塞曼效應的發(fā)現(xiàn)者彼得·塞曼(PieterZee-man)門下,參與合作研究。和藹可親、彬彬有禮、習慣于從創(chuàng)新角度考慮每一項實驗的塞曼,非常賞識塞格雷。不僅為他申請到洛克菲勒獎學金,并接納他為退休前的關門外家弟子。塞格雷果然不負眾望,在阿姆斯特丹很快就取得了所有預期結果以及其他幾項成果,為合作研究劃上了圓滿句號。返回羅馬后,塞格雷繼續(xù)研究禁線,并發(fā)現(xiàn)和揭示了塞曼效應中的其他一些有趣特點決非起因于四極輻射的禁線,還從理論上證明X射線光譜中也應有四極禁線。這些成果曾被索末菲(A.Sommerfeld)在其再版的著作《原子與光譜》中所引用。1931年底,受費米派遣,塞格雷又來到漢堡,師從當時德國少有的既有財富、又有聲望的實驗理論家斯特恩(OttoStern)學習真空技術和分子束。斯特恩很快就讓他獨立工作,并建議其完成量子化空間動力學的實驗。深受麥克斯韋(J.C.Maxwell)《論電與磁》書中一張插圖啟發(fā)的塞格雷,根據(jù)斯特恩的基本研究框架,用自己重新制作的儀器完美實現(xiàn)了這一實驗構想,得到了令人滿意的結果。不久,拉比(I.Rabi)在深刻領會塞格雷這一實驗的重要價值后,將其與自己的研究成果一起發(fā)表在美國《物理評論》上。1932年10月,塞格雷學成回到羅馬,和費米一起研究原子超精細結構,并共同署名發(fā)表了包括標準的費米-塞格雷公式的著名論文。不久,塞格雷又回到光譜禁線的四極輻射研究上,并在實驗中觀測到諸如鉀和鈉這樣的堿金屬原子的“里德伯態(tài)”,并依然從事阿姆斯特丹工作期間的一些延續(xù)課題,例如譜線位移、二階塞曼效應等等。特別值得一提的是,這些課題現(xiàn)已成為光譜學的重要分支。緊接著,塞格雷參與了“費米小組”一系列成果卓著的研究工作。其中主要有:用中子轟擊靶核產(chǎn)生40種放射性元素①,提出了慢中子理論②,對“超鈾元素”進行系統(tǒng)的探索和研究③。動力學研究的關鍵:與伯克雷合作除了在成才道路上有幸得到費米、塞曼和斯特恩等名師的精心栽培以外,塞格雷一生中的重大轉折點就是于1935年被委任為西西里島巴勒莫(Pa-lermo)大學的教授,當時風華正茂的塞格雷年僅30歲。一到這所大學,塞格雷就以改善和提高這里的物理學水準為宗旨,竭盡全力地開展工作。首先,他將組織安排好工科學生的主要公共課、講授高等物理學和改革考試制度作為第一要務。塞格雷不僅利用研究所長期棄置的儀器和重新制作的新儀器做了很多演示實驗,而且還引入當時對于意大利各大學還是新生事物的筆試。與此同時,針對巴勒莫大學物理系的培養(yǎng)目標——多數(shù)學生將成為中學教師,塞格雷編撰了《初等物理學——從高等物理學的觀點看》一書給學生參考。該書創(chuàng)意新穎,效果頗佳。為了啟動和推進新的科研工作,塞格雷自制了一臺標準電離室,并購買了佩魯佳式靜電計和研究放射現(xiàn)象所需要的其他設備,另外還聘用年輕人做助理教授等等。終于將巴勒莫大學的教學質(zhì)量和科研水平推上一個新臺階,塞格雷的聲望也由此名揚四海。1936年學年結束時,塞格雷利用重訪美國加州伯克利的機會,弄到了經(jīng)高能加速器轟擊過并富含放射性物質(zhì)的材料。他回去后,立即用常規(guī)放射技術進行了化學分離,并率先想到將其中所含的放射性物質(zhì)32P用于生物學實驗。于是塞格雷就向生理學教授阿托姆(CamilloArtom)介紹了當時非常新穎的放射性磷示蹤技術,阿托姆將這種技術用于磷脂代謝研究,他們也從此開始卓有成效的合作。1937年,塞格雷還和佩里埃合作,正確分析了“第43號元素”(即第一個人造化學元素)的主要性質(zhì),并將其命名為“锝”,從不恭維人的費米認為這是該年度最出色的物理學成果。墨索里尼的上臺使意大利國內(nèi)政治形勢日趨惡化,迫于法西斯種族主義的直接威脅,塞格雷不得不做出離開祖國的痛苦選擇。1938年6月25日,他踏上了赴美的流亡旅程,決定投奔伯克利輻射實驗室的勞倫斯(ErnstLawrence)門下,并于1944年正式成為美國公民。當時的伯克利輻射實驗室在勞倫斯的鼓舞與啟發(fā)下,人才濟濟、碩果累累,已成為一個團結奮進的集體和國際物理學界的一個重要研究中心。勞倫斯所創(chuàng)立的“大科學”和大規(guī)模物理學研究風格,成為二戰(zhàn)后大科學研究的樣板。來到輻射實驗室?guī)滋熘?塞格雷就與年輕有為的化學家西博格(GlennSeaborg)一起尋找锝的短壽命同位素,這是塞格雷在巴勒莫研究工作的自然延伸,也是他選擇伯克利的首要原因。嗣后,塞格雷與其合作者以精湛嫻熟的實驗技巧在其他方面又取得了一系列成果。其一,1938年9月14日,塞格雷與西博格寫信給《物理評論》雜志社,報告了他們的重大發(fā)現(xiàn),即找到了馮魏克(C.F.Weizs?cker)在同核異能的激發(fā)態(tài)理論解釋中所預言的核素內(nèi)存在著的反轉電子④。其二,塞格雷與吳健雄等合作,對裂變產(chǎn)物作進一步研究后發(fā)現(xiàn)135Xe是海量的中子吸收者。其三,塞格雷和科森(DaleCorson)等合作,發(fā)現(xiàn)鹵族元素中最末的85號元素“砹”(At)。其四,塞格雷與西博格、肯尼迪(JosephKennedy)等合作,發(fā)現(xiàn)钚(Pu)可用作核燃料或核爆物,開辟了釋放核能的一種新途徑。其五,塞格雷接受奧本海默的邀請,參與“曼哈頓計劃”(研制原子彈工程)的核心工作。而最為卓越的是,他還和他的學生張伯倫共同發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的鏡像粒子——反質(zhì)子,塞格雷的科學人生因此到達巔峰。正電子的發(fā)現(xiàn)和狄拉克(P.A.M.Dirac)理論的成功,給人們很大的啟發(fā)和鼓舞,使人們清楚地認識到物理學中的對稱性是豐富多彩的。它可以分為兩個大層次:定性對稱性(含形象對稱性和抽象對稱性)和定量的數(shù)學對稱性。其中僅就形象對稱性而言,它包括分界線或中央平面兩側各部分在大小、形狀和相對位置中的對應性;適當?shù)幕蚱胶獾谋壤?平移的(線性重復)、轉動的(繞圈的n次重復)、或螺旋形的對稱性(前兩者的組合),以及中心的對稱性(通過一點的重復)。此外,形象對稱性還包括這樣一些對稱性,它們并非發(fā)生在空間,但是就某些別的維度來說卻是有效的。有一種“鏡”對稱性是就時間的維度來說的,它斷言基本的自然過程在時間上沿一個方向進行,這同沿反方向進行沒有什么兩樣。還有一種電荷對稱性,它意味著具有相反電荷(反質(zhì)子、正電子)的反世界同我們這個世界是等價的。因而尋找和發(fā)現(xiàn)粒子的反粒子、反物質(zhì)甚至反世界就成為物理學家不斷追求的目標。多少年來,實驗物理學家們一直致力于尋找反質(zhì)子,卻沒有結果。1955年,伯克利有若干個研究小組參與了搜索反質(zhì)子的行動,塞格雷是其中的主將。他決定向兩個方向進攻:一個方向著眼于確定粒子的電荷和質(zhì)量,另一個則是集中力量觀察趨于靜止的反質(zhì)子在湮滅時的伴生現(xiàn)象。塞格雷-張伯倫實驗小組利用當時加利福尼亞大學自制的一臺能量為6.2×109eV的高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器,將能量為6.2×109eV的質(zhì)子射在銅靶上,產(chǎn)生了反質(zhì)子。但是由于出射束中的大部分粒子是質(zhì)子、中子和介子,要從這么多的粒子中檢測出反質(zhì)子,需要相當高明的實驗技巧。理論所預言的反質(zhì)子的負電荷可以通過它在磁場中的偏轉來驗證,而要確定它的質(zhì)量,至少必須對同一粒子測量出兩個獨立的量:動量和能量或速度與射程。測量是運用磁裝置和12m外的契侖科夫速度選擇計數(shù)器來完成的。在照相乳膠中,由反質(zhì)子轟擊原子核所產(chǎn)生的爆炸蛻變的“量”形徑跡證實了反質(zhì)子的存在。從包含著許多其他粒子的射束中辨別出極稀少的反質(zhì)子⑤,這種高超絕妙的實驗技巧正是塞格雷和張伯倫取得成功的標志。并且“在允許的極限誤差范圍內(nèi),當記錄了約40件符合反質(zhì)子的事件后,人們才能完全確認反質(zhì)子被‘發(fā)現(xiàn)’了”。正是這一突破性的發(fā)現(xiàn),使塞格雷和張伯倫共同摘取了1959年度諾貝爾物理學獎的桂冠。發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子也就成了繼發(fā)現(xiàn)正電子以后人類揭示反物質(zhì)世界奧秘的又一重大成就。所以,塞格雷是當之無愧的探求電荷對稱性的先驅者之一?？蒲信d學,科學文化的創(chuàng)人者20世紀50年代后期,已過知天命之年的塞格雷深深意識到,大科學研究已經(jīng)成了年輕人的使命,他應該轉變角色了。于是,他把主要精力投入教學和傳播科學文化方面。作為一位出色的教育工作者,執(zhí)教多年的塞格雷曾主講物理光學、量子力學、光譜學、熱力學和原子物理學等多門課程。其講課風格不像恩師費米那樣清晰透徹、精雕細琢,而是很有創(chuàng)意。他總是在較高層次甚至是研究生水平上,講授物理學各分支學科的內(nèi)容,頗像一個實干科學家的經(jīng)驗之談。這不僅為學生提供了技術性的具體信息,而且將學生的理解力提高到他們從未達到的高度,進而使他們在接受所學知識內(nèi)容的過程中,受到了作為一個科學家應有的各種素質(zhì)的教育。因此,他的授課方法獲得了很好的效果,深受學生們的歡迎。50年代后期的塞格雷還是熱心而卓越的科學傳播者。他不僅以其主要的科學著作——《反質(zhì)子的觀測》(1955)、《用乳膠感光照片觀測反質(zhì)子星》(1956)、《在約120MeV散射時質(zhì)子-反質(zhì)子彈性和電荷交換》(1958)、《反核子的性質(zhì)》(1964)等,深刻影響和指導著一代又一代的核物理學工作者;而由他擔任主編并組織專家組完成的三卷本《實驗核物理學》(1953～1959),也受到核物理學界的青睞,成為該領域研究人員案頭必備的工具書。同時,塞格雷于1963年出版的《原子核和粒子》一書,現(xiàn)已被譯成多種文字,并于1978年重新修訂再版,如今已被世界各國視為精品教材。另外,塞格雷還是《原子核科學年鑒》的創(chuàng)始人和骨干人物,自1952年成為編輯開始,直到1977年卸任為止。具有較高人文素養(yǎng),從小就閱讀大量物理學史、化學史、數(shù)學史書籍的塞格雷,在20世紀50年代以后把科學史研究作為自己的使命之一。1960年前后,塞格雷開始作科學史方面的演講,如參加在紐約召開的第10屆國際科學史大會,并做了薩頓(Sa