歷史 物理

F計畫

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-09-07
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  • 上一回的阿文開講提到理化研究所在二戰時秘密從事原子彈研究的"二號研究",這個"二號"是由於核心人物仁科芳雄的頭文字に與"二"一樣的發音。這一回阿文要來開講的則是由日本海軍所主導的F計畫。嗯,這個F可不是考被試被當掉的F,而是核分裂的Fission的頭文字F。這個計畫的核心人物,說來跟臺灣也頗有淵源,不知算不算是臺灣之光?他就是京都帝國大學的荒勝文策教授。

      荒勝文策於1890年出生於日本兵庫縣姫路市,他的生父叫長田重,但是他過繼給荒勝家成為養子。在從御影師範學校(現已併入神戶大學)與東京高等師範學校(後併入東京教育大學,筑波大學的前身)畢業後,荒勝文策一度在九州的佐賀縣擔任教職,後來他於1915年進入京都帝國大學物理學系就讀。京都帝國大學是日本利用甲午戰爭後訂定的馬關條約中國支付的賠款將第三高等學校的法學部與工學部改制而成。是東京帝大之後成立的第二所帝國大學。當時的物理系只要讀三年,所以1918年7月,荒勝從京都帝國大學物理學系畢業。之後他留下來擔任該校講師,接著在1921年8月升助教授。(當時日本的大學分三級:教授,助教授,助手。現在助教授改稱准教授,助手則分成助教以及助手)。1923年(大正12年)4月荒勝轉任甲南高等學校擔任教授。甲南高等學校是當時新設立在神戶的一所私立高等學校。著名的粒子物理學家坂田昌一就是從這裡畢業的。跟其他公立高校不同的是他強調體育與德育,而且學生人數很少,相對地學費也不便宜。算是當時的貴族學校吧。

      但是他在甲南高校也沒有待太久。三年後的1926年6月,他被臺灣總督府任命為臺灣總督府高等農林學校(後來併入臺北帝國大學)的教授。不過在此時,荒勝文策並沒有去臺灣,而是以臺灣總督府在外研究員的身分,前往歐洲留學,直到1928年10月。在歐洲的這段期間,他曾經短暫在德國柏林大學跟隨愛因斯坦作研究。當時正是波爾與海森堡提出量子力學的哥本哈根詮釋而愛因斯坦期期以為不可的時候。日後荒勝認為受到愛因斯坦很大的影響。之後荒勝到瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH)跟Paul Scherrer學習有關鋰原子中自由電子分布的研究。這時Paul Scherrer對新興的核子物理產生了濃厚的興趣,也許這影響到了荒勝。所以他接著來到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,當時這裡可是核子物理的聖地,拉塞福以及他的徒子徒孫正展開一系列的核子物理實驗。這段在歐洲的留學經驗,也使原先立志從事理論物理研究的荒勝文策,開始對核子物理實驗產生興趣。

      1928年臺北帝大正式成立了,這是繼東京帝大(1886)、京都帝大(1897),東北帝大(1907) 九州帝大(1911) 北海道帝大(1918)、京城帝大(1924,今天的韓國首爾)之後的第七所帝國大學,比大阪帝大(1931)以及名古屋帝大(1939)還早呢。臺北帝大一開始只有起初只有文政學部、理農學部。1928年12月26日為了準備擴充1929年度的開課講座,在文政學部增設四個講座、理農學部9個講座,其中就包括荒勝文策的物理學講座。荒勝文策於1928年12月成為臺北帝國大學物理學講座的首任教授,並開設普通物理與原子論等相關課程。在帝國邊陲的荒勝忙著繼續在歐洲學到的光譜學研究,大概也沒料到他的人生即接迎接一個大轉折,將他帶往人生的高峰。
    臺北帝國大學文政學部
    臺北帝國大學文政學部(圖片來源:wikimedia commons)
     
      1932年4月英國劍橋大學卡文迪西實驗室的John Cockcroft與 Ernest Walton利用新造的高壓直線加速器將質子加速,然後去撞擊鋰原子,結果得到兩個α粒子!這在當時被譽為是現代煉金術。之前大家只能用天然的放射源,放射出來的α粒子能量不足以將鋰原子核撞裂,而高壓直線加速器的發現讓物理學家搖身一變成了現代的鍊金師了。他們的結果刊登在《自然》雜誌。一篇簡單介紹他們的新加速器,接著一篇介紹裂解鋰原子的實驗結果。在閱讀這兩篇論文之後,荒勝向助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」於是荒勝文策投入物理學講座全部資源,在助手木村毅一與植村吉明的協助下,他們在台北帝大二號館101室開始建造高壓直線型加速器。兩年後,1934年(昭和9年)7月25日晚間(因為白天太熱)他們成功了!這是亞洲第一次,也是世界第二次的分裂原子核的實驗。該次實驗重現並證實了11H+115B→3 42He反應,並發現用高速氘離子撞擊鋰也能使鋰同位素產生21H+63Li→ 242He反應。當時轟動整個日本的物理學界。

      木村毅一也是從京都帝大畢業,他跟湯川秀樹以及朝永振一郎是第三高校以及京都帝大的同期生。他是1930年來到臺北帝大。植村吉明則是生於日本兵庫縣的一個小村莊中。隨後,他與家人一同遷居到當時屬於日本領土的臺灣,並在該處接受教育。1929年,他從臺北的一間技職型高中畢業,並在同年至臺北帝國大學任職,加入了荒勝的實驗團隊,成為其雇員。還有一位太田賴常是助教授,則是奈良人,也是京都帝大畢業的。他負責提煉重水。有趣的是整個團隊都是關西來的。不知平常實驗室是不都講關西弁呢?

      順便廣告一下,二號館後來變成臺灣大學物理系館,101室就在學生戲稱"陰氣很重,夏天不用冷氣一樣涼颼颼"的系館穿堂的旁邊。多少年來莘莘學子來來往往,確都不知道這裡曾有過如此輝煌的歷史呢。現在二號館101室已經改建為臺大物理文物廳,記錄原子核實驗室加速器建造過程以及重建過程也被拍成科學史紀錄片《衝破原子核》大家應該去參觀一下。

      在1935年於臺北帝國大學舉辦的日本學術協會第10次大會的物理學會議中,荒勝文策報告了他的研究成果,當時應邀來臺的仁科芳雄聽了之後非常激賞,很快便邀請他回京都帝國大學任教。很快地荒勝文策在1936年(昭和11年)11月轉任京都帝國大學教授,接任石野又吉的物理學第四講座。木村毅一、植村吉明二人也一同轉任京都帝國大學,專長為重水製造及分光學的太田賴常則留在臺灣,物理學講座由同為出身京都帝國大學的物理博士、專長於宇宙射線物理的河田末吉接手。而他們蓋的加速器之主設備備就被荒勝文策攜回日本內地去了。荒勝文策繼續進行他的核子物理研究。在京都帝大重新建造了高壓直線型加速器,並建造回旋加速器。1939年,荒勝文策與萩原德太郎利用該加速器,測定出平均每次一個鈾235原子核分裂會釋出2.6顆中子。除了利用加速器進行實驗,荒勝文策也曾與木村和植村一同利用宇宙射線進行高能物理研究,並將其實驗結果發表至1937年8月的《自然》雜誌上。另外,他也開設了實驗原子核物理學與量子力學等課程,甚至連爾後於1949年成為日本首位諾貝爾物理學獎得主的湯川秀樹也去旁聽他的課程。當時湯川是大阪帝大的助教授。1939年湯川成為京都帝大的教授,成為荒勝的同事。

     
    荒勝文策與京都大學加速器
    荒勝文策與京都大學加速器(圖片來源:wikimedia commons)
     
      1941年(昭和16年),荒勝文策成功利用鋰原子與質子反應產生的伽瑪射線,使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要跟原子彈計畫結緣。日本海軍一開始對原子彈深感興趣,但是在得知需要投入大量資源,而且可行性不高後就放棄了。但是中途島海戰後,失去許多主力艦的海軍,回頭開始重新思索,希望開發新武器來扭轉戰局。也有一說是一開始海軍只是因缺石油想利用核能,後來才想回頭考慮製作原子彈。(前一陣子伊朗的核濃縮不也說是要開發核能嗎?只是全世界第二大產油國要開發核能,沒人相信罷了。) 艦政本部的磯恵大佐是京都帝大的校友,於是他找上了荒勝文策。戰後各方證言對F計畫何時開始可以說是眾說紛紜,從1942年10月到1944年9月各種說法都有,在盟軍佔領當局GHQ的文獻則說是1943年5月。這個就留給專業史家來決定了。

      F計畫跟二號計畫最大的不同是荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾235,而不是熱擴散法。他估計需要每分鐘旋轉十萬次以上的離心機才能將較輕的鈾235與較重的鈾238分離。當時日本國內專做船舶引擎的北辰電機與東京計器頂多只能做到每分鐘3 - 4萬轉,受制於高速旋轉產生的摩擦現象。當時東京計器與荒勝的實驗室都想將空氣壓縮再灌倒扇葉上產生高速旋轉。同時荒勝也找上古屋的住友金属工業因為離心機要承受相當於10万G的壓力。但是住友金屬沒多久就被炸成廢墟了。一直到戰爭結束,荒勝都沒有蓋出他需要的離心機,F計畫是徹底地F掉了。倒是配合荒勝的理論部門,以小林稔為首,算出鈾235的臨界質量。聽說是小林稔用機械式計算機去解擴散方程式得到答案的。湯川秀樹也在F計畫理論部門工作過,只是實際上他負責什麼,因為沒有資料只能留白了。

      1945年8月6日,美軍在廣島投下原子彈,造成廣島死傷慘重。為了明白災情,荒勝文策被海軍大臣米內光政委任原子彈爆炸受害區域的調查任務,與京大醫學部的杉山繁輝教授共組原爆災害調查班,於8月10日到廣島以了解原子彈的影響力。為了取樣,在毫無防護設備的情況下進入原爆災區,當天他與仁科芳雄都參加了大本營在廣島開的會,會中他們一致認定丟在廣島的是原子彈。當晚他回到京都,8月12日他在完成對廣島土壤的beta射線的測量後翌日又跑去廣島做更一步的調查。8月15日他對海軍提出完整的調查報告荒勝文策精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在1/5秒至1/2秒之間。數據計算之精確,震驚世界。據說他還跟木村毅一說,快去比叡山架好觀測臺與偵測器,因為美軍下一個對象是京都,對核子物理學家來說,這可是千載難逢的機會。所幸這事沒有成真。

      聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於1945年10月31日下令禁止日本進行有關原子物理的研究,並在11月24日拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器,將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收,為此他表達強烈抗議。荒勝文策在日記中表示,這次拆除工作完全不必要的,因為該設施是純學術用途,與原子彈製造根本毫無關係。荒勝文策的大量報告與製作之儀器因此大量流失,只殘留部分被保留在廣島縣西南部的吳市海事歷史科學館。

      迴旋加速器被拆除後,荒勝文策在日記中描述其研究室成為一片「慘澹的光景」。除了京都大學之外,該次行動也拆除了東京大學與大阪大學的迴旋加速器。荒勝事後曾感嘆地說:日本原子核物理研究的幼芽就這樣被摘下,令人遺憾!面對空盪盪的研究室,荒勝文策在1950年時也只好自京都大學退休。所幸他在京都大學的核子物理研究室,在1951年美國解禁日本核物理實驗後重啟,由木村毅一接手。當湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎,他說了一句"後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた"(晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了),想必感嘆良深吧。
    湯川秀樹
    湯川秀樹(圖片來源:wikimedia commons)

    退休後的荒勝在1951年4月成為私立的甲南大學首任校長。1973年,荒勝文策於神戶市逝世,享壽83歲。日本的加速器研究也好,核子物理的理論與實驗也好,現在都堪稱世界一流,不輸歐美先進國家。想來這些明治出生的前輩們,在自己祖國打下一個堅若磐石的科研基礎,這給在臺灣的我們一個最佳的典範。
    阿文開講一連講了三次日本,下次讓我們回頭來聊聊西洋,下回再見囉。


    參考資料:
    (1)中文 日文 英文 維基相關條目
    (2)Scientific Research In World War II: What scientists did in the war (Kegan Paul Studies in Anthropology, Economy and Society)
    by Ad Maas (Editor), Hans Hooijmaijers (Editor)
    (3)http://www.sankei.com/west/news/150723/wst1507230006-n1.html
    (4) http://www.neomag.jp/newstopic/?p=2383
    (5) http://www.museums.ntu.edu.tw/museums_physics.jsp
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