核物理學家趙忠堯傑出的人生

來自專欄知識分子

?趙忠堯

撰文 | 鄭志鵬

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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今年正值趙忠堯先生逝世二十周年之際，作為他的學生，我寫此文來懷念我的老師趙忠堯先生，向大家介紹他傑出的一生，希望讓更多的人，特別是年輕人從他不平凡的經歷中得到啟迪。

趙老師一生謙虛、謹慎，生活低調，很少向別人提起1929-1930年期間他發現正電子產生和湮滅現象的光榮歷史。實際上，這是個了不起的發現，為不久後正電子的發現起到了至關重要的作用。文中將講述趙忠堯這一重要發現的始末。此外本文還會介紹趙忠堯先生在其他方面的科學成就和他對於開創我國原子核事業的貢獻以及在培養人才方面的貢獻。

青少年時代

1902年6月27日，趙忠堯出生於浙江省諸暨市。諸暨位於杭州南邊約60公里，是一個有2500年歷史、有濃厚人文積澱的古老城鎮 。趙忠堯的父親早年自學醫道，後以行醫為生，是一位醫術高超、濟世救民的好醫生，因老年得子，對趙忠堯寵愛有加。

趙忠堯從小體弱多病。上小學時，他學習很用功，但是每上體操課後，晚上就會發燒。因而他的父母不讓他上體操課，這樣他的體操成績總是零分。到了中學，也從不讓他參加爬山、游泳等活動。

他15歲時進入諸暨縣立中學讀書。諸暨縣立中學是一所歷史悠久的中學，至今已有200年的歷史。2014年，我有幸參觀訪問這所中學，印象頗深。

18歲時他進入南京高等師範學校化學系學習。但在學習過程中，他卻對數學、物理有濃厚的興趣。他所在的南京高等師範學校1923年併入東南大學。1924年春，因父親逝世，家境困難，他決定先就業，於是提前工作，擔任該校的物理系助教。第二年，他修滿東南大學畢業所需學分，獲得畢業證書。

1925夏，北京清華學校籌辦大學本科，請葉企孫前往任教。葉先生看重他的助教趙忠堯工作勤奮、踏實，便邀請他一同前往北京，於是趙忠堯被聘為清華大學物理系助教。

1925-1927年，趙忠堯第一年擔任助教，第二年起聘任教員，負責實驗課。並在葉企孫領導下，參加清華大學大禮堂內的聲學問題的研究，開啟了中國近代建築聲學研究之先河。

赴美留學，拜師密立根

當時國內大學理科的水平與西方相比尚有不少差距。趙忠堯決心爭取出國留學。清華的教師每六年有一次學術休假，工資照發，可以自己決定在國內或出國進修一年。但是他不想等這麼久，就靠三年教書的工資節餘及師友藉助，外加申請到清華大學的國外生活半費補助金每月40美金，自籌經費在1927年秋去美國留學。他進入加州理工學院 ，師從著名物理學家密立根。

加州理工學院當時是一所較新的私立學校，前身是一所在1891年建立的職業學校，1920年改稱今名，設大學本科及研究院。1921年，諾貝爾物理學獎獲得者密立根任校長。他辦學的方針不求擴大學校規模， 而是廣聘大師，強調學生自主學習， 師生在學校里開展科學研究。在密立根領導下，加州理工學院很快成為國際重點科技研究及培養人才的中心。現在該校每年在校的學生只有約900名本科生，1000名研究生。該校在國際上的排名經常在前10名之內。

?趙忠堯1927年到美國加州理工學院時

密立根起初給趙忠堯一個利用光學干涉儀的論文題目。直接指導這項工作的研究員人很和氣，善意地告訴趙忠堯：這個題目需要的儀器業已大部準備好，只需測量光學干涉儀上花紋的周年變化，兩年內得出結果，就可以取得學位。

顯而易見，這是一個比較容易出成果的工作，可以不太費力而穩出成果，一般學生會認為求之不得，可是趙忠堯的想法卻不一樣。他感到這樣的研究過分順利，恐怕不能學到很多東西。 他之所以遠涉重洋，是想盡量多學些科學方法和技術，而學位是次要的。他思索一番後，鼓起勇氣把這個意思告訴了密立根教授，問他能否換一個可以學到更多東西的題目。

周圍的人聽說他要找導師換題目，都有些為他擔心。密立根也感到這位瘦小的中國人真是不知天高地厚，居然會認為導師出的題目太容易。儘管密立根感到意外，但還是給予考慮。

?趙忠堯1928年在美國加州理工學院

論文獲得兩項重要發現

最終，密立根教授同意給趙忠堯更換題目，新的論文題目是通過實驗測量，驗證用於計算康普頓（A．Compton）散射吸收係數的克萊因-仁科（Klein-Nishina）公式的正確與否。

1929年趙忠堯開始做實驗，測量不同物質對於硬 γ 射線的吸收係數。實驗用ThC″ 所放出的能量為2.65 MeV 的硬 γ 射線作為放射源。探測器用高氣壓電離室和真空靜電計進行測量。電離室充了約25大氣壓的空氣。用真空靜電計測量 γ 射線在電離室內使空氣分子電離而產生的電荷。 趙忠堯的實驗用了水、鋁、銅、鋅、錫等六種吸收體。

當他將測量的結果與克萊因－仁科公式相比較時，發現只有輕元素對於硬γ 射線的吸收才符合公式的預言。而當硬 γ 射線通過重元素，譬如鉛時，所測得的吸收係數比公式的結果大了約40％。他稱之為 「反常吸收」。

1930年5月，趙忠堯的博士論文實驗結果發表了。同時，英國塔蘭特（Tarrant）、德國邁特納（Meitner）兩個實驗組也在進行同樣的測量。三處同時分別發現了硬 γ 射線在重元素上的反常吸收。

但是，其他兩人的結果都比趙忠堯的差。趙忠堯的結果最好，吸收係數隨原子序數的變化是平滑的。塔蘭特的結果是不規則地上上下下跳動，邁特納的結果有一個較大的跳躍。

?趙忠堯實驗與塔蘭特實驗、邁特納實驗的比較

吸收係數的測量結束後，趙忠堯想進一步研究硬 γ 射線與物質相互作用的機制，打算設計一個新的實驗，觀測重元素對硬γ 射線的散射現象。與實驗室的鮑文教授商量時，鮑文說：「測量吸收係數，作為你的學位論文已經夠了，結果也已經有了。不過，如果你要進一步研究，當然很好。」

1930年春，趙忠堯開始新的實驗，觀測重元素對硬 γ 射線的散射現象。9月實驗結束。他發現伴隨著硬 γ 射線在重元素中的反常吸收，還存在一種「特殊輻射」。其能量大約等於一個電子的能量，而且它的角分布大致為各向同性。後來知道趙忠堯觀測到的特殊輻射是正、負電子湮滅後產生一對 γ 光子的輻射。這是正負電子的湮滅輻射現象的首次實驗發現。

反常吸收和特殊輻射揭示了一種新的相互作用機制。現在大家都知道，反常吸收是由於電子對的產生，而特殊輻射就是電子與正電子湮滅而變成一對 γ 光子，他精確測量了單個 γ 光子能量為0.5 MeV，相當於電子或正電子的質量。

然而，那時候狄拉克（Dirac）的關於正電子的理論剛提出不久，預言了可能有帶正電的電子，但當時在物理學界了解他的理論的人不多。趙忠堯以及他所在加州理工學院的科學家尚未注意到這個理論，導師密立根教授也沒有把狄拉克的理論跟趙忠堯的實驗聯繫起來，因此沒有認識這一實驗發現的重要意義。

趙忠堯的論文發表後的一兩年內，塔蘭特和邁特納兩組重複這一實驗時，用蓋革計數器進行測量，而不是使用趙忠堯使用的高壓電離室，因而本底比較大，得到了與趙忠堯相互矛盾的結果。

比趙忠堯晚一年發表的邁特納的工作，根本沒有測量到趙忠堯發現的「特殊輻射」。比趙忠堯晚兩年發表的塔蘭特的工作竟「發現」了約0.47 MeV 和約0.92 MeV 兩種輻射。他們兩組實驗都沒有得到正確的結果，卻在客觀上干擾了趙忠堯的正確結果。

邁特納當時已是相當有名的女科學家，塔蘭特是牛津大學的講師，而趙忠堯做這工作時是還沒有得到博士學位的研究生，初出茅廬，資歷尚淺。由於以上種種原因，使錯誤的結果影響了正確的結果。就這樣，趙忠堯的這一重要工作一直沒有得到應有的重視，在諾貝爾獎評審過程中就被忽視了。

最近四十多年來，經過對當時實驗的認真調研，人們才逐漸清楚地認識這一段歷史，認識到趙忠堯發現的重大意義。與趙忠堯同時在加州理工學院攻讀博士學位的還有安德遜，他在附近一間房間做博士論文研究，用雲室測量 X 射線在不同氣體內所產生的光電子的空間分布。他很關心趙忠堯的實驗，對趙忠堯發現的反常吸收和特殊輻射這些實驗結果很感興趣。

他們兩人時常討論工作，也曾談起，應當用一個放在磁場中的雲室中來做硬γ射線吸收實驗，以獲得更多的信息。

安德遜在1930年春開始準備一個用來研究宇宙線的雲室裝置，放在磁場中，根據帶電粒子在磁場作用下的偏轉來測定該粒子的能量。1932年，安德遜在宇宙線的雲室照片中發現了有一個與電子偏轉方向相反、質量與電子相當的粒子，即正電子。1936年安德遜因此獲得諾貝爾物理獎。

遲到了半個世紀的客觀評價

若干年後，科學界重新審視了1929到1931年正電子產生和湮滅現象的發現過程，在三家實驗中，只有趙忠堯的實驗是正確的，而且精度最高。他才應該當之無愧地被稱為正電子產生和湮滅現象的發現者。安德遜從趙忠堯的發現中得到了啟發，導致了正電子的發現。安德遜曾在上世紀80年代寫文章承認這一事實。

按照科學史考證，趙忠堯的重要發現絕對是諾貝爾獎水準的。科學界為他與諾貝爾獎失之交臂而惋惜。半個世紀過後，諾貝爾物理獎評審委員會主席埃克斯彭於1985年來北京做了幾場報告，他和中國物理學家一起重溫了正電子產生和湮滅現象的發現以及正電子發現的那段歷史。很榮幸，我也聆聽了報告。他在報告中指出趙忠堯在其中所做出的歷史性貢獻。這樣重要的研究工作，由於歷史上的某些原因沒有獲得諾貝爾獎，是非常遺憾的。我發現聽眾中還有趙忠堯先生，也在傾聽埃克斯彭的講話。我想趙先生聽到這番話時一定會很激動。這樣客觀的評價雖然晚到了半個世紀，但終究還是來了，還了他一個歷史的公道。

埃克斯彭教授還訪問了中科院高能物理研究所，他在留言中寫道：「我遇到了一位創造了偉大歷史記錄的人，即趙忠堯教授，他幾乎在1930年就發現了正電子，是在安德遜（1932年）之前。」

這個評價是經過多年歷史考證後得到的，公正、客觀。是由諾貝爾物理獎評審委員會前主席所寫，具有權威性。

抗戰期間堅持科研

1930年冬，趙忠堯離開美國到德國進修。1931年他回清華大學物理系任教授，當時中國的核物理研究是一片空白。他和物理系的同事們一起在十分艱苦的條件下開展核物理實驗室建設。在極為簡陋的條件下，進行了一系列γ射線與核的相互作用和中子物理等前沿的、開創性的核物理實驗研究工作。

1933年他和龔祖同在Nature雜誌上發表論文《硬 γ 射線與原子核的相互作用》。用ThC″ 作硬 γ 射線源，用鋁窗和鉛窗蓋格計數管分別計數，測量硬 γ 射線與鋁和鉛的相互作用。盧瑟福在這篇論文後加了按語，說這一實驗結果提供了正負電子對產生的又一重要的證據。

1936年他和傅承義用 Ra-Be 中子源，用不同厚度的石蠟來減速以取得不同能量的中子，測量銀和碘被中子照射後產生的人工放射性，來測定它們對中子的吸收與中子能量的關係。實驗結果發表在1936年《清華學報》上。他們繼續研究銀對 Ra-Be 中子源的連續譜的中子的共振吸收，實驗結果發表在1936年《中國物理學報》和1937年Nature雜誌上。

1937年他和王大珩的研究成果《銀、銣和溴的中子共振能級的間距》發表在 Nature雜誌上。

1938-1945年，清華大學南遷昆明, 與北京大學、南開大學組成西南聯合大學，他任西南聯合大學物理系教授。

儘管西南聯合大學的物質條件十分困難，他還是和張文裕用蓋格計數管做了一些宇宙線方面的研究工作。在昆明時，他對在1937年做的中子共振能級的間距實驗作了更細緻的理論分析。

西南聯合大學沒有大樓，只有茅屋和大師。趙忠堯和他的同事培養出了諾貝爾獎獲得者李政道、楊振寧，兩彈一星功臣朱光亞、鄧稼先，我國國家最高科學技術獎得獎者劉東生、吳征鎰、黃昆、葉篤正等卓有成就的人才，是對物理界的一大貢獻。

再次赴美，籌集加速器設備

1946年夏，由中央研究院推薦作為科學家代表，趙忠堯被派去參觀美國在太平洋比基尼群島的原子彈試驗。參觀後受中央研究院的委託，在美國採購核物理研究用的器材。

要在國內開展核物理實驗研究，一定要有一台加速器。但他手頭上的錢數實在太少，一共只有12萬美元，無法購置一台加速器，離購置一台2MeV 靜電加速器所需40萬美元還差得多。他決心自己設計一台規模較小，但結構比較先進的高氣壓型靜電加速器。只在美國購置國內買不到的器材，加工國內無法加工的部件，然後運回來配套組裝。

當時有人勸他，加速器非他本行， 何不趁在美國的機會多做一些研究工作。他認為，一個人在國外做出成績，對於提高中華民族的科學文化水平，對於國家的富強，作用不大。只有在國內建立核科學的實驗基地，才能在國內開展研究工作、培養人才。為此，他認為個人做出犧牲是值得的。

他先到麻省理工學院學習靜電加速器發電部分和加速管的製造，開始設計靜電加速器。半年後轉去卡耐基地磁研究所學習離子源技術。半年後又回到麻省理工學院，落實加速器部件的加工。同時還參加宇宙線研究。1948年底，他結束了採購任務。為了採購核物理實驗各種器材，設計加速器和定製其某些部件，他前後整整花了兩年時間。在此期間，他還應中央大學的要求，定製了一台多板雲室。在美國組裝了這台雲室，做了宇宙線實驗。這台雲室後來在上世紀50年代初被安裝在雲南高山宇宙線站上，繼續開展宇宙線實驗研究工作。

1948年冬季，趙忠堯結束了中央研究院所委託的購買必需的核物理實驗設備的任務，預計即可回國。但那時國內戰局急劇變化，中國人民解放軍節節勝利，他感到不如待局勢平息之後，回國參加和平建設。再則，那時核物理是一門迅速發展的學科。他因此決定再在美國留些時間，多學些必要的實驗技術，同時準備隨時回國。

他感到自己缺少在加速器上做實驗的經驗，1949年春，他回到當初求學的加州理工學院，參加在靜電加速器上進行的核反應實驗。完成了三篇論文，都發表在Physical Review上，所研究的內容都是當時核反應研究的最前沿。

他利用1949-1950年初中美之間短暫通航時期，衝破美聯邦調查局的層層阻攔，終於設法把三十多箱器材發運回國。這批器材後來對於靜電加速器的研製、核電子學的研製、真空技術的開發等起了重要作用。

回國途中被關進日本監獄

在採購的器材託運回國後，1950年春，他準備回國，這時中美之間的通航已經中斷，只能取道香港。經過一番周折，他於1950年8月底離美。

船過日本橫濱時他被美方無理扣留，並被關進監獄，隨身帶的工作筆記本都被抄走。同時台灣當局也派人到日本，動員他去台灣或回美國。可他不為所動，堅決要求回到新中國。經我國政府積極營救和國內外廣泛的輿論壓力，美方不得不放行。在11月15日，趙忠堯返回祖國，受到全國人民和科技界的熱烈歡迎。

領導國內第一台加速器建造

1950年底趙忠堯回到祖國後，領導加速器的研製。當時國內對高真空、高電壓、離子源、加速管等加速器的有關技術沒有經驗，為了掌握有關技術、取得經驗、培養研究人員，他先利用他帶回的一台退役的靜電加速器的絕緣支柱，建造一台在大氣中工作的700千電子伏質子靜電加速器，1955年建成。

趙忠堯與大家一起邊干邊摸索經驗， 在當時國內艱苦的條件下，決心研製2.5MeV 靜電加速器。技術難關之一是加速管。雖然趙忠堯在美國時，曾特地學了加速管的封接技術，但在國內，從磨絕緣玻璃環，到塗膠、加熱都遇到了困難。在克服重重困難之後，這台2.5MeV 高氣壓型質子靜電加速器終於在1958年建成。由於加速管和真空部件做得好，所封接的加速管一直用了20多年，質量很好，在其上取得一系列核反應研究成果。

?2.5兆電子伏質子靜電加速器

這在當時國內一窮二白的條件下，的確是十分難能可貴的。

指導核物理、粒子物理實驗研究

1958年7月物理研究所改為原子能研究所，趙忠堯任副所長。我國向蘇聯訂購的回旋加速器1958年在原子能研究所建成。在他指導並直接參加下，在回旋加速器上開展了質子彈性散射、氘核削裂反應等研究。

1973年，高能物理研究所成立，他擔任副所長並主管實驗物理部的工作。幾代人為之奮鬥的目標——在中國建造高能加速器提上了議事日程。儘管趙老師年事已高，但他積极參加有關高能實驗基地建設以及有關學術會議的討論。

1984年北京正負電子對撞機工程破土動工。1988年以來，加速器、北京譜儀和同步輻射應用設施相繼完成，並投入運行。一批批新的科研成果陸續問世。這一切積累了包括趙老師在內的老一輩科學家的心血，也是他們培養出來的一代代中青年科學家努力奮鬥的結果。

趙忠堯與中國科學技術大學

1958年中國科學技術大學成立，趙忠堯負責籌建原子核物理和工程系（後改稱近代物理系）並擔任系主任。在他的主持下，很快就建立起完善的教學體系並建立了專業實驗室，開設了譜儀、氣泡室、穆斯堡爾效應、核反應等較先進的實驗。他很注意科學方法的培養，使學生在理論和實驗兩方面都得到發展。

中國科學技術大學原子核物理和工程系能在短時間內躋身於國內一流的行列，是與趙老師和廣大師生的努力分不開的。

1958年我考取中國科學技術大學原子核物理和工程系，開學第一天就是由系主任趙忠堯先生給我們講的第一課，介紹大學階段學習內容，所設專業的情況以及對同學們的期望。他慈祥的面容，深入淺出的講解，帶有諸暨口音的語調，給我們留下了深刻的印象，半個世紀過去了，至今不忘。他請來了最好的老師如張文裕、關肇直給我們講課。到了三年級，他還親自給我們講授原子核反應的專業課。他講課認真，內容涉及國際核反應的最新進展，深受同學們歡迎。

他培養的學生畢業後從事不同的行業，其中不乏在科研、教育、管理、等領域的卓有成效者。

?在中國科技大學的趙忠堯銅像

趙忠堯與年輕人

趙忠堯十分關心青年人的成長。工作中為他們把握方向，放手讓年輕人干。注意發揮青年人的積極性、主動性，培養青年人的獨立工作能力。他對青年人要求十分嚴格。他以身作則，他的一絲不苟的作風教育了青年一代，大家在不知不覺中被潛移默化，逐漸地學到一點趙忠堯的優良作風。就這樣在具體工作中，趙忠堯培養了一大批科研骨幹。

1963年，我大學畢業後，分配在他任室主任的原子能研究所一部（高能物理所前身）物理一室，有幸在他的直接指導下學習和工作。我不但從他那裡學習到了許多知識，更重要的是從他的言傳身教中學習到如何做人，做一個誠實、正直的人，做一個有真才實學服務於祖國的人。我十分榮幸，能長時間在他身邊得到他的培養。他崇高的品質影響了我的一生。

?本文作者鄭志鵬與趙忠堯討論科學問題

崇高的品質

趙忠堯先生一生為人正直、專心科學事業，學問精深，德高望重，淡薄名利，心懷坦蕩、樸素無華、平易近人，深受同事和學生們的敬仰和愛戴，在研究所和學校里，上上下下都稱他為趙老師。

「勿以善小而不為，勿以惡小而為之」，是他終生信奉的格言。無論在政治上、工作上、生活上，他都堅持真誠、實在的原則。凡是他認為有利於國家、人民的觀點，都敢于堅持到底。他認為錯誤的東西，都明確表示反對。

他曾說：「我想，一個人能做出多少事情，很大程度上是時代決定的。由於我才能微薄，加上條件的限制，工作沒有做出多少成績。唯一可以自慰的是，六十多年來，我一直在為祖國兢兢業業地工作，說老實話，做老實事，沒有謀取私利，沒有虛度光陰。」這真是他為人的寫照。他在自傳中寫道：「回想自己的一生，經歷過許多坎坷，唯一希望的就是祖國繁榮昌盛，科學發達。我們已經盡了自己的力量，但國家尚未擺脫貧窮和落後，尚需當今與後世無私的有為青年再接再厲，繼續努力。」這真切地反映了他一生的追求。

?1956年全家福

他雖然從小身體弱小多病，但性格樂觀、開朗，與世無爭，保持良好的生活習慣，堅持鍛煉身體，直至70歲還學習游泳，因而享有長壽。他於1998年5月28日逝世，享年96歲。這正應了孔子所說的「仁者壽」這句話。

?李政道教授向趙忠堯先生祝賀90華誕

?楊振寧教授向趙忠堯先生祝賀90華誕

我們緬懷趙先生為核物理的發展，為我國的科技事業，為我國的教育事業所作出的卓越貢獻。他的崇高人格，努力學習和工作的態度，值得我們學習。

作者致謝中國工程院院士葉銘漢、中科院高能所研究員趙維勤提供資料。

本文原刊登於中科院高能所公眾號（ID: casihep），《知識分子》獲授權轉載。

製版編輯：斯嘉麗 |

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