为电子对撞机奉献一生的物理学家——张文裕

在科幻小说《三体》中,三体人想办法锁死了人类科技,使人类基础科学研究陷入停滞,更导致很多痴迷基础科学研究的科学家选择了自杀。三体人用的方法就是用智子干扰电子对撞机的对撞实验,这个细节真实再现了电子对撞机在基础科学研究中的重要地位。

什么是电子对撞机呢?你可以把它想象成一把枪,只不过它发出的不是子弹,而是质子、电子等粒子,它把这些粒子加速到一定程度后轰击一个固定靶,或者相向对撞,通过研究粒子碰撞时产生的各种反应,发现新粒子、新现象。电子对撞机是高能物理研究的重大科技基础设施,它在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工等很多领域也起到非常重要的作用。位于北京的正负电子对撞机是我国的第一台高能加速器,它的研制过程,与我国著名物理学家张文裕的毕生努力是分不开的。

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我国著名物理学家张文裕先生

1910年1月9日,张文裕出生在福建惠安一个普通农民家庭。虽然家境贫寒,但凭着自己的努力和身边人的帮助,他一路跌跌撞撞地进入了燕京大学。那时的燕京大学,贵族子弟云集。出身贫寒的农村青年张文裕,不仅举目无亲,无依无靠,家里也不能给半文的接济。他咬紧牙关,一面读书,一面做工。因为没有钱,他住不起学生宿舍,便和全校几位最穷的同学住在存放行李的地方。为维持生活和学业,他利用空闲时间,在学校的果园里打过工,为低年级学生补习过功课,也帮助老师们批阅过卷子;在暑假期间,他把铺盖等物送进当铺当点钱作路费,到内蒙河套一带的开渠工地上打工挣钱。

张文裕常常读书读到更深夜静。有时实在困了,他就效法古人,用针朝自己的身上扎。“梅花香自苦寒来”,因为学习成绩优秀,还在四年级时,学校就请他担任了物理系的助教。

就这样,他凭借独特的勤工俭学方式于1931年以优异成绩毕业于物理系。大学毕业后,张文裕拿起教鞭走上了燕京大学物理系的讲台,他那深厚的学识、清晰的逻辑、诲人不倦的精神,很受学生们的称赞。他还在这里认识了后来的妻子、著名理论物理学家王承书教授,两个志同道合的年轻人走到了一起。

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张文裕王承书夫妇

1934年,张文裕获得了硕士学位,不久,又考取了庚款赴英国剑桥大学留学的名额。两人约定,等王承书毕业之后,再回来结婚。两个相爱的年轻人就这样分别了。

剑桥大学有一个誉满全球的实验室,是以著名科学家卡文迪许的名字命名的。张文裕荣幸地进入了这所实验室。此时,实验室的主任是被科技界称为“奇才”的物理学家卢瑟福。他这位大物理学家曾经发现了放射性元素衰变规律;提出了原子有核结构的理论和人工嬗(shàn)变理论。卢瑟福和他的几名学生都曾获得过诺贝尔奖。

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英国物理学家卢瑟福

有这样杰出的导师,再加上自己的勤奋,张文裕在科研方面取得了许多成果,他和同学一起,共发表了十几篇论文。这些论文刊登在英国《皇家学会会议录》《自然》杂志上,流传到世界各科研单位。此后,年轻的张文裕受到各国核物理界的注目。

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1935年留英时期的张文裕

1937年,抗日战争爆发了,日本帝国主义轰炸中国城市,屠杀中国老百姓的罪行在英国的报纸上、广播上都有报道。满腔爱国热情的张文裕再也坐不住了,他申请提前回国参加抗战,国内回复说:回国可以,但必须得到博士学位。张文裕只得向校方要求提前考试,考完了回国参加抗战。

卢瑟福听说了此事,特意来挽留张文裕,并提出,可以帮助张文裕解决经济上的困难。张文裕表示,自己在经济上并没有困难,只是牵挂战火中的祖国和父老兄弟,他才铁了心要回去,卢瑟福只能无奈的接受张文裕的决定。不想,几个月后,卢瑟福就因病去世了。这次谈话也就成了卢瑟福和张文裕的诀别。此后,张文裕每每提到这件事,就会流露出深深的惋惜。

张文裕提前考试的申请得到了批准,可是由于不了解考试的内容,剑桥大学和燕京大学在教学上的侧重也不大一样,考起来很不顺利。他本来想,什么学位、文凭,统统不要了,早日回国参加抗战才是最重要的。主考官考克饶夫教授却劝他说:“你是在我们这里第一位考博士学位的中国人,你要是能通过考试,就能证明中国人的能力和中国教育的水平。”张文裕觉得他说得很有道理,就决定再考一次。1938年春,张文裕的第二次考试顺利通过。他证明了自己,也证明了中国的教育水平。

可张文裕还是不能实现马上回国的愿望,因为文凭要等到十月份才能发。他就自费进了德国的一家工厂学习探照灯技术,希望回国后能用这门技术对抗战作一点贡献。

1938年11月,张文裕拿到了文凭,获得了博士学位,他终于得以实现自己的愿望,回到朝思暮想的祖国。

张文裕回国之后,原本准备聘用他的防空学校迁到桂林去了。这下张文裕的生活来源都成了问题,幸亏吴有训教授推荐,张文裕先后到川大和西南联大担任了教授。“西南联大”是北大、清华、南开三所大学在抗日战争中撤退到昆明后组建的大学。这一年,张文裕在西南联大物理系开了“天然放射性和原子核物理”课。在当时的中国,能开这门课的大学不多,学习这门课的也大都是很有才华的学生,其中就包括他带的研究生杨振宁。

因为屡遭日寇追击和轰炸,许多仪器设备都损毁了,因此,西南联大许多实验工作不能开展。张文裕就因陋就简把仓库改建成宇宙线研究室,测量宇宙线强度与天顶角的关系。他还自己吹玻璃,做测量辐射用的盖革计数管。他和赵忠尧等几位教授还曾想建一台静电加速器,他们绞尽了脑汁、跑断了腿,但终因条件实在太差,除了请工匠打的一个铜球外,一无所获最终不得不放弃。不过,他们在困难中求发展的精神让许多师生肃然起敬。

婚后不久,张文裕接受邀请,到了美国的普林斯顿高等学术研究机构——帕尔麦实验室做起了客座教授。在最初的两三年中,张文裕主要从事核物理方面的研究。1948年夏季的一天,他在实验室观察记录有宇宙线粒子轨迹的胶片时,发现有些意外电子的轨迹。计算结果表明,它们是由μ介子在原子核的周围跃迁时放出的辐射引起的。这个发现说明,宇宙线中的介子不是科学家们一直认为的是强相互作用的粒子,而是弱相互作用的粒子,它和有关的核可以组成一个临时的原子。这个重大发现,使人类对原子和原子核的认识前进了一大步。

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张文裕在美国普林斯顿大学帕尔实验室

1953年,美国哥伦比亚大学建成世界第一台高能加速器,美国科学家们在这台加速器上所做的实验证实,张文裕的发现是千真万确的。为了使探索核物理的后来者记住这种原子的首次发现人,各国物理学家给它取名叫“张原子”,相应的辐射被命名为“张辐射”。

“张原子”的发现,引起了大家对张文裕的注意。人们劝他加入美国国籍,这样就可以永久地在美国居留下去,但被张文裕毫不犹豫的拒绝了,作为一名爱国的科学家,他永远不会背叛自己的祖国。

新中国诞生以后,张文裕和王承书开始筹划怎样尽快回到新生的祖国。但是,由于朝鲜战争爆发,美国对他这样的著名核物理学家格外“关照”。使得他们的申请一次次受挫。1956年6月夏季,张文裕以回国探亲为由,才带着全家人一起,,登上了驶往香港的轮船,。与他们同行的还有郭永怀、黄量等中国学者和他们的家人,大大小小共有二十多人。

等船起锚的时候,船长突然得到命令:推迟开船。几个自称是美国移民局和联邦调查局的彪形大汉气势汹汹地登上了船,指名道姓要找张文裕和王承书。这些人闯到张文裕和王承书的舱室内,把所有的箱子都翻了个底朝天,一直折腾了两个多小时才离开了轮船。当然,张文裕和王承书早有准备,那伙人什么也没搜出来,只好灰溜溜地下船了。

回国后,张文裕先后担任了中国科学院原子能研究所副所长和高能物理研究所所长,还担任了宇宙射线研究室主任。从此,他成为中关村特楼13号楼206号的居民,满怀热情地投入到社会主义建设和科学研究之中。

1957年,张文裕忽然接到周总理交给的一项重要出国任务。原来,美籍中国学者李政道和杨振宁因为发现了宇称不守恒定律,获得了诺贝尔物理学奖。周恩来亲自点将,请张文裕前往出席,向两位获奖者致以祝贺。在瑞典皇家科学院的颁奖仪式上,两位年轻的诺贝尔奖得主见到了昔日的老师,既兴奋又惊讶。张文裕向他们转达了中国政府的祝贺,还转交了杨振宁的岳父杜聿明将军给他的信,也介绍了新中国的巨大变化和中国共产党的有关政策。两位久居海外的青年学者听得非常认真。这次师生相聚的时间不长,但是张文裕所谈的一切,却给他们留下了深刻印象。20世纪70年代初,中美关系刚刚有解冻的预兆,美国政府取消了美国公民赴中国旅游的限制,李政道和杨振宁就回到了祖国,要为中国科学的发展出谋划策,做些工作。

1961年,张文裕接替王淦昌,赴苏联杜布纳联合研究所,担任中国科学家小组的组长。他领导研究组,利用当时世界上最强大的质子加速器进行实验,做出了重要成果。但张文裕总有一件放不下的心事:为了使用杜布纳联研究所这个全世界最强大的加速器,中国每年要承担两千万元的经费,这可是一笔巨款,更何况,张文裕一直有一个梦想,就是在中国建造台先进的加速器。只有这样,中国的高能物理研究才有可能站到世界前列。

1964年秋天,张文裕向周恩来总理汇报工作时,周总理也谈到,中国在高能物理研究方面必须具备独立自主的能力,即使从经济角度考虑,中国也应当建自己的高能加速器。张文裕预感到自己多年的梦想即将实现了。1965年,张文裕从苏联回到了祖国,本想大干一场以实现自己的梦想,不料,整个国家因为陷入了“文化大革命”的混乱中,这个眼看就要实现的目标又成了一个要继续做下去的梦。

直到1972年9月初,张文裕审时度势,联合了一批专家写信给周恩来总理,提议建造一座中国自己的高能加速器,开展高能物理的研究。周总理不仅同意他们的请求,而且要求抓紧这一项工作。

不久,中国科学院成立高能物理研究所,张文裕被任命为所长。然而,建设加速器可不是那么简单的事。中国当时还处在动乱中,经济处在崩溃边缘,资金很困难,更何况中国在工业和科技方面与建造加速器差距还很大。张文裕从不轻言放弃,他不顾自己年高体弱,积极出国考察、查阅文献,和不同意见的科学家讨论,努力实现科学强国的梦想。

1983年春,国务院批准了中国的高能加速器——北京电子对撞机的研制和建设方案。这个时候,他已经年过七旬,健康状况一天不如一天,但他仍惦念着北京正负电子对撞机的建设,常坐在轮椅上去现场视察。

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对撞机建设期间,张文裕先生多次坐着轮椅到现场了解工程进展

1988年10月16日凌晨5点,中国第一座高能加速器——正负电子对撞机首次对撞成功,性能居世界第一。世界上现有电子对撞机十多台,我们的这台对撞机能量不算高,但在国际上有独特的地位,它的设计亮度是最高的,这意味着对撞时产生新粒子的概率大。这是中国科学发展的伟大进步,使我国与先进国家在高能物理方面的距离缩短了30年。

1988年10月24日,邓小平来到北京正负电子对撞机实验室,他向来自美国的物理学家李政道和坐在轮椅上的张文裕及赵忠尧、王淦昌、谢家麟、方守贤等科学家握手致敬,并高度评价了电子对撞机的重大意义,令张文裕激动到落泪。

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1988年北京正负电子对撞机工程的开工典礼

之后不久,这位终于达成毕生追求目标的的科学家永远离开了人世,他的骨灰被埋葬在北京正负电子对撞机附近的苍松翠柏之下。


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