赵忠尧，转身即核爆
2024-11-14 00:00赖逸翰
新华月报 2024年19期
“请戴上墨镜，在第一道闪光过去十秒之前，不要摘下墨镜或直视火球。”话毕，爆炸倒计时开始。
1946年，比基尼环礁，人类历史上第四颗原子弹将被引爆。爆炸中心20英里外，“潘敏娜”驱逐舰漂在太平洋上，甲板上站满了联合国原子能委员会代表。物理学家赵忠尧挤在人群中，等待一切发生。
巨响，火球，冲击波，蘑菇云，放射性尘埃重创爆心周围的靶舰。辐射蔓延开来，但20英里的距离，足以保护住赵忠尧。
核威胁近在眼前，达摩克利斯之剑悬于人类之上。
时至今日，我们仍然不知甲板上的赵忠尧在思考什么。
无法忽略的是，第四颗原子弹的成功爆炸，标志了因发展核武器而备受批评的十字路口行动阶段性完成，彼时连核物理研究都不曾有的中国也来到了十字路口。
观看结束后，赵忠尧没有随大部队登上回国的飞机，而是按与萨本栋教授所计划的，再度留在了美国。此行，赵忠尧的目标是为中国自主制造出一台加速器，以用于核物理研究。
1950年，几经波折，带着技术和部件的赵忠尧终于得以回国，开始大展手脚。
在随后的几年里，他用在美国费尽心血购置的器材，一点一点拼凑起了中国第一台700keV质子静电加速器；又从磨玻璃环、涂胶开始，在1958年“攒”出了一台2.5MeV高气压型质子静电加速器。
终于，中国有了自己的核物理实验设备，这是制造原子弹的重要一步。而后，曾主持建立中国第一座核物理实验室的赵忠尧，加入了共和国初期的原子核科学研究队伍，参与核反应的相关实验。
1964年，在新疆罗布泊荒漠，中国第一颗原子弹终于试爆成功。彼时的赵忠尧，正忙于为下一代物理人才奔走，落实中国科技大学“近代物理系”课程设置。而他多年前的学生王淦昌、钱三强、邓稼先、彭恒武等被后世称为“两弹一星”元勋的物理学家们，则长久地扎在核武器研制基地里，为此刻的爆炸欢呼。
但赵忠尧的人生并不是一来就与核直接相关。在最开始探索物理时，他是宇宙射线的研究者，是物理史上首个观测到正负电子湮灭的反物质发现者，是值得一个诺贝尔奖的物理学家。
他曾说：“一个人能做出多少事情，很大程度上是时代决定的。”所以哪怕诺贝尔奖委员会错误评估了其工作成绩，赵忠尧对此也不在乎，不申辩。在更长的时间维度里，他更加务实且坚韧，只求做成事，不问名。
正—负电子对湮灭
20世纪头30年，物理学界的新发现异常多。
玻尔提出“原子模型”与“互补理论”，与爱因斯坦来回交锋；海森堡的“矩阵力学”横空出世，而后与薛定谔的“波动力学”握手言和，被狄拉克与约旦证明两者在数学上等价；紧接着狄拉克又给出了狄拉克方程，在无意识的情况下，以理论计算的方式预言了反物质正电子的存在。
赵忠尧的故事，从这里开始。
狄拉克方程被提出的这一年，1928年，在美国加州理工学院读博的赵忠尧从密立根教授手中接过“硬伽马射线通过物质时的吸收系数”的论文题目。他用铊208作为辐射源，让其辐射出能量为2.65MeV的硬伽马射线分别穿过轻元素和重元素，以观测、计算吸收系数。
在当时的物理世界里，物理学家们普遍认可伽马射线通过物质时的吸收，是由康普顿散射所引起的。于是，他的这个实验，主要是为了检验刚问世的，用于描述康普顿散射的克莱因—仁科公式是否正确。
做实验从来不是一件简单的事。因实验室工作紧张，赵忠尧通常需要上午上课，下午准备实验仪器，夜晚通宵取数据。“为了保证半小时左右取一次数，不得不靠闹钟来提醒自己。”赵忠尧在小传中这么写道。
好在断断续续的睡眠最终换来了可靠的实验结果。
当赵忠尧将实验结果与克莱因—仁科公式做比较时，发现：只有当硬伽马射线穿过轻元素时，实验结果才与公式相符合；当硬伽马射线穿过铅等重元素时，其吸收系数要比公式所给出的数值大出40%。
也就是说，当硬伽马射线穿过重元素时，会产生反常吸收。
但这个实验结果与密立根教授的预期不符。因担心实验结果有误，密里根教授并没有选择立即发表该论文。
这一搁置，就是两三个月。赵忠尧有些着急了，好在全程关注赵忠尧实验细节的光谱学家鲍文教授出面，向密立根教授保证了实验结果的可靠性，论文终于1930年5月在《美国国家科学学院院报》上发表出来。同时期，英国与德国的科学家也得出了类似的结果。
反常吸收的实验告一段落，博士毕业所需的成果已有，此时距离赵忠尧毕业只剩下大半年的时间。但赵忠尧止不住好奇心，想要继续探索硬伽马射线与物质相互作用的机制。
1930年春天，赵忠尧决定放手一搏，选定铝元素与铅元素作为轻、重元素的代表，开始比较两者的散射强度，以探测散射辐射的强度和角分布。
第二个实验开始，却没那么简单。设备不稳定，散射辐射比背景更弱，都可能导致实验失败。大胆、细心与耐心，以取消暑期旅行作为代价，最终让赵忠尧在9月测得了良好的实验结果。
结果显示，当硬伽马射线被铅散射时，除了康普顿散射，伴随着反常吸收还存在着一种特殊散射辐射。这种特殊散射辐射大致是同向各性的，波长为22X.U，即相当于0.5MeV的光量子。
这证明了硬伽马射线在重元素中所出现的反常吸收，并不是由康普顿效应所引起的，而是因为硬伽马射线与原子核发生作用产生了正负电子对。而此次实验首次发现的特殊散射辐射，正是一对正负电子湮灭并转化为一对光子的湮灭辐射。
这个实验结果是惊人的。
当年2月，奥本海默刚完成了论文《关于电子和质子理论》，其根据狄拉克方程正式在理论上提出，电子一定有一个质量相同的、带正电的对应物，即正电子。当时，泡利和玻尔都对这一假设持怀疑态度，而仅仅7个月后，赵忠尧便实际观测到了正—负电子对的产生与湮灭。
彼时，赵忠尧还与在隔壁实验室工作的安德逊谈到，应该在云室中做一次附加散射辐射实验。
1930年10月，赵忠尧把包含着这个结果的论文《硬伽马射线的散射》，发表在《物理评论》上。但这项开创性的工作，在当年并没有得到应有的重视。
因为在此后的一两年内，重复做这个高难度实验的物理学家都曾陷入失误，以至于得到混淆的实验结果。这些实验结果使得许多物理学家当时都没有意识到，赵忠尧的第二个实验已经实际发现了反物质正电子和电子湮灭。
不过，赵忠尧的附加散射辐射实验引起了安德逊的极大兴趣，为此安德逊开展了另外一个实验——在云雾室中研究ThC伽马射线与物质的作用，测量次级电子的能量分布。
1932年，安德逊在云雾室照片中发现了正电子径迹，正电子作为一种反物质才正式进入了物理学家们的视野范围。1933年，安德逊因此获得了诺贝尔奖，但赵忠尧的贡献却被掩在历史的烟尘之中。
50年后，1983年，杨振宁和李炳安决定擦亮赵忠尧的开创性成就。在搜集大量资料后，他们发表了论文《赵忠尧，电子对产生和湮灭》，澄清赵忠尧的发现乃是反常吸收方面研究的出发点，疏忽赵忠尧这一工作成绩是诺贝尔奖评奖工作的失误。
在这篇文章问世时，杨振宁与赵忠尧，或许会想起在西南联大共同度过的那些日子。
卖肥皂的物理学家
“老人，小孩，小狗和猴子在大风雪中挣扎着前进，他们决不能倒下去。”
1940年代的周末夜晚，还是西南联大学生的杨振宁坐在屋子里，给孩子们念出《苦儿流浪记》中的这句话。赵忠尧长女赵维志坐在当中，听得津津有味。
1937年，抗日战争爆发，赵维志五岁，随着父亲母亲从清华大学清华园西院31号南下逃亡，暂居在昆明的荨麻巷19号。当越来越多的知识分子因北平无法安身南迁到此，昆明多了一所大学西南联大，荨麻巷也因此改名为文化巷。
是的，在做出开创实验之后，赵忠尧并没有留在欧洲或者美国继续物理研究。在物理学新发现层出不穷的年代，国难砸在赵忠尧的心脏上。
于是，赵忠尧选择告别物理学前沿，告别卢瑟福教授，决意回国。走前，卢瑟福教授叮嘱他，回国后要通过政府或者实业家筹集经费，继续科研。
赵忠尧铭记于心。1931年冬天回国后，赵忠尧只做了三件事。教学、科研、创办国产工业，在赵忠尧心里，这三件事是唯一能够身体力行的报国救国路径。
救亡图存，是当时一切事务的大主题。
中国首个核物理课程和首个核物理实验室，出自赵忠尧之手。彼时，在北平的清华大学内，条件简陋，吴有训接过理学院院长的职位，赵忠尧、萨本栋、周培源等多位教授硬是撑起了物理系，无中生有般在各自的领域教学、科研。
赵忠尧从德国聘请来一位技工，自行制作小型云雾室、盖革计数器等实验设备，又从协和医院借来用过的氢管，当实验用放射源。在这样的环境下，赵忠尧仍然发出了若干论文，远在大洋彼岸的卢瑟福教授还为其论文写了按语。
“七七事变”前，赵忠尧还曾想过平民教育的道路。在河北定县农村，他目睹了贫苦、落后、缺少文化的民众，触动极大的赵忠尧更下定决心要改变这一切。
但想是一回事，做又是另一回事，没有经费，如何做？卢瑟福教授给过两条路子，一个是企业，一个是政府。两者，都离不开一个稳定且强大的国家。
“这对我以后参加办铅笔厂，为国家采购仪器、部件，加工设计等都是有影响的。”赵忠尧自述道。彼时，想要工业救国的赵忠尧还曾联合叶企孙教授，以及施汝为和张大煜等好友，拿出不多的工资积蓄，办了一个铅笔厂——这是后来的“中华牌”铅笔厂。
无论是科学救国，还是实业救国，事情本该艰难但还算顺畅地进行下去，直到“七七事变”爆发，一声又一声的轰炸警报在大陆上空盘旋。不过，烽火连天并不能阻止知识流动。
日军轰炸日趋频繁之时，西南联大员工迁居昆明郊外。原本天天步行前往西南联大执教的赵忠尧改骑了自行车，上午给学生们上普通物理，下午则带学生们做物理实验。
李政道曾说道：“凡是1930年代到20世纪末在国内成长的物理学家，都是经过赵老师的培养，受过赵老师的教育和启发的，赵老师也是我的物理学启蒙老师之一。”
在这种环境下，参加留美研究生考试的杨振宁，拿到了赵忠尧与王竹溪两位教授的联名培养意见信。彼时，这场考试只会选拔出一名物理系学生赴美留学，且这个名额只留给了高压电实验物理学的学生。但杨振宁决定要读理论物理。
赵忠尧与王竹溪两人联名给西南联大校长梅贻琦写了一封信，讲明杨振宁的天赋特点，分析国际研究的形势，推荐予以变通，让杨振宁钻研理论物理。1945年，杨振宁拿到庚子赔款赴芝加哥大学留学，专注于理论物理。
而这年春天，李政道18岁，同样疑惑选理论物理还是实验物理。于是，他被吴大猷领进了赵忠尧的院子。
一进院，两人就看见赵忠尧在忙活着做肥皂。李政道与“赵老师”的第一次见面，从与物理学无关的活动开始。战乱年代，赵忠尧一家靠着这些肥皂补贴家用，还要推着自行车每家每户送货、推销。
李政道后来打趣道：“（原来）做一个伟大的实验物理学家，不但本行要精通，还要掌握住化学、应用化学……因此我说实验物理恐怕不适合我，决定还是朝理论物理方向发展。”
其实赵忠尧一直以来是不怕“跨行”、敢想敢干的，无论是化学还是加速器。在西南联大任教时，赵维志就已经常听到父亲说，“要是有一台加速器就好了，圆的没有，直线的也行”。
原因也很简单，没有基础实验设备，中国想要进行核物理研究几乎不可能。于是，赵忠尧真的动手做了。
加速对撞
1946年参观完美国的原子弹实验后，赵忠尧首先访问了回旋加速器的发明者，劳伦斯教授。因萨本栋尽全力所筹集到的5万美元，是远远不足以购买一台加速器的，赵忠尧于是想，只能自己做一台了。
由于政治原因，赵忠尧后续无法在劳伦斯教授的实验室中继续工作，便辗转于麻省理工学院、加州理工学院的几个实验室中，一边继续科研，发表论文，一边学习、咨询如何做出一台加速器，一边四处跑加工厂，采购零星的物理器材，或者用义务劳动换取一些电子仪器。
前后两年时间，赵忠尧一心扑在加速器上，拜托了一圈美国师友帮忙，每日工作十几个小时，只为了能在脑子里刻下加速器部件数据与技术。
赵忠尧在小传中提到，当时“有人笑我是傻瓜，放着出国后搞科研的大好机会不用，却把时间用在不出成果的事上。好心的人也劝我，‘加速器不是你的本行，为什么白白地耗费自己的时间精力呢？’”
赵忠尧的答案非常简单，他想把精力用在对祖国科学发展有益的事上。
他好不容易定制的加速器部件和核物理实验器材，无论如何都要带回中国——彼时赵忠尧联系运输公司时，这批器材已经被美国联邦调查局盯上，还扣下了四套完整的供核物理实验用的电子学线路。
赵忠尧十分惋惜，因为这些线路是麻省理工学院宇宙射线实验室罗西主任专门派人焊接的。还好，定制的其他器材最终顺利装成了30多个箱子，起运前往中国。
器材回国不易，人回国亦不易，尤其是如赵忠尧这般的物理学家。1950年春赵忠尧就已经准备回国，费劲到8月底，才终于登上了“威尔逊总统”号海轮离开旧金山。
一上船，赵忠尧的行李就被联邦调查局翻了个遍，一批公开出版的物理书籍与期刊遭扣押。后来，同乘“威尔逊总统”号的钱学森被关在了特米那岛，赵忠尧也没有幸免于难。
轮船驶到日本横滨港口停靠，一艘飞艇驶来。赵忠尧预感不妙，迅速将科研记录本托付给可信任的同僚。美军便衣人员迅速下了飞艇，把同在加州理工学院学习过的赵忠尧、沈善炯和罗时钧三人押走，关进了日本的巢鸭监狱。
因与核机密有关的“间谍嫌疑”，赵忠尧被迫穿上了印有“P”字样的囚服。赵忠尧的所有物品都被做上标记，他的工作笔记本也被美军抄走。
与联邦调查局纠缠的两个月里，老朋友傅斯年曾发急电给赵忠尧，劝赵忠尧赴台共事，“以防不测”。但赵忠尧只想返回大陆，选择留在监狱里，甚至向一位牢友学习了日文。
迫于国际压力，在被扣留了47天后，赵忠尧等三人终于被放出监狱，1950年11月底，赵忠尧终于踏上归途。一回国，赵忠尧便赴上海交通大学枫林桥科学院礼堂，做了一场题为《核力与介子》的学术报告，向中国人介绍最前沿的物理研究。
“他是最初向新中国青年介绍涉及科学前沿的学术报告的，也是当时最有政治影响和最富有制造工业前景的问题。”听了这堂课的物理学家沈经提到。
当然，此时最重要的，还是如何利用好在美国自制的一系列加速器部件。在当时的中国，离子源、加速管、高压电极等加速器核心技术都是极高精尖的技术。在一穷二白的情况下，留在中国科学院的赵忠尧又开干了。
加速器是研究粒子间作用、解开核力密码的基础核物理实验仪器，自己不会动手做，在核物理研究方面也就受制于人。赵忠尧在美国各个实验室中跨行学到的技术，此刻派上用场。
作为整个静电加速器组的主持人，赵忠尧的任务是，凝聚叶铭汉等后来声名赫赫的物理学GvGwec3Q6hKzsaXpMCyRUqYmoGN5Dr3q2KYf0384MAs=家们，尽早造出加速器。
1955年和1958年，中国造出了两台庞然大物，分别是700KeV质子静电加速器与2.5MeV高气压型质子静电加速器。后者，因为研发时在加速管与真空部件上做得仔细，质量比从苏联进口的加速器还要好。
再次回国，赵忠尧陷入了“惯性”之中。在制造加速器过程中培养一批掌握高精尖技术的青年科技人才还不够，他再度投入教育事业，兼任中国科技大学近代物理系主任，为中科大近代物理系引来严济慈、张文裕等一流专家授课。
中科大近代物理系，从1958年到“文革”之前培养了800名毕业生，这些毕业生大多成为中国原子核和高能物理研究领域的中坚力量。
“总是要多做点什么”的信念，贯穿了赵忠尧的一生。到80余岁高龄时，赵忠尧还召开过一次家庭会议。那天，赵忠尧对着家人询问道：“我是搞高能加速器，还是搞点理论物理，还是到实验室再去动手呢？”
儿女三人反对他再去实验室，理由是赵忠尧已因高龄手抖。“他说那我可以指导年轻人。他总归是要干。”长女赵维志提到。
赵忠尧没闲下来过。1981年，中国决定建造北京正负电子对撞机。那时还住在中关村的赵忠尧会特意乘坐班车到实验室去，和一线科研人员一起调试实验。
1988年10月，中国第一座高能加速器北京正负电子对撞机首次实现正负电子对撞。约一年后，作为技术鉴定专家，时年87岁的赵忠尧正式在北京电子对撞机、北京谱仪鉴定书上郑重地签下名字。
很多人不明白，明明早已站在高能物理前沿的赵忠尧，为何屡屡选择跨行，为什么要培养人才，为什么要自己制造仪器，又为什么关注制造工业。
不解的，也包括曾在高能物理研究所就职的沈经。可当中苏关系恶化，专家、技术与核心仪器部件全部被撤回时，沈经体会到了这一切的分量。自主能力，即防御能力。
从1949年新中国成立，到1964年原子弹爆炸，再到1989年北京正负电子对撞机投入运行，中国能够在短短40年内做到的这一切，背靠的不是一两个人，而是无数相关背景的科学家、工程师与基地。
而为了加速这一切，赵忠尧不再执着于正负电子湮灭的发现，而是四处搜集可用的科研与物质资源。这一路，从1931年“九一八”事变开始，到1998年赵忠尧逝世，他走了67年。（作者为《南风窗》记者）
（本组文章分别摘自《环球人物》2024年第19期、《南风窗》2024年第20期）
■ 本栏编辑 朱湘渝
