他三次錯過諾獎,揭開粒子世界面紗,晚年還毅然投身核武器事業

提到兩彈一星,很多立馬會脫口而出鄧稼先、錢學森,或者稍微有些瞭解的還能脫口而出錢三強的名字,但是很多人卻遺漏了被譽為“核武器之父”的王淦昌。王淦昌、彭桓武、錢三強三人是中國最早從事高能物理研究的科學家,他和錢三強、何澤慧、彭桓武三個人一起,在一窮二白的基礎上創建起了中國的核科學研究機構,為國家培養了大批核科學人才。

他三次錯過諾獎,揭開粒子世界面紗,晚年還毅然投身核武器事業

而且除了核武器研究之外,王淦昌在理論物理領域更是取得了超一流的成果,曾經三次與諾獎擦肩而過。讓我們一起來聊聊他的傳奇人生。

三次與諾獎擦肩而過,填補粒子世界體系的空白

王淦昌出身於江蘇常熟支塘鎮,可以說是近代以來最早的也是最具成就科學家。他 1929 年就已經從清華大學畢業,然後留校任助教,當時的王淦昌,年僅28週歲。因為年輕,還被人稱為“娃娃教授”。

然而那個時候王淦昌就已經在吳有訓教授指導下完成論文《清華園周圍氡氣的強度及每天的變化》,這是中國第一篇有關大氣放射性的實驗研究論文。

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後來,他德國柏林大學威廉皇家化學研究所讀研究生,師從著名的女核物理學家邁特納。

1931年,王淦昌在德國就讀研究生期間,提出可能發現中子的實驗設想。當時德國物理學家玻特曾經用放射性釙放出的α粒子轟擊鈹核,發現了很強的貫穿輻射。他們將這種輻射解釋為γ輻射。但是王淦昌,他對γ輻射能否具有那麼強的貫穿能力所需要的高能量表示懷疑。玻特在實驗中用的探測器是計數器,王淦昌想到的是,如果改用雲霧室作為探測器來重複玻特的實驗,也許就會弄清這種貫穿輻射的本性了。

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然而,他的實驗構想被老師無情地否決了,王淦昌多次申請想要借用師兄的實驗室,可是他的老師卻表示:“為什麼要重複別人的實驗呢?”。 王淦昌只好無奈放棄。

而就在一年後,英國科學家查德威克按照王淦昌的思路進行試驗發現了中子並獲得諾貝爾獎,當時查德威克受到居里夫婦一篇實驗報告的啟發,對 γ 射線重新實驗,他採用王淦昌同樣的實驗手段,用高壓電離室、計數器和雲霧室——來重複玻特的實驗,最後證實了那種貫穿輻射的名為中子的中性粒子流,並計算出這種粒子的質量。幾天後,居里夫人公佈了他們用雲霧室再次進行的這項實驗的結果,成為查德威克成功實驗的佐證。最終 1935 年查德威克獲得諾貝爾獎。

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後來,王淦昌的老師十分懊悔,主動來向王淦昌道歉。王淦昌說:“這不能怪您,是因為我沒堅持自己的想法。”

而後來第二次世界大戰期間,王淦昌已在1934年回國在浙江大學任教。當時年僅26歲的王淦昌順利獲得博士學位,準備回國。不少德國科學家勸他留下,“德國擁有世界上最先進的物理實驗室,一定能讓你大展宏圖。戰火中的中國,哪裡能安放一張平靜的書桌?”

王淦昌卻說:“我是中國人,來德國求學,為的就是報效祖國。”

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回國的王淦昌並沒有放棄科研事業,早在 1932 年的時候,王淦昌在邁特納指導下,發表了《關於RaE連續β射線譜的上限》的論文,佐證了泡利提出的“中微子”假說。這是物理學史上第一次對泡利提出的“中微子”假說給予了精確的實驗結果支持。

中微子被稱為“幽靈粒子“,它的發現來自19世紀末20世紀初對放射性的研究。研究者發現,在量子世界中,能量的吸收和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的,而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續的。

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這是由於原子核在不同能級間躍遷時釋放的,是符合量子世界的規律的。奇怪的是,物質在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續的,而且電子只帶走了總能量的一部分,還有一部分能量失蹤了。物理學上著名的哥本哈根學派領袖尼爾斯·玻爾據此認為,β衰變過程中能量守恆定律失效。

1930年,奧地利物理學家泡利提出了一個假說,認為在β衰變過程中,除了電子之外,同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去,帶走了另一部分能量,因此出現了能量虧損。這種粒子與物質的相互作用極弱,以至儀器很難探測得到。未知粒子、電子和反衝核的能量總和是一個確定值,能量守恆仍然成立,只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。

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1931年,泡利在美國物理學會的一場討論會中提出,這種粒子不是原來就存在於原子核中,而是衰變產生的。泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。1932年查德威克發現中子之後,意大利物理學家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。

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而回到國內的王淦昌並沒有停止對中微子的研究,1941年,王淦昌在《關於探測中微子的一個建議》的論文中提出,通過輕原子核俘獲K殼層電子釋放中微子時產生的反衝中微子的創造性實驗方法。1942年1月,美國《物理評論》發表了這篇短文。

非常遺憾的是,受限於當時國內的實驗室條件,沒有器材支持王淦昌去完成這樣的實驗,而美國物理學家阿倫看到論文之後,立馬進行了實驗,實驗結果肯定了王淦昌的構想,並發表了論文《一箇中微子存在的實驗證據》。“阿倫—王淦昌實驗“被《美國物理現代評論》譽為國際物理學重大成就之一。

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1946 年,王淦昌在美國《物理評論》雜誌上發表了《建議探測中微子的幾種方法》,在論文裡又提出了三種驗證中微子的方法,除此之外,王淦昌還提出了通過裂變檢測中微子的全新思路,這是在之前科學界從未有人提出過的構想,這為中微子的研究打開了全新思路。

美國萊因斯和柯萬就是在王淦昌的構想上進行實驗,通過裂變探測中微子獲得了諾貝爾獎。然而,王淦昌卻遺憾沒有獲得諾貝爾獎。後來美國戴維斯也根據王淦昌的構想發現太陽中微子失蹤,獲2002年諾貝爾獎。

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王淦昌提出的三種方法

1995 年,美國萊因斯在發現中微子 37 年後獲諾貝爾獎。不知道,88 歲的王淦昌看到萊因斯獲獎的消息,內心又是什麼想法呢?

後來,許多科學家有根據王淦昌的方法發現了多種類型的中微子。

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不美國的科學促進協會特意記錄下來了王淦昌的成就,在美國所編的百年來科學大事記中,只有彭桓武和王淦昌兩個中國人名列其中。

而第三次與諾貝爾獎擦肩而過,則是當時在1960年這裡工作的中國物理學家王淦昌直接領導的研究組,在100億電子伏質子同步穩相加速器上做實驗時發現了反西格瑪負超子。 反西格瑪負超子的發現,在當時引起了巨大轟動。世界各國的報紙紛紛刊登丁關於這個發現的詳細報道,“王淦昌”成了新聞導語中的主題詞之一。 關於反西格瑪負超子發現的意義,當時,科學家認為“其科學上的意義僅次於正電子和反質子的發現”。後來,歐洲中心的300億電子伏加速器上發現了另一種反超子——反克賽負超子。於是,在高能物理的歷史上,反西格瑪負超子和反克賽負超子被並列為公認的最早發現的兩個負超子。這兩項發現對證實反粒子的普遍存在提供了有力的證據。

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反西格瑪負超子

然而,這時,王淦昌應召回國祕密研製原子彈。從這天起外國科學界發現,即將要擁抱諾貝爾獎的著名物理學家、反西格馬負超子的發現者王淦昌卻一下子從地球上“蒸發”了。

這也是王淦昌第三次與諾貝爾擦肩而過~

五十高齡,投身核武器研究

1961年4月3日,當時本來已經很有希望獲得諾貝爾獎的王淦昌回到了祖國,1961年4月3日,王淦昌剛剛從蘇聯回國不久,這個時候,錢三強傳達了中央希望王淦昌參加中國的核武器研究,並要他放棄自己的研究方向,改做他不熟悉、但是國家迫切需要的應用性研究,最後問:“你是否願意改名?”

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錢三強


當時,王淦昌已經發現了反西格瑪負超子,離諾貝爾榮譽越來越近。而一旦參加核武器研究並改名,就意味著以後的若干年中,他將不能在世界學術領域拋頭露面,不能交流學術成果,不能按照自己的興趣進行科學探索,更不能實現自己成為世界頂尖科學家、摘取諾貝爾獎的夢想。

但王淦昌毫不遲疑,當即表示願意改名,寫下了“王京”兩個字,並擲地有聲地說:“以身許國。”

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王淦昌、聶榮臻、朱光亞


說到“王京”這個名字,當時因為保密,王淦昌改名為王京。十幾年裡再也沒有人叫過他王淦昌,他與鄧稼先在帳篷裡相互敬酒,鄧稼先對他說:“叫了王京同志幾十年,叫一次王淦昌同志吧!”言畢,兩個人抱頭痛哭……

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鄧稼先(右二)和王淦昌(左一),郭永懷(左三)


要知道那個時候,王淦昌已經 54 歲高齡,是所有兩彈一星元勳中年紀最大的。要知道在海拔3200米的青海高原,高寒缺氧,氣壓低,水燒不開,饅頭蒸不熟,年輕人走路快了都喘氣。

然而王淦昌卻沒有絲毫猶豫。開始,爆轟物理實驗是在離北京不太遠的長城腳下進行的。當時,核武器研究所沒有試驗場地,是借用解放軍的靶場。王淦昌和郭永懷來到了靶場,走遍了靶場的每一個角落,和科技人員一起攪拌炸藥,指導設計實驗元件,指揮安裝測試電纜、插雷管,直到最後參加實驗。一年後,年近花甲的他又帶領一大批無名英雄來到人跡罕至的青海高原,進行縮小比例的聚合爆轟試驗和點火裝置測試。

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右一王淦昌


就在這一年,王淦昌到廣州開會,見到了陳毅元帥。陳毅做了一個握緊拳頭、然後猛地展開的手勢,問王淦昌:“你那個東西什麼時候響?”

王淦昌滿有信心地答道:“再過一年。”

陳毅高興地說:“好!有了這個,我這個外交部長腰桿就更硬了。”

1964年10月16日下午3時,茫茫戈壁灘上,升起了一個巨大的火球,接著是轟轟轟的爆炸聲……原子彈爆炸成功了!在觀察所裡的人們叫著,跳著,抱著,互相祝賀。王淦昌也流下了激動的熱淚。

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此後,王淦昌常年輾轉於17號工地、221廠等地,終於攻克了爆轟物理試驗、炸藥工藝、近區核爆炸探測、抗電磁干擾等技術難關。

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右王淦昌


從第一顆原子彈裝置爆炸試驗成功,到製成核彈頭,成功地進行核導彈試驗,只用2年時間,這裡面耗費了王淦昌無數心血!

在20世紀60年代,中國的物質技術基礎條件還很差,研製氫彈國產中有一個重大技術難題的解決需要有大型脈衝X-光設備,但是我們自己的脈衝X-光機還很小,遠不能滿足實驗要求。

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右一王淦昌

王淦昌也曾探索採用微波法,X-光衍射法,光譜分析法,電阻法,分幅攝影法等,進行了大量實驗研究。但效果都不理想。後來雖然成功解決,但是這種方法並不能保證每次都能百分百成功。在氫彈爆炸的時候,王淦昌心驚膽顫,因為使用這種方法,有百分之五的機率可能會不成功。

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氫彈爆炸


雖然最終得以成功,但王淦昌發誓:“不研製出大型脈衝X-光機來,我死不瞑目!”。後來,在王淦昌的指導下,經過技術人員艱苦卓絕的奮鬥,1981年建成了強流脈衝電子束加速器。從此,我國的閃光X-光機躍進了世界先進水平的行列。

在氫彈成功爆炸之後,王淦昌又在技術上全面領導了我國的前三次地下核試驗,使我國用很少次數的試驗,就基本掌握了地下核試驗測試的關鍵技術。

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王淦昌是我國核武器的主要奠基人之一。沒有他的奉獻,中國在研究兩彈一星的許多關鍵技術上都是由他帶領攻克的。

構想激光武器,描繪“人造太陽”計劃宏偉藍圖

激光武器是二戰結束後才在世界上興起的新概念武器。雖然將激光應用於戰場作戰的想法由來已久,但是以前往往只是出現在科幻小說和科幻電影上。

關於激光武器,人們傳的神乎其神的就當屬於尼古拉特斯拉的死光武器了。

而正是得益於戰後世界各國在應用光學和微電子技術上的飛速進步,才使得激光武器真正實現了實用化。美國從1962年起,發展激光武器所開展的高能激光科學和技術研究和初期發展工作,已投入了140多億美元。其中,戰略防禦計劃局及其後來成立的彈道導彈防禦局,一共投入了近73億美元。

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中國研發激光武器的起步較早,並不比西方歐美各軍事強國和蘇聯晚多少。早在1964年,中國就展開了激光武器的研發。而這一切都要得益於王淦昌。

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1964年王淦昌獨立提出激光聚變倡議,1965年立項開始研究。經幾年努力,建成了輸出功率10(上標10)瓦的納秒級激光裝置,並於1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研製成功我國第一臺多程片狀放大器,把激光輸出功率提高了10倍,中子產額增加了一個量級。在國際上向心壓縮原理解密後,積極跟蹤並於1976年研製成六束激光系統,對充氣玻殼靶照射,獲得了近百倍的體壓縮。這一系列的突破,使得我國激光研究進入世界先進行列。

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中國激光武器成功打靶7000次

而到了1986年3月,面對世界高技術蓬勃發展、國際競爭日趨激烈的嚴峻挑戰,王大珩、王淦昌、楊嘉墀和陳芳允四位科學家提出的“關於跟蹤研究外國戰略性高技術發展的建議”,最終於1986年3月啟動實施了“高技術研究發展計劃(863計劃)”。而激光武器就是其中的核心項目之一。

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楊嘉墀,王大珩,王淦昌,陳芳芳

如今,中國激光武器研製上在全球都處於先進地位,而這一切都離不開王淦昌的推動。

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同樣是在 60 年代,王淦昌提出了慣性約束聚變研究,描繪了“人造太陽”計劃宏偉藍圖。我們都知道,如何利用核聚變為人工提供無窮無盡的能源,成為人類自發明火(化學能)、電(電能)後實現下一次文明飛躍的關鍵。這是近幾十年來科學家們一直在努力的實現。

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而王淦昌從 60 年代就提出來了慣性約束聚變,與國外科學家同期獨立提出。建國初期,中國的科研領域雖然是一窮二白,但是幸得王淦昌、于敏等一群理論大師,使得中國在可控核聚變領域並不落後。後來美、法等國20世紀80年代發起ITER計劃(人造太陽)計劃,中國後來成為參與國之一。

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人造太陽計劃

1997 年,90歲高齡的王淦昌在林蔭道上被一個騎自行車的年輕人撞倒,那個年輕人撞倒人之後,便逃之夭夭,而王淦昌經過 5 個月的治療,雖然勉強痊癒,身體卻每況愈下。但是他還是在關心核聚變計劃。

1998 年 4 月 20 日,已經 91 歲高齡的王淦昌還在給著名科學家李植舉寫信詢問核聚變計劃的情況。

“……可惜我因去年8月7日出外散步,被一自行車撞翻,在醫院治傷約5個月,回家後感到身體大不如前,生活不能自理,也不能暢所欲言,一切須別人幫助。我今年已91歲,更感凡事力不從心。

關於ICF工作,國際上進展很快,我們在1985~1987年,有‘神光Ι’與‘神光Ⅱ’,進展是不慢的,但……,特別是鄧錫銘同志逝世以後,……進展很慢,我又力不從心,不能兼顧,所幸有王乃彥同志(福州人)幫我在北京搞了一個KrF激光裝置,這裝置名曰‘天光1號’。……異日有機會,不妨來此請參觀並指教,……”

1998 年 12 月 10 日,91 歲高齡的王淦昌去世,他去世前還在關心核聚變計劃第一任主題專家組首席專家陶祖聰、鄧錫銘去世之後,工作如何開展。

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晚年還在關心科研工作的王淦昌

不過,可以告慰王老在天之靈的是,2018年11月12日,合肥製造“人造太陽”裝置的EAST更是首次完成等離子中心的一億度運行,而去年則成功實現電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。這也是截至2016年2月國際託卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。

他三次錯過諾獎,揭開粒子世界面紗,晚年還毅然投身核武器事業

中國的超導裝置是最可能實現可控熱核聚變能應用的途徑之一,目前全球可控核聚變技術進展最快的是我國。2016年我國科學家成功將這個裝置運行60秒時間,此時國外還處於圖紙階段。

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除此之外,在20世紀50年代初期,王淦昌領導並參加了有關宇宙線的研究。他與肖健共同領導籌建位於雲南落雪山海拔3185米處的中國第一個高山宇宙線實驗室。在他們領導下,在高山實驗室安裝了自行設計建造的磁雲霧室。開始觀察宇宙線與物質相互作用。共蒐集到700多個奇異粒子事例,研究了奇異粒子性質,使我國在宇宙線方面的研究進入當時國際先進行列。

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探測中微子、對於中子的深度研究、發現反西格瑪負超子、兩彈突破、大型X光機、宇宙線研究、慣性約束聚變,每一項研究成果拿出來,就足以在中國科技發展乃至世界科技發展歷程中名垂青史。我們應該記住王淦昌這樣的偉大科學家,因為有他們的努力,才有我們如今的美好生活!

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