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核科学群英谱(5):诺奖落选者---伽莫夫、外兹扎克 精选

已有 5911 次阅读 2022-6-22 16:42 |系统分类:科普集锦


查德威克在1932年发现中子后,原子核科学立即成为彼时科学前沿领域的大热门。在30年代作为物理学中心的欧洲,研究讨论原子核是很时尚的,产生了许多新的想法,研究进展日新月异。


在我们这个群英谱系列中有几位特别学者,他们对于人类认识原子核这个物质层次做出了重要贡献,然而名字都没有出现在诺贝尔奖的榜单上,早期有二位大学者----伽莫夫(George Gamow)和外兹扎克(Carl Friedrich von Weizsäcker) 。


在二十世纪因为核科学方面的贡献而被授予诺贝尔奖的学者有三十多人,这几位学者并没有获得过诺贝尔奖,我们为什么还要把他们拿出来说事儿呢?一个原因是虽然他们不是诺贝尔奖的获得者,不过他们的成就确实属于那个量级的人。实际上每个领域都会有这类学者,我们在以后系列文章中还会提到其它没有获得诺贝尔奖的重量级核物理学家。我们把伽莫夫和外兹扎克放在一起的直接原因是他们二人的工作关联度很大,我在本文后面会提到相关具体内容。


我们还是先简单介绍一下他们各自的背景。伽莫夫是上世纪很出名的物理学家,在原子核科学、宇宙学二个领域都有重要贡献。他的出生地现在位于乌克兰境内,他的父母都是教师;他先在老家上了大学,后来去列宁格勒大学在Alexander Friedmann (1888-1925, 现代宇宙模型的早期著名学者)指导下做研究,不幸的是Friedmann 英年早逝, 不过他那时有一个重大收获,就是认识了许多同道朋友,如朗道 (Lev Landau) 等人,自称“三剑客”。他毕业后去哥廷根、哥本哈根、剑桥工作,他的博士论文是原子核方面。


他在哥廷根时(1928)发表了关于放射性的微观图像,那是当时刚建立的量子力学一个绝妙应用,即alpha 粒子衰变是通过隧道贯穿效应而发生的。现在这种效应已经是量子力学的基本概念,伽莫夫最早、完整而正确地解释了这个现象。


他在哥本哈根期间(1930年)提出了原子核的液滴模型(而那时人们还没有发现中子)。所谓液滴模型指的是原子核的”液滴”图像,有体积能、表面能、不容易被压缩等。伽莫夫这个天才由于在苏联受到很多限制,1931-1932年期间一直找机会离开苏联。在1933年他终于借着去布鲁塞尔一个会议的机会携妻子在居里夫人等的安排下离开,他先在居里研究所、伦敦大学工作,1934年去了美国华盛顿大学做教授,1936年发表了著名的伽莫夫-泰勒 (Edward Teller) 原子核beta衰变理论。这位泰勒先生后来被称为美国的氢弹之父,也是杨振宁先生的导师。


宇宙大爆炸的思想是1932年勒梅特提出(1929年哈勃定律提供了这方面重要的观测性证据), 伽莫夫继承了这个思想(也包括他的老师Friedmann的非静态宇宙思想),发展了宇宙大爆炸理论。他的第一篇相关论文是1948年,后来不断补充完善,他对于宇宙中元素起源也给出了正确的图像和研究方向,而宇宙元素的合成过程机制的相关细节至今仍然这是原子核物理与天文学的交叉学科---核天体物理---中最重要的前沿课题之一。


本文的第二个男主角外兹扎克来自于一个显赫的家族, 他的祖父(Karl Hugo won Weizsacker) 曾是 Wurttemberg 王国的总理并被授予世袭的爵位, 他父亲 Ernst von Weizsacker 是外交家, 长兄 Richard von Weizsacker 曾在1984-1994 年任德国总统, 儿子 Ernst Ulrich von Weizsacker 是学者兼政治家、 他的女婿 Konrad Raiser 也是知名政治家;他本人四岁时授予男爵。外兹扎克在17岁到21岁期间在柏林、哥廷根和莱比锡跟随海森堡、尼尔斯-玻尔等人学习物理、数学和天文学,博士论文导师是原子物理专家洪特(Friedrich Hund)。显赫的家庭背景使得他在年青时的成长过程非常顺利。


外兹扎克在1935年(23岁)时有一个工作现在所有教科书上都详细解读,就是所谓原子核半经验质量公式,也常称作外兹扎克公式。这个公式对于原子核的结合能提供了一个绝佳的唯象图像,使得原子核这个由质子和中子组成的复杂量子多体系统结合能得以很好的描述。这个公式继承了伽莫夫液滴模型的思想,同时加入了所谓的对称能项。当然因为内部的质子之间静电排斥需要引入所谓库仑项等。外兹扎克公式里每一项都具有明确的物理意义,而且图像简洁,可以说是原子核质量唯象模型的典范。直到现在外兹扎克图像依然是原子核质量研究很好的出发点,近年国内王宁等人用这个图像在质量模型方面的工作很有影响。


我们在面对复杂问题时要抓住主要矛盾,然后再考虑次要矛盾;不过象外兹扎克公式那样精准的实例不多见。重质量原子核的结合能可以在1500 MeV, 而外兹扎克公式的精度在 10 MeV 量级,也就是大约有 99% 这样的精确度;  这是多么漂亮的结果。


外兹扎克先生在年青的时候在恒星内部原子核聚变过程方面也做出重要贡献,他提出恒星核聚变循环方面的理论,后来被称为贝特(Hans Bethe)-外兹扎克过程;他还独立地在太阳系形成方面做出了杰出贡献。伽莫夫曾经在这方面对外兹扎克的理论做过补充完善 (G. Gamow and J. A. Hynek, “A New Theory by C. F. Von Weizsacker of the origin of the planetary system”, The Astrophysical Journal Vol. 101, 249 (1945)). 可见这两位“同是诺奖沦落人”在研究兴趣上是很有缘分的。


德国人是否在二战期间试图开发核武器以及外兹扎克是否积极参与是有争议的,有些“证据“之间是相互矛盾的。第一件事是1939年8月 在爱因斯坦写给罗斯福的信中警告美国提到德国的核计划, 特别突出地写到(highlighted!) ``德国一位副部长的儿子von Weizsacker在柏林 Kaiser-Wilhelm 研究所工作, 那里美国人关于铀的工作也正在被重复出来."。1990年莫斯科找到了外兹扎克在1942年注册的一个专利,里面提到了”通过爆炸产生中子和能量的过程“。另一方面, 外兹扎克对于核武器的态度似乎一直表明他的反核与和平立场, 甚至包括他说服他的老师海森堡找Niels Bohr 共同安排国际核物理学界不做核弹。他在二战后期在斯特拉斯堡附属纳粹德国的一个大学(1941年建立)做教授, 盟军也是从缴获他的文章和实验室里才知道德国其实并没有发展核武器;据说他在私下里曾说”假如我们希望德国赢得战争,我们也会做出来的“。二战后他在反核与国际和平方面做了杰出贡献,他很长寿(94岁),在晚期主要研究哲学和伦理学,也取得了很大成就。


根据记载, 外兹扎克先生距离诺贝尔物理奖比较近,外兹扎克共被4次提名。







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