歷史 物理

理研的故事之浴火重生的鳳凰

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撰文者:高崇文
發文日期:2016-08-30
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  • 上一回提到理化研究所的開創期。開創的人物都是成長於明治時期然後在大正時期建功立業的奇人異士。但是隨著時代的演進,日本的物理學也邁入新的階段。這個時期的關鍵人物就是人稱『日本原子物理之父』的仁科芳雄。
     
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       仁科芳雄(Wikimeida Commons)

    仁科芳雄於1890年(明治二十三年)出生在日本的岡山縣。他家是家境不錯的富農。他在1910年進入設在岡山的第六高等學校的工科就讀。畢業後在1914年進入東京帝國大學電氣工學系。1918年東大畢業後,成為理化學研究所的研究人員。他進入的是鯨井恒太郎的無線通訊研究室。1921年4月5日仁科搭乘日本郵船北野丸由橫濱出發,前往歐洲學習。

    仁科首先來到劍橋大學卡文迪許實驗室,當時卡文迪許實驗室的主任是發現原子核的拉塞福。顯然拉塞福對這位來自遙遠東方國度的小伙子沒什麼興趣。雖然仁科一開始想研究的是實驗物理,可惜事與願違,不得其門而入。所以仁科在1922年1月前往哥廷根大學拜訪波恩,當時波爾正好到哥廷根訪問。他跑去聽了丹麥物理學家尼爾斯·波爾的演講,大受感動,於是乎他決定前去哥本哈根。他在1923年4月來到哥本哈根大學。距離他離鄉背井已經有兩年了。

    這個孤注一擲的決定卻是開啟日本現代物理的關鍵。他在哥本哈根整整待了五年半。當時波爾的研究所稱的上是新的量子物理的”麥加”,各國傑出人才絡繹不絕來到這裡。最出名的是量子力學的創造者海森堡,發現不相容原理的包利,此外荷蘭的Kramers, 美國的Slater以及瑞典的Oscar Klein也都是來此”朝聖”的優秀年青物理學家。仁科芳雄在1928年與Klein發表康普頓散射研究論文,並提出描述康普頓散射實驗的Klein-Nishina's formula。這是當時新發展的量子場論,頭一次運用到實驗上。此時的仁科已經是一個成熟的理論物理學家了。他在1928年12月25日返回日本。在當時,他是亞洲少數跟得上量子理論發展腳步的物理學家,而與波爾類似的是,他也有一股吸引年青人投入物理的”蘇格拉底”式魅力。包括諾貝爾物理學獎得主湯川秀樹與朝永振一郎,都曾經接受到他的指導,也在研究生涯中受到仁科的鼓舞。這是他對日本物理最大的貢獻。

    仁科芳雄回到日本以後,一開始待在長岡半太郎的研究室。1929年他邀請海森堡以及狄拉克這兩位量子物理的大師訪日(雖然兩人都未滿三十歲,但是海森堡已經發展出矩陣力學以及測不準原理而狄拉克也已發表描寫電子的狄拉克方程式)。這在當時的日本年輕人中產生了非常大的震撼。他們看到與自己年紀相仿的年輕大師不免興起有為者亦若是之嘆。也讓日本年輕一輩眼界大開,見識到新的物理思潮。

    1931年7月,仁科芳雄升任主任研究員,並在理化學研究所內設立仁科實驗室,當時他是理研中最年輕的主任研究員。他的研究室做理論也做實驗。一方面他開始製作Wilson雲霧室,蓋格計數器以及高壓電離子加速器這些當時前驅研究必備的器材,另一方面也與朝永振一郎、坂田昌一開始利用量子場論計算正負電子對生成堙滅。當柏克萊的勞倫斯於1932年發明回旋加速器後,仁科在1937年在理研也做出一台,這是全世界第二臺。隔年大阪帝大的菊池正士(理研第一任所長菊池大麓的兒子) 也在大阪帝大蓋出一臺。仁科芳雄也研究宇宙線,他的團隊不僅發現隨著高度增加宇宙線的強度也會跟著增加(在箱根與富士山做的測量) 而且他們還曾在日蝕時測量宇宙線強度 證明太陽不是宇宙線的來源。1937年他們還利用他們的雲霧室做當時宇宙線中未知粒子質量的測量,結果是電子質量的(180±20)倍。在當時這可以最準確的數據。可以說他的研究室走在當時科學的最前線。遺憾的是,理研這艘小船終究抵擋不了時代的巨浪。當日美開戰的陰影逐漸逼近時,理研也不得不走上武器研究的道路上。

    其實早在1940年四月陸軍航空技術研究所的所長安田武雄中將就命令部下鈴木辰三郎研究原子彈的可能性。(安田也是岡山縣人,比仁科早一年進入東大工學部電氣科,安田當時是工兵中尉) 在東京帝大的嵯峨根遼吉的協助下,兩個月後就提出了報告。(嵯峨根遼吉是長岡半太郎的五兒,過繼給嵯峨根家。東大物理科畢業後曾到美國跟英國留學。回日後在仁科的指導下從事回旋加速器的研究。) 這份報告送到了時任陸軍大臣的東條英機手上。隔年五月陸軍航空技術研究所正式委託理化研究所的大河內正敏所長來從事原子彈的研究。這個任務理所當然就落在仁科芳雄頭上。

    1943年5月仁科提出了"由鈾來製造原子彈是可行"的報告。當時安田已經升任陸軍的航空本部長(後來他因為反對特攻作戰被東條拔官)。他直接命令部下川島虎之輔大佐負責推展執行。而且將此列入最高機密。接著就開始了以仁科芳雄為核心的二號研究(之所以稱為二號研究是因為仁科芳雄的名字頭一個音に念做Ni 跟日文中的數字二同音)

    當時仁科一心想利用新建好的回旋加速器來製造比鈾重的人造元素。當時美國的Edwin McMillan剛造出原子序93的元素錼(Neptunium) 而仁科則是想再接再厲造出原子序94的元素出來。對造原子彈實在興趣缺缺。然而時勢比人強,為了讓研究室的研究人員不必上前線,仁科最後只好將研究室的人力投入二號研究上。值得一提的是McMillan後來加入曼哈頓計畫,甚為活躍。1951年還獲得諾貝爾化學獎呢。

    參與二號研究的除了仁科的研究室外還有飯盛里安的研究室。他的專長是分析化學,學生時代研究過臺灣北投溫泉的北投石,確定是含有鈾的放射性礦物。他還發明了IM-泉効計 可以拿來測量微量的放射性。1934年他還曾與他兒子飯盛武夫(當時任職於他的研究室) 助手吉村恂、畑晋一齊在朝鮮半島尋找有放射性的礦石。飯盛研究室的任務就是提供含鈾的原料。主要是重鈾酸鈉。而仁科的研究室集中心力想利用熱擴散法來提煉出鈾235來。飯盛里安戰後被迫放棄放射性的研究,成了"人造寶石"的專家。他還寫了一篇"放射能一夕話"的文章,文末感嘆地寫上「栄えよ放射能!!さようなら放射能!!!」想來他也是非常惆悵。

    其實提煉鈾235的方法有有四種,即熱擴散法、氣體擴散法、電磁法、高速離心法。(曼哈頓計畫中先利用熱擴散法濃度提高到0.89% 再使用氣體擴散法達到23%最後再使用電磁法達到89%) 但是戰時日本尋找不到足夠的鈾礦石,而且為了節省時間,仁科芳雄的團隊決定採取最省事的熱擴散法。熱擴散法就是將鈾238進行氟化處理成六氟化鈾,然後利用溫度差產生對流。藉此較重的鈾238會沉澱,而較輕的鈾235則會浮在水面上。當時仁科研究室的分工是這樣子的。木越邦彥負責的是製造六氟化鈾,玉木英彥則是負責計算鈾235的臨界量。竹内柾負責開發熱擴散分離裝置的開發,他製作的分離筒是銅製的雙層筒,直徑約五公分 高約五公尺。內筒接上電線可加熱到240 - 250度,外層則是浸在六十度的溫水中。利用內外溫差造成對流。山崎正男則是負責檢測鈾235。

    製作六氟化鈾並不簡單,木越邦彥發現通過砂糖可以讓鈾碳化,然後再用碳化的鈾進行氟化,最終可以製成六氟化鈾。但在戰爭時期,日本的砂糖供應是備管制的,為了保證實驗所需的砂糖供應,軍部特批給仁科研究室十公斤砂糖。之後木越發現用澱粉的碳化效果更好,之後的六氟化鈾製作便選擇了澱粉。從1944年7月開始,提煉成功的六氟化鈾開始在分離筒進行分離試驗。但因為六氟化鈾的強腐蝕性,分離筒的管道也經常被腐蝕出孔洞,導致事故頻發,因此試驗進行很不順利,進展緩慢。1945年4月,用於熱擴散法提純鈾235的分離筒也在美軍的空襲中被摧毀。仁科嘗試在金澤市重建個分離筒 航空本部派了竹内柾以及佐治淑夫中尉等數人去金澤幫忙。但由於金澤也遭到激烈的空襲,所以到戰爭結束時都沒有進展。其實早在1944年底,從被擊落的B-29轟炸機上發現位於東京的理研已經成為美軍轟炸的目標。陸軍航空本部的鈴木辰三郎勸理研到別的地方設置分離筒。所以大阪帝大的菊池正士當時在尼崎市的住友金屬鋼管工廠建一個新的分離筒。後來菊池擔心工廠不安全,甚至想在太太娘家裡蓋一個100坪的備用工廠,終戰後這個分離筒被解體就近倒入河川中了。

    美國在1945年8月6日於廣島投下原子彈後一天後,8月8日仁科芳雄被緊急召集奔赴廣島。8 月12日大本營在廣島開會,仁科與另一位原子彈計畫主持人,京都帝大的荒勝文策教授一致同意,不知名的新型炸彈就是原子彈。就在8月9日長崎被原子彈轟炸之前,3個長方形金屬容器被投放到長崎周邊地區。裡面有一封由3名參與了「曼哈頓工程」的美國原子物理學家致他們曾經在加州大學伯克利分校的同事嵯峨根遼吉的信。在信中,三位美國原子物理學家Luis Alvarez, Philip Morrison, Robert server希望嵯峨根遼吉可以警告日本政府,如果繼續作戰將造成很嚴重的後果。甚至在信的結尾還寫道:「如果日本還不立即投降,那麼日本將遭受『原子彈雨』的打擊。」(Luis Alvarez 後來因研究核共振態而榮獲諾貝爾獎。Philip Morrison 倒是成了反核武的急先鋒)。而美國的確打算八月十九日再丟一顆原子彈,九月再三顆,十月再三顆。仁科在8月14日到長崎,再一次確認美軍丟的是原子彈。8月15日,日本就投降了。當天仁科藉著廣播跟全國解說原子彈。
    盟軍佔領日本後,大河內正敏所長被當作A級戰犯給關在巢鴨。盟軍最高司令官總司令部(GHQ)勒令整個理研集團解散。最慘的是仁科的回旋加速器被丟到東京灣裡。照片還被放到Life雜誌上。當然,所有關於廣島長崎慘狀的報導都被禁止。

    話說GHQ一開始當年連"描寫四十七浪人復仇的"忠臣藏"的戲劇都禁了,實在令人搖頭。

    後來大河內所長雖然無罪釋放,卻遭到GHQ的所謂"公職追放"。所以當株式会社科学研究所成立時,仁科成為第一任的所長。所謂公職追放就是江GHQ認定是戰前軍國主義的支持者全部從政府部門中趕出去,禁止他們擔任任何公職。可笑的是當韓戰爆發後麥克阿瑟只好來個髮夾彎,將它取消。仁科在重建戰後日本科學界扮演了吃重的角色。可惜天不假年,仁科芳雄在1951年因為肝癌而英年早逝,可能是長年從事放射性物質研究,也可能是在原子彈轟炸廣島及長崎後,前往當地調查所產生的後遺症。為了紀念他的貢獻,仁科芳雄獎從1955年開始頒發給優秀的日本物理學家。

    至於理研呢? 1958年日本國會通過「理化学研究所法」,特殊法人「理化学研究所」才又重生。說是浴火重生的鳳凰實不為過吧。新的理研第一任所長是長岡半太郎的兒子長岡治男。2015年(平成27年)4月又改成「国立研究開発法人理化学研究所」。成為日本科研的重鎮。前一陣子理研還拿到了新元素113的命名權。有人建議用Rikenium,還有人建議使用 Nishinanium 記念仁科。最終還是代表日本的 Nihonium 雀屏中選。我想一生致力建立日本物理根基的仁科芳雄,應該也樂見這樣的命名吧。

    理研的故事就講到這,下一回阿文要講什麼? 暫且賣個關子。Ate breve! Obrigado!

     
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