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高崇文/共發表34篇文章

中原大學物理學系 教授

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NMR之父: 拉比 (下) 推動科學國際合作的推手

  撰文者:高崇文  2017-05-18
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阿文開講上回介紹自己的祖師爺伊西多·艾薩克·拉比(Isidor Isaac Rabi) 如何一路奮鬥,從安身於紐約郊區的猶太移民變成諾貝爾獎得主。隨著世局動盪,拉比也從一介學者逐漸晉身於權力核心,成為美國學界的領導人物之一,甚至成為推動科學國際合作的重要推手。這一切都要從二戰談起。

當二戰在歐洲打得如火如荼時,美國雖然隔岸觀火,但卻暗助英國。所以英國的Tizard 委員會(正式名稱是British Technical and Scientific Mission) 1940年9月經過首相邱吉爾同意後,將一些當時最尖端的科技交給美國,被改良過的多腔磁控管(cavity magnetron)是其中的一項,它是一種使用電子流和磁場的交互作用來產生微波的高功率裝置。經過伯明罕大學的John Randall 與Harry Boot改良後成為徹底改革雷達的利器。美國國家防衛研究委員會的Alfred Lee Loomis決定在麻省理工學院建立一家開發新型雷達的實驗室。(Loomis是美國科學的大金主,他的事蹟太多了,阿文將另文介紹) 他把實驗室命名叫「radiation實驗室」,是因為這個名字讓人摸不著底,搞不清它真正的目的,此外也是向柏克萊radiation實驗室致意。柏克萊radiation實驗室是Ernest Lawrence 在1931年創立,建出第一具迴旋加速器的地方。Loomis聘請了在Rochester的Lee DuBridge來波斯頓擔任實驗室主任。Loomis和DuBridge在1940年10月於一場在麻省理工學院舉行的應用核物理研討會中招聘實驗室物理人員。拉比也加入成為研發部門的負責人,後來成為副主任。他負責繼續研發多腔磁控管。當時這個裝置仍是最高機密,機密到需要放在保險箱裏呢。事後證明美國的電達性能遠勝於德日的雷達的確對二戰局勢有著非常重要的影響。

MIT Radiation實驗室效率驚人。他們預定在1941年1月6日前要造出微波雷達,在3月前把雷達的試製品裝到Douglas A-20 Havoc轟炸機上去。這兩個目標都達成了;他們逐一克服技術上的難關,生產出能夠運作的雷達裝置。開發出的多腔磁控管能將波長從150厘米降至15厘米,之後甚至降到3厘米。實驗室還繼續開發出探測潛艇用的空對地雷達、可以鎖定目標的火控用的SCR-584雷達以及遠程無線電導航系統叫做LORAN(LOng-RAnge Navigation的簡稱)。有趣的是這個實驗室是物理學家主導,而不是電機或機械的工程師在主導的。拉比的學生Julian Schwinger (也是阿文的祖師爺之一) 當時也離開Purdue 的教職來到MIT Radiation 實驗室工作。Schwinger負責波導的理論計算,在這段時間他變成發計算格林函數的專家,這對他在戰後成功發展出量子電動力學有很大的幫助。另一位被網羅到MIT Radiation 實驗室的是Robert Bacher,他原本也在拉比在哥倫比亞的團隊,後來去被Hans Bethe請去康乃爾。當時他往返波斯頓與依色佳之間繼續從事在康乃爾的實驗。另一方面他也負責解讀雷達收到的訊號。還有Ramsey本來已經在伊利諾大學Urbana–Champaign校區教書,也被網羅而來。這位拉比的學生也在MIT Radiation 實驗室扮演吃重的角色,他還曾在1941年六月飛到英國與Oliphant討論新型雷達的設計,1942年年底才回到美國。

當珍珠港事件於1941年十二月初爆發後,美國全力投入戰爭相關的研究。歐本海默於1942年邀請拉比和Robert Bacher到Los Alamos從事曼哈頓計畫。但是兩人都勸歐本海默Los Alamos 實驗室不該隸屬軍方,科學研究到底是平民的工作而非軍事任務,他們成功地說服了歐本海默將新開設的實驗室設定為公營實驗室,按戰爭部的合同由加州大學來運作。拉比始終沒去美國西部,但同意擔任曼哈頓計劃的顧問。另一位顧問則是從丹麥逃來的尼爾斯‧波爾。他的學生Ramsey則是加入了曼哈頓計畫,甚至負責籌畫投擲原子彈的計畫。雖然拉比沒有參加曼哈頓計畫,卻出席了1945年7月的Trinity核子試爆。在那裏工作的科學家居然搞起競猜核子試爆威力的彩券,預測從完全失敗到4萬5千噸黃色炸藥爆炸當量不等。當拉比到的時候後只剩一張1萬8千噸的彩卷,他還是買了。他戴著焊工護目鏡,跟Ramsey和Fermi一起觀看試爆的結果。爆炸威力估算後為1萬8千6百噸,因此拉比勝出了這次的競猜。只能說他的運勢真旺!

戰後拉比成為哥倫比亞大學的物理系主任,在他擔任系主任期間,系上共有兩名諾貝爾物理學獎得主(拉比和費米)及十一名未來得主,當中有教員七人(Polykarp Kusch, Willis Lamb, Maria Goeppert-Mayer, James Rainwater, Norman Ramsey, Charles Townes 和湯川秀樹),研究員一人(Aage Bohr),訪問教授一人(Hans Bethe),博士生一人(Leon Lederman)和大學部學生一人(Leon Cooper))。而拉比自己的博生生Martin L. Perl則獲得了1995年的諾貝爾獎。這些諾貝爾獎得主得獎的工作與拉比多少都有點關係,Kusch是因量到電子磁偶矩與狄拉克電子理論的微小差異而得獎,Lamb則是量到氫原子光譜中的Lamb位移(在狄拉克電子理論中2S1/2 與2P1/2 的能量是一樣的,但是其實兩者能量不相等,稱為Lamb位移)而得獎的,這些發現都給歸功於拉比發展出來的技術。至於Goeppert-Mayer,Aage Bohr ,Rainwater 則是因為研究原子核性質的相關理論而得獎,這也與拉比早期對原子核的精密測量息息相關。當時哥倫比亞大學物理系已經成為世界一流的學府,拉比功不可沒。

(圖: prof. John Bardeen (VS) prof.I.J. Rabi (New york) prof. Werner Heisenberg, Wikimedia common)

雖然拉比是一個強勢而且傑出的學術行政者,卻是出名地不擅長講課。Leon Lederman記得以前學生在拉比的課堂後都會前往圖書館嘗試搞清楚他到底講了些甚麼。Irving Kaplan把拉比和Harold Urey兩個人稱為「我這輩子遇過最差的老師」。Norman Ramsey認為拉比的講課「很爛」,而覺William Nierenberg覺得拉比「簡直糟透了的講員」。這可真令人好奇,不知拉比到底是怎麼講課的。但拉比卻培養出許多傑出的科學家,不知惟教學評量馬首是瞻的臺灣教育部對拉比這種教授的教學評量要如何處理? 哈哈哈!

拉比對科學界的貢獻不單只限於哥倫比亞大學而已,他在戰後推動成立Brookhaven 國家實驗室更是影響深遠。曼哈頓計劃雖然留下了美國能源部國家實驗室網絡,但在美國東岸並沒有任何的據點。拉比與Ramsey於是組織了一些紐約附近的大學為籌建東岸的國家實驗室進行遊說工作。在拉比和其他人的談判及遊說下。最終集結了九家大學(哥倫比亞、康奈爾、哈佛、約翰霍普金斯、麻省理工、普林斯頓、賓夕法尼亞、羅徹斯特和耶魯),並於1947年1月31日與取代曼哈頓計劃的新機構原子能委員會(AEC)簽訂了協議,成立Brookhaven 國家實驗室。Brookhaven實驗室約僱用3000名科學家、工程師及其他技術人員,每年接待4000名訪問學者。實驗室的研究共產生七名諾貝爾獎得獎者。著名的RHIC就是在此,物理界同行想必不陌生。

拉比顯然對Brookhaven 國家實驗室成立相當得意,他向費米的學生,義大利物理學家Edoardo Amaldi提議,歐洲也應該成立類似的實驗室。當拉比在1950年成為了美國駐聯合國教科文組織(UNESCO)代表。把握這個千載難逢的機會,他在1950年6月在佛羅倫薩舊宮(Palazzo Vecchio)舉行的聯合國教科文組織會議中大聲疾呼提倡成立區域實驗室。在拉比的努力下;十一個國家的代表於1952年共同創建了歐洲核子研究組織(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, 簡稱CERN)。之後拉比收到了一封由波爾、海森堡、Amaldi和其他物理學家署名的信向他祝賀。他把這封信裝裱起來,掛在自己家中辦公室的牆上。CERN在物理界的重要性就不需阿文多說了,大強子對撞機LHC就是CERN的實驗之一!

拉比不只活躍於學界,在冷戰時間他在政界也說得上話。1946年原子能法案除了創建原子能委員會(AEC),同時亦規定成立由九人組成的顧問委員會(General Advisory Committee 簡稱GAC),就科學及技術方面向AEC委員會提供意見。拉比是第一批被任命為委員的科學家。而老朋友歐本海默則是GAC主席。GAC在1940年代後期對政府相當有影響力,委員會在1950年一致反對開發氫彈。而拉比與費米甚至一起在道德及技術的層面上猛烈地反對氫彈。然而,杜魯門總統卻推翻了委員會的決議,並下令開始研發。拉比對此耿耿於懷。他後來說:我從來沒有原諒過杜魯門就氫彈這件事在壓力下屈服。他根本是狀況外。事實上,他卸任以後還不相信俄羅斯在1949年就有了原子彈。他自己講的。在還不知道怎樣造氫彈時就向全世界示警說我們要造,這是他能力範圍內做過最糟糕的事情之一。這也表明了這種事有多危險。

歐本海默在1952年顧問委員會任期屆滿時並沒有被延任,而由拉比成為GAC主席,任期至1956年。歐本海默因為恃才傲物,原本就樹敵甚多。這些人用盡手段,讓政府高層對歐本海默的忠誠起了疑慮。1954年原子能委員會針對歐本海默舉行聽證會。拉比為歐本海默作出有利的供詞,但在這次聆訊後歐本海默被免除接觸機密的特權。這不只是對歐本海默莫大的羞辱,更形同將他逐出決策圈之外。雖然不少證人都支持歐本海默,但沒有人比拉比更憤慨:

因此對我來說似乎並不需要動用這種程序……去對付一位像歐本海默博士這樣有如此成就的人。他的功績可是實實在在的……我們有原子彈,一系列的原子彈,我們還有一系列的"超級"炸彈,那你們還想要甚麼,美人魚(mermaids)嗎?

對於對歐本海默作出不利證詞的泰勒,拉比則是撂下"「這個世界沒泰勒的話會好得多」這句話,而泰勒後來也的確在美國科學界遭到孤立,拉比顯然不是說說而已!不過泰勒後來成了軍方以及政治保守勢力的寵兒,電影"奇愛博士"中那個瘋狂博士據說就是影射泰勒。

拉比於1952年被任命為美國防衛動員辦公室科學顧問委員會的委員,並於1956年至1957年間擔任主席。任期內適逢發生了俄國搶先發射人造衛星史普尼克的危機。總統艾森豪為此於1957年10月15日與科學顧問委員會會面,尋求對美俄科學能力失衡提出應變對策。由於艾森豪擔任哥倫比亞大學校長時就認識拉比,所以他讓拉比首先發言,拉比提出一系列的方案,其中一項就是強化委員會,使它能為總統提供及時的意見。在數星期後就成立了總統科學顧問委員會。他也成為了艾森豪的科學顧問。(艾森豪與拉比第一次見面的情形非常有趣。當艾森豪開口說很高興認識拉比這位大學的"員工"時,拉比毫不客氣地回說: 校長先生,教授可不是大學的員工,教授就是大學本身!"。對於如此直言不諱的教授,艾森豪對拉比顯然留下非常深刻的印象。這句話該錄起來放給臺灣各大學的校長聽聽吧!)

雖然忙於系務,拉比依然心繫物理。在1945年的Richtmyer紀念講座時,拉比提出原子的核磁共振有可能成為時鐘的核心技術。第一個原子鐘是氨微波激射器,1949年製成於美國的國家標準局(National Bureau of Standards)。但這個原子鐘還沒有現在的石英鐘準確。1955年,第一個精確的原子鐘由Louis Essen據銫-133的遷越製成於英國國家物理實驗室。而當渺子被發現並不是原先期待的介子而是比電子重的輕子時,拉比的反應: ''Who ordered that?''也是一語道破科學界的心聲。哥倫比亞大學在1964年開始設立University Professor這個職級,而拉比是第一個晉身此級別的教授。讓他能夠自由選擇自己的研究或講課課題。他在1967年從日常教學中退休,但仍繼續出席研討會及講座。哥倫比亞大學物理系在1985年設立了以他命名的特別講座。

拉比開創的磁核共振技術後來開發出許多應用,通過測定核磁共振譜線特徵參數(如譜線寬度、譜線輪廓形狀、譜線面積、譜線位置等)可以分析物質的分子結構與性質而不必破壞樣品的內部結構。它具有非常高的解析能力和精確度。因此,核磁共振技術在物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面都有廣泛的應用。而最有名的莫過於醫學上所謂的核磁共振成像(MRI)。

MRI其實就是氫核密度的核磁共振圖像。由於人體各種組織含有大量的水(人體2/3的重量為水分)和碳氫化合物,而氫核的核磁共振靈活度高、信號強,所以選氫核作為人體成像元素。由於人體中各種組織間含水比例不同,即含氫核數的多少不同,造成NMR信號強度有差異,利用這種差異可以把各種組織分開,這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體內器官和組織中的水分並不相同,很多疾病的病理過程會導致水分形態的變化,由磁共振圖像可以看出是否有異狀。醫學用的MRI是一臺巨大的圓筒狀機器,裏頭是強烈磁場,藉由無線電波的脈衝撞擊身體細胞中的氫原子核,改變身體內氫原子的排列,當氫原子再次進入適當的位置排列時,會發出無線電訊號,此訊號藉由電腦的接收並加以分析轉換,身體構造及器官中的氫原子活動被轉換成2D影像。MRI所獲得的圖像非常清晰,大大提高了醫生的診斷效率,而且不必動手術。由於MRI不使用對人體有害的X射線和易引起過敏反應的造影劑,而且它可對人體各部位多角度、多平面成像,辨識力高,對病灶能進行相當好的定位定性。對全身各系統疾病,尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。

拉比在晚年罹患癌症。當醫生用核磁共振成像為他檢查時,讓他想起了他一生最大的成就。那台機器的內側恰巧為反光表面,拉比說:「我從那台機器中看到了自己……我從來沒有想過我的研究會變成這樣。」拉比在1988年1月11日於曼哈頓河邊街的家中逝世,享壽八十九,結束他傳奇的一生。哥倫比亞大學在1989年還設立了Rabi Scholars Program,專門獎勵優秀的哥倫比亞大學的一年級新生。

下一回的阿文開講要帶各位去哪兒神遊?先讓我賣個關子,咱們下回見!

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參考資料:

(一)中文、 英文維基相關條目

(二) Rigden, John S. (1987). Rabi, Scientist and Citizen. Sloan Foundation Series

 

 

 

 



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