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中国科学家赵忠尧为什么未被授予诺贝尔奖?

原标题:中国科学家赵忠尧为什么未被授予诺贝尔奖?

本文作者施宝华为新华社高级记者,本文选自《科学》 1998年第6期

在中国物理学史上,他是一座丰碑!

在世界物理学史上,他也是一颗明星!

然而,他并没有获得应有的荣誉和名位,他一直是那样孜孜不倦而又默默无闻,从不张扬表现自己,以至世人都不甚了解他对物理学所作出的划时代贡献和高尚的为人。

1998年5月28日,当他以96岁高龄辞别人世时,依然悄然无声,他神情极其安详,因为他深以自慰:“这一生一直在为祖国兢兢业业地工作,没有谋取私利,没有虚度光阴”,他对得起时代、对得起国家和人民!

他逝世后虽无特别的哀荣,他的遗体告别仪式也极其简朴,但世界物理学界的巨子对他的逝世异常震惊和悲痛。

杰出物理学家、诺贝尔奖得主李政道、杨振宁从大洋彼岸发来情真意切的唁电。

李政道的唁电说,赵老师发现正电子的工作,与安德逊的实验同样具有划时代重要性,他的逝世是全世界科学界的极大损失!

杨振宁的唁电称,赵老师所作的关于正负电子对之产生及湮没的工作是世界第一流的,他诚朴的处世态度是我们的榜样!

他是谁?他就是中国物理学界先驱者之一、中国科学院院士赵忠尧教授。

这个名字在物理学界是显赫的,但是,由于他的最辉煌的贡献鲜为人知,舆论从未大力宣传他,所以中国今天的社会公众,特别是年轻一代并不知道他。

为了让历史记住中华民族有这样一位对物理学作出过辉煌贡献的优秀子孙,为了向世人进一步证明中国人的智慧和才干,为了告慰为人类作出杰出贡献的物理学家的英灵,也为了让年轻一代能为有赵忠尧这样的杰出科学前辈而自豪,作为一个记者,笔者深感有责任把这位杰出科学家一生中最辉煌的那一页追述出来,献给读者。

一个调换的实验题,把赵忠尧推到了伟大发现的门口

本世纪20年代,已经是清华学堂本科教师的赵忠尧深深感到,中国的物理科学与西方国家的差距太大,这种差距如果不尽快缩小,中国就要永远落后。几经考虑,他决心出国留学。1927年,25岁的赵忠尧抱着振兴中国科学的宏愿,自费赴美国深造。

他考入了美国加州理工学院研究生部,师从著名物理学家密立根(R.A.Millikan)教授。富有经验的密立根很快发现,赵忠尧,这位小个子中国青年,既聪明又用功,很有培养前途。他根据赵忠尧的预试成绩,竭力向中华教育基金会推荐,让赵忠尧享受奖学金。此后三年,赵忠尧每年都可领到1000美元科研补助金,于是,他把原来清华学堂发给的半费补贴转让给了其他同学。

密立根慧眼识才,但非常严厉。他开始给赵忠尧布置的博士论文是利用光学干涉仪作实验的题目。负责实验指导的教师告诉他,做这个题目的仪器已经准备好,如果能如实测量记录光学干涉仪上图纹的周年变化,两年内就可获得实验结果并撰写论文,凭这篇论文就可顺利取得博士学位。赵忠尧听了非但没有高兴,反而脸上挂起愁云。他对这位指导老师说,我远涉重洋来美国求学,只想多学科学技术,好回国报效祖国,能否取得学位并不是主要的。我想去找密立根教授,请他给我换一个难一点的、能学到更多本领的题目。实验指导教师听了颇为吃惊,劝赵忠尧千万不要去找密立根教授,这样会招来麻烦,其他教师和同学也都劝赵忠尧别去自找钉子碰。可是,赵忠尧有股子倔劲,他还是去找密立根教授。

密立根听赵忠尧说要换个难一点的题目,这在他的教学生涯中还不曾遇到过,但他还是同意给赵忠尧另选题目。

过了些日子,密立根把赵忠尧叫到办公室,对他说,你不是要求换个题目吗?我想了很久,决定让你做“硬γ射线通过物质时的吸收系数”这个题目。说到这里,密立根注意地看着赵忠尧,他发现站在他面前的这个中国年轻人并未显出高兴之意,好像还不甚满意。于是,密立根沉下脸,严肃地补了一句:“这个题目你再考虑一下。”赵忠尧心里对这个题目的确不甚满意,因为,在他看来,这个题目仍是属于实验观测性质,还不是很过瘾的难题。赵忠尧是个实在人,他根本没有揣摹密立根教授的心理,便实话实说:“好,我考虑一下。”密立根教授本来心里就有点气,一听赵忠尧说“再考虑一下”,便颇为不悦地说,这是个很有意思、也很重要的题目,我看你的成绩能胜任这个题目,才把这个好题目派给你。你要是不想做就不做好了,不必再考虑了。赵忠尧这时才发现自己惹密立根教授生气了,他很后悔当时“再考虑一下”的表态,马上抱歉地说:我高兴接受这个题目,并一定把它做好!

其实,在当时,虽然密立根教授认为这个题目很重要,但是,密立根和赵忠尧都没有意识到,这个题目会把赵忠尧推到一个物理学伟大发现的门口。

赵忠尧开始做硬γ射线吸收系数的测量实验。这项工作看起来就是一个实验观察、记录、计算问题,实际上是个理论难题。当时,物理学界普遍认为,硬γ射线通过物质时的吸收,主要是自由电子的康普顿散射引起的,用于计算吸收系数的是刚刚问世的克莱因-仁科公式。密立根要求赵忠尧通过实验测量数据,来验证克莱因-仁科公式的正确性。

赵忠尧开始了实验研究。这项工作艰苦而细致。赵忠尧每天上午听课,下午作实验仪器准备,到晚上才能进行实验测量。实验规定,每半小时左右取一次数据,实验往往需要通宵取数据,赵忠尧特地在实验室里放了一个闹种来提醒自己及时操作仪器。

这个实验研究做了一年多,当对实验测量数据进行总结计算时,赵忠尧发现了很奇特的现象:硬γ射线通过轻元素时的散射是符合克莱因-仁科公式的,而当硬γ射线通过重元素,比如铅时,所得的吸收系数比公式计算的结果大了约40%。赵忠尧既困惑又兴奋,形成这种差异的原因是什么呢?他一时无法回答,但他对自己的实验操作、测量、计算十分自信。他认为,可以肯定,这个差异不是因操作误差引起的,而是一种新的物理现象。于是,他很快把这项实验研究的成果写成了论文,并于1929年底,把论文交给了密立根教授。

奇怪的是密立根未作任何反应,他也感到不解:实验结果怎么同预期目标如此不相符呢?赵忠尧的实验测量做得完全准确可靠吗?两三个月过去了,密立根依然未发表意见。赵忠尧有点急了,因为这个论文不通过或不发表就等于推迟了一个科学发现的报道,在科学竞技场上,报道先后往往决定着一项研究的命运。这时,一位替密立根教授管理研究生工作的教授鲍恩(I.S.Bowen),看出了赵忠尧的焦急心情,他跑去对密立根教授说:“我对赵忠尧的实验测量全过程很了解,从仪器操作、实验设计到测量记录和计算的全过程都进行得非常严谨,实验结果是可靠的。”鲍恩的这番话消除了密立根对赵忠尧实验可靠性的疑虑。他终于同意赵忠尧将论文送出发表。

1930年5月,美国《国家科学院院报》正式发表了赵忠尧的论文:《硬γ射线吸收系数测量》。赵忠尧在这篇论文中首先向世界宣布,硬γ射线通过不同物质的吸收系数是有很大差异的,通过轻元素时的吸收系数较小,符合克莱因-仁科公式,而通过重元素时,吸收系数比克莱因-仁科公式计算结果高得多。赵忠尧的发现给物理学界提出了一个重要问题:硬γ射线对轻重元素吸收系数差异意味着什么?就在赵忠尧从事这项开拓性实验的同时,英国和德国的物理学家也在进行类似实验测量。赵忠尧发表论文之后不久,有三个研究单位也分别得到了与赵忠尧实验研究类似的结果,他们也都发现:硬γ射线在通过重元素时出现反常吸收,并推测这是由于原子核的作用所引起的。但是,无论如何,赵忠尧是最早的发现者!

赵忠尧提出并设计实验,首先发现正负电子对的湮没

赵忠尧是个出色的物理科学研究者,当他发现了硬γ射线通过轻重不同元素吸收系数差异极大的奇特现象后,一个新的研究目标已经在脑海中形成:要研究清楚硬γ射线与物质相互作用的机制!他决定做一个新的实验,来观测重元素对硬γ射线的散射现象。他把这个设想告诉了鲍恩教授,征求他的意见。鲍恩对赵忠尧说:你完成了测量吸收系数的论文,评博士已经够了。当然,如果要作进一步研究,也是很好的!赵忠尧见鲍恩并未否定自己的实验设想,就高兴地对他说:“我决定继续研究,请先生能给予更多的指导。”

这时是1930年初,离赵忠尧毕业只有大半年时间。在这样短的时间内,要完成一个开拓性的新实验是非常困难的。不过,探求科学奥秘的强烈愿望,给了赵忠尧巨大力量,他又夜以继日地在实验室干开了。

实验一开始就遇到了困难。按照赵忠尧的设计,实验是在高气压电离室中进行,使用真空静电计进行测量。当时,采用的真空静电计是德国霍夫曼(Hoffmann)教授发明的一种新型真空静电计,加州理工学院的工厂仿制了一批,这种静电计中有一根极细的白金丝,是用包银的白金丝拉制后,再用酸将外面的包银腐蚀掉制成的。白金丝的上端通过一个焊点和电离室的中心电极相连,下端连接静电计指针。赵忠尧接通电源后,奇怪的现象出现了:静电计的指针在十几分钟后仍波动不稳定。赵忠尧仔细检查了仪器和实验操作过程,都没发现问题,他只好跑去求教密立根教授,密立根教授来实验室观察后说,这种新产品我也没用过,但是你必须解决这个问题!

赵忠尧和一起参加实验的同学感到纳闷了,密立根教授为什么这样回答我们呢?有的说,这是密立根教授存心考考我们解决问题的能力,赵忠尧则认为,密立根教授回答至少说明实验研究的设计没有问题,指针不稳定的问题经过努力是有可能解决的。

于是,赵忠尧就琢磨起来,他首先检查是否是仪器周围环境有振动,经过仔细检查,可以排除环境振动干扰的因素,接着又采用强化固定的办法来减轻和消除振动,最后干脆用弹簧把静电计的支架挂住,又把支架放在用四个网球支撑的平板上来减振,没想到所有阻振、减振的办法都毫无效果,静电计指针依旧剧烈地摆动着!

赵忠尧不得不换个思路寻找问题,既然振动无法用物理的方法控制住,会不会是导电不良,电流不稳定引起的呢?赵忠尧在白金丝的焊点滴了一些导电的碳黑墨水,指针果然变得既稳定又灵活了。实验测量的第一个难题终于解决了。

赵忠尧开始观测重元素对硬γ射线散射现象。他选择了重元素铅为观测对象,又用轻元素铝作为比照对象。这项实验观测从春天开始,直到九月份才结束,赵忠尧酝酿很久的暑期旅行计划只能告吹,但是,实验观测获得的重要结果却使他沉浸在无比欢悦之中。赵忠尧进行的这项实验结果极为重要,他首次发现:伴随着硬γ射线在重元素中的反常吸收,还存在一种从未见过的特殊辐射现象,这种辐射非常弱,要把它与很强的康普顿散射本底分开非常困难。赵忠尧考虑到,康普顿散射主要是在朝前方向,便决定在朝后的方向测量,结果获得了清楚的特殊辐射的信息。赵忠尧还进一步测得,这种特殊辐射的能量为0.5兆电子伏,大约等于一个电子的质量,辐射角的分布大致为各向同性。

赵忠尧把这个结果,很快撰写成第二篇论文《硬γ射线的散射》,于1930年10月在美国《物理评论》杂志发表。密立根教授看到学生获得如此重要的研究成果,心中好不得意,好不喜欢。在进行博士论文答辩时,他当着教授们的面“讥笑”起赵忠尧来:“赵忠尧这个小伙子不知天高地厚,当初我让他做这个题目,他还嫌题目太简单,说要‘考虑考虑’呐!”教授们都知道密立根这番“讥笑”,既是为自己教出赵忠尧这样的优秀学生而自豪,又是对赵忠尧表示一番疼爱。密立根话音刚落,教授们都哈哈大笑起来。

赵忠尧的实验研究结果,特别是只有他一人测得辐射能量为0.5兆电子伏这个决定性的数据,引起了物理学界的重视。赵忠尧在加州理工学院的同学安德森(C.D.Anderson)就对此非常感兴趣,在赵忠尧研究的启示下,1932年,安德森在宇宙线的云雾室照片上,观察到了正电子的径迹。此后,人们对反常吸收的特殊辐射才有了新的认识。

对这些实验结果进一步分析,物理学家们终于认定,反常吸收是由于部分硬γ射线经过原子核附近时转化为正负电子对,而赵忠尧首先独自发现的特殊辐射则是一对正负电子湮没辐射!也就是说,如果把人们已经发现的电子称为负电子的话,赵忠尧及安德森则第一次发现了正电子的存在;如果把已经发现的负电子称为物质的话,赵忠尧则是在世界物理学界第一个观测到正反物质湮没的人,因而他也是物理学史上第一个发现了反物质的物理学家。赵忠尧的发现意义是伟大的,他观察到正负电子湮没辐射,比安德森看到正电子径迹,整整早两年,他的研究成果,为狄拉克提出的粒子空穴理论,提供了第一个实验验证,为后来电子对撞机的研制提供了理论基础。赵忠尧的发现也向世界证明了中国人的聪明才智,中华民族的优秀儿女在人类科技领域是有能力创造科学奇迹的。

赵忠尧的研究方法是正确的,结果是确凿的,正直的科学家们都为之欢欣。但是有些人在仿效赵忠尧进行的实验时,并未做出赵忠尧的结果,这就引起了科学界对赵忠尧研究成果的认识不一。后来,布莱克特(P.M.S.Blackett)和奥基亚里尼(G.P.S.Occhialini)这两位当时颇有影响的物理学家,在试图对电子对湮没这个重要科学发现进行评述时,同时引述了当时有关这个问题的三篇论文,他们是格雷(L.H.Gray)和塔兰特(G.T.Tarrant)于1932年发表的论文,梅特纳(L.Meitner)和赫布菲尔德(H.H.Hupfeld)1931年发表的论文,以及赵忠尧于1930年10月在美国《物理评论》发表的《硬γ射线的散射》的论文。引述者在注释中,竟把赵忠尧1930年发表的论文,错成了1931年。更有甚者,引述者据以立论的唯一依据是赵忠尧观测到的辐射能量0.5兆电子伏这个关键成果,其他两篇论文,一篇根本没有观测到辐射,另一篇观测到的是负结果。对于这个区别,引述者并未说明,以致引起人们的误解。现在,我们已无法、也无必要追究引述者何以发表这样离奇的“系列错误”,但是,有影响的学者的这种错误在当时确实混淆了视听,大大影响了科学界和社会舆论对赵忠尧重要研究成果的评价和认识。

正电子的发现获诺贝尔奖,名单中没有赵忠尧

1936年,瑞典皇家科学院决定对发现正电子这项举世瞩目的研究成果授予诺贝尔物理奖,但是,评奖揭晓时,获奖者的名单中没有1930年首先发现正负电子湮没的赵忠尧的名字,只有1932年在云室中观测到正电子径迹的安德森。

这是历史的不公!对于这种不公,物理学界一直议论纷纷。

半个世纪过去了,当诺贝尔奖评审情况解密之后,这个不公之谜才得以解开。

首先,杨振宁和李炳安教授对原始文献作了认真细致的调查研究。以确凿证据廓清了关于正电子发现有关研究的历史本来面目,阐述了赵忠尧教授在这项研究中首创的和独到的贡献,使物理学界更多的科学家知道了这个历史公案。

李政道教授也不遗余力在各种场合,澄清这桩历史公案,充分阐释赵忠尧首先发现正电子的卓越功绩。他还曾与前诺贝尔物理奖委员会主任埃克斯蓬(G.Ekspong)进行了沟通。据埃克斯蓬说,1936年的那次评审会也曾议论到赵忠尧在这项重大发现中所做的工作,但是,后来有两组学者进行类似实验时未获得赵忠尧所发现的结果,因而评审会对赵忠尧实验研究成果的科学可靠性发生疑问。后来查实情况证明,这两位学者之所以未能做出赵忠尧所获得的结果,一个是方法做错了,另一位则是由于仪器的灵敏度不够所致。

经许多科学家验证,赵忠尧所进行的实验研究方法是先进的,结果是正确可靠的。诺贝尔物理奖评审会上因两个错的实验结果和布莱克特、奥基亚里尼两位科学家引文错误的消极影响,而对赵忠尧的首创性实验研究成果置疑,实在令人遗憾。

因发现正电子而获诺贝尔奖的安德森,在1983年出版的一本著作中,公道地承认:当赵忠尧先生的实验结果出来时,他正在做自己的学位论文实验。他的办公室与赵忠尧的办公室正好相邻,他对赵忠尧所做实验的经过与结果十分清楚,并怀有极大兴趣,他当时就意识到,赵忠尧先生的实验已表明有未知的“新东西”存在。于是,他采用与赵忠尧不同的仪器,在有磁场的云室中观测硬γ射线与物质的作用,结果他不但观测到了电子的径迹,同时观察到与此质量相当、方向相反的反物质——正电子的径迹。安德森承认,他的实验是直接在赵忠尧的实验结果基础上做出来的,并受到了赵忠尧实验结果的直接启发!

诺贝尔物理奖评审的历史遗憾是无法弥补的,所幸的是,由于正直的科学家们的努力和主持公道,赵忠尧首先发现正电子的卓越科学功绩,已经在世界物理学界得到认同,特别是埃克斯蓬1997年在他撰写的一篇书评中坦诚地写道:书中有一处令人不安的遗漏,在谈到有关的重靶上高能(2.65兆电子伏)γ射线的反常吸收和辐射这个研究成果时,书中没有提到中国的物理学家赵(忠尧),尽管他是最早发现硬γ射线反常吸收者之一,而且他还独自首先发现了明显的、向后的、多向同性的0.5兆电子伏射线辐射(后来被确认这就是正负电子湮没产生的辐射)。

诺贝尔科学奖这样崇高荣誉对任何一个科学家来说都是神圣的、梦寐以求的和极为难得的,赵忠尧却因他人的过错而与之失之交臂。但是,赵忠尧对此却一直淡然处之,从安德森获得诺贝尔奖后这几十年里,他从来不曾为此有过抱怨。1959年,他在向学生讲课时,曾很客观、很淡然地说起这个故事,但是,也绝不言及安德森在他的研究成果的基础上,受他的研究启发而进行实验研究等情况。

赵忠尧始终乐观豁达,“为祖国兢兢业业地工作”

半个世纪后,赵忠尧在《我的回忆》中说:“我对自己走过的道路重新进行了回顾与思考;唯一可以自慰的是,六十多年来,我一直在为祖国兢兢业业地工作,说老实话,做老实事,没有谋取私利,而是为了人类谋幸福!”

这些朴素的语言,不仅吐露了赵忠尧高尚的人生观,也是这位杰出学者一生为人处事的如实写照。

他热爱祖国,坚定不渝“为祖国兢兢业业地工作”,当新中国诞生后,他冒着巨大风险,把在国外设计、制造、购买的静电加速器设备器件、技术资料带回祖国,使刚刚诞生的人民共和国在1955年就有了第一台700千电子伏的质子静电加速器。他为此在归国途中被日本当局扣压,关进监狱达两个月。后来,他又主持研制成2.5兆电子伏高气压质子静电加速器,使我国较早地迈入了核物理研究行列,较早地培养起一批核物理研究人才,较早地跻身世界核大国之列!

人类社会情况非常复杂,功大有时未必名大,这种功与名反相关系同时代、社会和文明制度、价值观、机遇、人际关系、当事者自身的追求、性格等都有关系。但是,人间正道是沧桑,时间和历史是公正的,事物本来面目终会大白于天下。赵忠尧的功与名一直是反相关系,但是,事隔若干年后真相终于大白。笔者之所以向读者追述赵忠尧生命中那最闪光的篇章,就是为了让社会公众能了解并记住赵忠尧为物理学所建立的卓越功勋。对赵忠尧说来,有没有得诺贝尔奖,并不重要,历史和人民的了解和理解,才是最珍贵、最令人欣慰的!

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