劳伦斯和回旋加速器(上)

发布时间：06年09月23日

编译杨建邺

欧内斯特·劳伦斯（E. O. Lawrence，1901～1958），美国物理学家，由于发明回旋加速器，获1939年诺贝尔物理学奖。

1929年春，当大学教授们纷纷忙于盘算他们的生活时，劳伦斯倒觉得自己生活还是不错的。但是这时已年近30的他，却还只能在原子的大门外望洋兴叹。在电子这层面纱笼罩下，原子核的真面目始终没有被揭露。在一次讲课中，他说原子核“像一个在大教堂里飞着的苍蝇”，这个比喻把听课的人都逗笑了。全世界的物理学家都在谈论着如何才能将这只特殊的苍蝇捉住。大家都认为只有站在教堂顶上，向这苍蝇发射氢离子才能将它捉住。失去了一个电子的原子——离子，是很容易发射的。由于带着正电，它们像一块下落的石头，冲向带负电的粒子。问题是怎样才能获得足够高的电压使它们下落得更快。原子核在一种称作库仑垫垒(Coulomb barrier)的保护层后面，要冲破这一保护层需要很高的能量。劳伦斯并不确切知道需要多少能量，和当时世界上大多数物理学家一样，他模糊地认为至少是高达百万伏特的能量。能够产生这么高电压的设备还无法制出，再说，绝缘材料也无法承受这么高的电压。

生活在“教师俱乐部”的人，晚上很少不上图书馆的。劳伦斯去图书馆已经成了习惯，他经常在那儿冥思苦想尚未真相大白的原子核问题，并时常翻阅各种科技杂志。一天晚上，他的生活发生了变化。据珀奇(R. T. Birge)后来说：“这是一件很不寻常的事，我巳记不得是发生在什么日期了，只记得他当时没有拿笔记本。很有可能是1929年2月。”

当时，经常有一些人汇给技术期刊中类似读者来信的专栏投稿，有经验的读者认识这些人的名字，并自动地跳过去不读他们的文章。R. 维德奥(Rolf Widere)就是这样的一个投稿人。他是挪威人侨居瑞士。这人轻浮、不守本分，写了许多文章，发表过许多见解，但没有多少人相信他所说的。当时，在《电工学进展》(Archivfür Electrotechnic)上登了一篇维德奥的文章。劳伦斯扫过了文章的正文，却注意到第一页上的一幅插图。

这幅插图画了一对首尾相接的管子，离子通过第一个管子从正极降到负极时，可以得到25000伏的能量。这是一个很普通的想法，得到的能量也相当有限。但是，当离子从第一个管子进入第二个管子时，电极的方向立即改变，于是离子又可以获得25000伏能量。因此，这幅插图形象地描绘了共振的概念。这就是说，只要时间恰当，我们可以用电场力重复加速带电粒子。虽然这个概念已有十年的历史，但维德奥首先提出了这一特殊的装置。

劳伦斯很受鼓舞，他立即考虑；得用多少管子首尾相接才合适？如果管子的数量不限制，则离子能达到的速度也就无限。他在脑子里设想了一幅草图。最后，得出了结论，管子的数量是有限制的，因为离子会像火药射出火枪一样四处散开，当它们还没有达到预期的百万伏加速度之前，早已将管壁射穿。

他放下手中的杂志，兴奋得无法自己。脑子里仿佛旋转着许多令他眼花缭乱的离子，它们边旋转边往下落。旋转，对了，只需让离子在磁铁的两极间运动，离子就会旋转，而且旋转的周期是恒定的。这就是说，在一定的时间间隔里，重复不断地给离子以电的推动力，使它们沿不断增大的螺旋线运动，每转一次就获得更高的速度。这是一个大胆的设想，也是一个很基本的发现。现在，他清楚地知道，可以无限制地加速离子。他写出了一组简单的方程。

他没有再往下读维德奥的文章，就径直回到家中，一头扎到床上。第二天早上刚一醒过来，他立即查看自己的笔记本，发现了他昨夜想到的方程MRω=eRH. 。方程表明：粒子的质量与其运动轨道半径，角速度的乘积，等于粒子的电量与其轨道半径、磁场强度的乘积。在清晨的阳光里，它是那样的确确实实，又是那么美妙，劳伦斯真想找个人分享自己的发现。

布拉迪(Brady)说：

可能劳伦斯把这件事首先告诉了我，虽然我记不得日期了，但这件事我可是记得十分清楚的，因为正是通过这件事我才成长为一个物理学家。我记得他当时风风火火地闯进在莱康特（Le Conte）的实验室，我正在那里解决另一个问题。他的眼睛闪耀着热情的光芒，把我拉到黑板旁。

他写下了一个带电粒子在磁场中运动的方程，然后说：“注意，两边都有R，消掉它。R可以被R消去。你明白这意味着什么？共振条件与圆半径无关（因此离子的加速度不受任何明显的限制），无论怎么加速都行！”我仔细研究了一下黑板上写下的方程，“是的，我明白了，”我回答说，“看来真妙得很。”“R可以被消掉，你明白吗？”他又说了一遍。

我想他也许会不断重复这句话的。我想打断他的话：“关于我那薄膜的事，我还有问题。”但他仍然不断重复R可以被消掉。我不接他的话茬，坚持我提的问题。他的眼睛闪着光。“哦，那个嘛，”他说，“你现在了解的不比我少。继续干你的事吧。”

以前我可从来没见过他这样。他有他的问题，我有我的问题，各管各，互不打扰。这使我有一种可怕的孤独感，我就是在这样的情形下成为一个物理学家的。后来，我和他谈起过这种想法，他说他自己的转折点发生在耶鲁大学。有一次，美国最著名的物理学家R. 密立根(R. Millikan，1868~1953，美国物理学家，1923年因电子和光电性的研究获诺贝尔物理奖。——译注）在切兰尼（Zeleny）的陪同下视察实验室。劳伦斯当时正神情沮丧，觉得自己没有足够的物理智慧，应该改行。但在密立根参观之后，劳伦斯才觉得自己一点也不蠢，因为密立根问了许多傻瓜也能明白的问题，而且在解释之后他还要花好大劲才能弄明白。从那时起，他对自己的事业有了信心。

1931 年8 月，劳伦斯在加利福尼亚大学的留影。

后来，当他对我提起这件事的时候，我就感到也有信心，但他一走，我就又会怅然若失。话又说回来，那天他跟我讲完话后，立即冲出去，我想大约又去告诉别人R可以被消去的事。当房门关上以后，我听见走廊传来了一位研究生特有的埋怨声：“瞧这人！砰地一声把门打开，就像是要进去杀人一样。”

1929年春天和夏天，劳伦斯不断向许多物理学家解释R与R可以相消是多么重要。对物理学家们的反应，他后来在一次演讲中作了如下的总结：“你别忘了，想是一回事，干起来可就是另一回事了。”每次他们都用这句话来搪塞他，然后立即转换话题。

1929年圣诞节期间，劳伦斯去东部作了一次短途旅行，看望他的弟弟约翰，当时他弟弟正在哈佛大学医学院读三年级。奥托 · 斯特恩(Otto Stern，1888~1969，德籍美国物理学家，1943年因原子核研究获诺贝尔物理奖。——译注)，汉堡的一位实验物理学家，当时也在哈佛访问。在这两兄弟面前，斯特恩似乎显得年纪大得多，其实他才41岁，当时因为在分子束工作上的成就(后来因此获得诺贝尔奖)而显得高不可攀。他不懂什么禁酒令，要劳伦斯带他去酒店喝酒。他们三人开怀畅饮了一通红酒。桌布上留下了一圈圈红色的杯印。

这些杯印看起来像一幅幅插图，劳伦斯因此讲起了离子轨道半径不断增大的加速圆周运动。斯特恩听出了神，他没有像别人那样做换话题的暗示。劳伦斯欣喜若狂，把一幅实验装置的设计图画在桌布上。斯特恩弯下身来很仔细地查看这幅图，他那股仔细劲儿，使人真以为他的脑子里有一台计算机在转动呢。斯特恩此时说，“别再谈下去了，赶快回加利福尼亚去动手干吧！”

经斯特恩这么一说，劳伦斯这才如梦初醒。返回伯克利后，他开始筹集必要的人力物力。埃德勒夫逊(Edlefsen)当时恰好完成了他的论文，在实验室里当老师，等待着通过春天的博土学位授予仪式。劳伦斯断定他需要做点什么。于是他又画了张仪器设计图，两人就干起来了。他们又是吹玻璃，又是加工黄铜，制造模型的各部分零件。劳伦斯并没有对他的工作发表过正式声明，但这时世界上每一个大的物理实验室都正在寻找获得击破原子核的高电压的方法。他们开始谈论劳伦斯的新尝试了。

1930年9月，劳伦斯在国家科学院作了一次关于加速器的演讲。在简要介绍以后，在坐的科学家们顿时兴奋起来。在劳伦斯身后的讲台上，摆着他的发明：一个4英寸的圆形盒，盒外伸出一些臂，每个连接处涂上了厚厚的火漆。从外表上看，很难看出这个东西竟是玻璃做的。这个盒子安在一个电磁铁的两极之间。还有一些东西，诸如变压器、振荡管的全套设备以及一个真空泵，则放在地板上。劳伦斯让仪器运转起来。圆形盒里，氢离子在变化的电场中来回飞奔，磁场使它的运行轨道发生改变并开始作螺旋运动。一个电位计显示出离子以比入端电场电压高得多的能量撞击了接受器。劳伦斯说，这就是达到共振的明证。

为了将离子打入原子核里，需要将其加速到具有约100万伏的能量，劳伦斯继续往下说。加速离子的直接途径是把它们置于100万伏的电场中，但因为电压如此之高，制造这样的仪器其困难程度是可想而知的。而他的新方法则可使这个困难迎刃而解。使作圆周运动的离子加速至100万伏的能量，仅仅只需一个较大的磁铁和一个较大的圆形容器，以及一个电压为1万伏的振荡管。“实验表明，可能不存在什么严重的困难，”他下了这样的结论。