從死亡射線到反物質
復旦大學 趙傑、何萬兵 編譯自Giulia Pancheri. Physics World，2024，(7)：33
本文選自《物理》2024年第8期
布魯諾·陶舍克(Bruno Touschek)是一位出生於奧地利的理論物理學家，提出了世界上第一臺環形粒子對撞機。但正如Giulia Pancheri所描述的，很少有同事知道他的黑暗過去，他曾爲納粹軍方研製過“死亡射線”裝置。
1966年5月一個陽光明媚的日子，我第一次走進羅馬附近的弗拉斯卡蒂國家實驗室(Frascati National Laboratory)。當時我剛從羅馬大學物理學專業畢業，並獲得了在弗拉斯卡蒂理論物理組工作的獎學金。該小組由布魯諾·陶舍克領導，他在六年前提出了建造一種新型粒子加速器的著名建議，這種加速器後來成爲世界上諸多未來裝置的原型。
他的想法不是用粒子轟擊固定靶或電子相互碰撞，相反陶舍克提出，以正電子的形式儲存足夠的反物質，並在一個環形裝置中將它們與電子正面碰撞，由此產生的湮滅將揭示粒子世界的新秘密。1963年，當“儲存環”(Anello di Accumulazione，AdA)投入使用時，這一想法變成了現實。
1955年，才華橫溢的布魯諾·陶舍克在德國死裡逃生十年後的照片。此時，他已是一位成功的理論家，並已提議建造世界上第一臺正負電子對撞機
AdA儲存環裝置非常成功，因此世界各地很快建造起類似的正負電子對撞機。1966年，陶舍克正在監督ADONE的建設，這是一臺更加強大和漂亮的裝置，它運行的正負電子對撞質心能量高於世界上任何其他加速器。現在我仍然記得，當時陶舍克把我帶到恩里科·費米大街對面一座圓形建築的大禮堂時的激動心情，一臺巨大的起重機正在吊裝ADONE的第一塊磁鐵。
接下來的一年裡，我在陶舍克的研究小組工作，但無論是我還是他在羅馬大學的大多數同事，都不知道他那黑暗而充滿戲劇性的過去。對大多數學生來說，陶舍克最出名的是他精彩的統計力學講座，他講課細緻而精確，用詞妙趣橫生，優美整潔。
對我和其他許多人來說，陶舍克是個天才。作爲一名物理學家，他對自己的能力充滿信心，而又不傲慢，他喜歡聰明勤奮的學生。AdA儲存環的偉大成就使他身上閃爍着光輝。有關陶舍克動盪的早年生活的真實故事直到多年之後，他於1978年去世以後才浮出水面。
不平凡的一生
在陶舍克去世之後的幾年裡，他的朋友和同事們在各種文章、書籍、講座和視頻紀錄片中講述了他的故事。但是，直到2009年，科學史學家Luisa Bonolis和我發現了一批陶舍克寫給他父親的信件，他非凡的一生才得以完整展現。
儘管陶舍克是猶太人，但他在第二次世界大戰期間卻被迫爲納粹工作。他被徵召去幫助製造一種可以發射軍用級“死亡射線”的科學設備，他的故事令人難以置信。後來，陶舍克被關進了集中營，在最惡劣的環境下，他表現出了無窮的勇氣。儘管遭受了這些創傷，他仍以堅定的決心和遠見卓識爲粒子物理學做出了重要的基礎性貢獻。
悲劇時代
陶舍克於1921年2月3日出生在維也納，是家中獨子，他的母親是猶太藝術家Camilla Weltmann，父親是奧地利軍隊中的一名天主教軍官Franz Xaver Touschek，第一次世界大戰期間在意大利境內作戰。他的童年充滿了悲劇色彩，母親在他9歲時死於“西班牙流感”後遺症，1934年，他的舅舅在希特勒上臺後自殺身亡。
1938年初，奧地利被納粹德國吞併，生活雪上加霜。陶舍克是著名的Piaristengymnasium中學的學生，第二年就要參加期末考試了。雖然陶舍克的母親爲了嫁給他的父親而改信天主教，但陶舍克仍被視爲猶太人，被禁止與同學們一起參加考試。
隨着歐洲走向戰爭，陶舍剋意識到留在維也納的危險，但戰爭已經爆發，他的選擇變得有限。大學第一年結束時，他被停學。1941年1月，他被完全開除。陶舍克繼續在維也納生活和學習的機會正在迅速消失。
前往德國的心臟
陶舍克隨後得到著名德國物理學家索末菲的保護和鼓勵。當時，72歲的索末菲在慕尼黑大學工作，儘管曾因不遵守反猶政策而遭到納粹政府的排擠，但他在德國物理學界仍是一位頗具影響力的人物。對陶舍克來說至關重要的是，德國有些科學家試圖保護他們的猶太同事，僱用他們到爲納粹軍隊製造設備或器械的公司工作。這些科學家可以聲稱，他們猶太朋友的活動對戰爭的成功是不可或缺的。這樣可以讓猶太科學家遠離蓋世太保的視線，避免他們被送進集中營。
至少希望如此。事實證明，蓋世太保完全瞭解猶太科學家的就業情況。納粹當局容忍了這種做法，因爲他們知道，一旦項目完成，這些科學家就會被逮捕和遣散。陶舍克當時並沒有意識到這些危險，他收拾行囊，前往德國。
柏林和β加速器
(電子感應加速器)
1942年11月，隨着漢堡和其他城市開始遭到盟軍的炮火轟炸，陶舍克再次踏上了遷徙之路，這次他來到了柏林。他比以往任何時候都更接近納粹政權的黑暗中心，他在一家與軍方有聯繫的電子公司Löwe Opta找到了工作。在Löwe公司，陶舍克聽說了一個建造15 MeV的β加速器項目，這是一種可以將電子加速到高能量的機器。
該項目受德國帝國航空部委託，曾尋求過挪威物理學家羅爾夫·韋德羅的幫助，他於1928年提出了這種加速器的工作原理。納粹希望該裝置的威力足以產生“死亡射線”，可以在軍事行動中擊落敵機。
接近死亡
1944年年底，β加速器完成。但隨着1945年的到來，德國顯然將輸掉這場戰爭。德國接到命令，從不斷推進的盟軍手中搶救重要的基礎設施和設備。
1945年3月15日，陶舍克和韋德羅完成了任務。第二天，陶舍克返回漢堡，午夜時分到達他的公寓。第二天早上7點，他被蓋世太保叫醒，蓋世太保將陶舍克帶到臭名昭著的富爾斯布特爾監獄，在那裡他被關押了四個星期，起初他的處境非常悲慘，甚至想到了自殺。
後來陶舍克身體不適，轉移集中營時暈倒在漢堡郊區的公路上。一名隨行的黨衛軍軍官向陶舍克開槍，在他暈倒時向他開了兩槍。陶舍克倒在路邊的壕溝裡，頭部鮮血直流，這名軍官和其他戰俘繼續前進，陶舍克被丟下等待死亡。
幸運的是，他的傷口很淺。陶舍克恢復了知覺，被送往醫院，然後又被送往另一所監獄，1945年4月底，一名β加速器項目的同事將他從該監獄釋放。
陶舍克從未真正解釋過自己被捕的原因，在隨後的幾年裡，他對不同的人給出了不同的解釋。在我看來，他根本不願意解釋，或是無法解釋自己參與由德國帝國航空部資助的機密項目的原因。爲納粹政權所做的工作並不是陶舍克能夠輕易接受或忘記的。
哥廷根、格拉斯哥和羅馬
戰後，盟軍允許德國科學界在哥廷根大學維爾納·海森伯的指導下重新起步，條件是隻能用於和平目的。但是，隨着曼哈頓原子彈項目使粒子加速器成爲核同位素的有效來源，陶舍克在β加速器上的經驗引起了佔領漢堡地區的英國人的注意。英國人看中了陶舍克理論與實踐兼備的才能，於是制定了一項計劃，將陶舍克帶到了英國。
和平進步。第二次世界大戰後，陶舍克移居英國，於1949年在格拉斯哥大學獲得博士學位，在那裡他繼續學習粒子加速器日益增長的知識。他與格拉斯哥新成立的同步加速器小組的同事Samuel Curran在一起
1947年，陶舍克來到格拉斯哥大學攻讀博士學位，由John Gunn(譯者注：耿氏效應的發明者)指導，魯道夫·派爾斯(Rudolph Peierls)擔任外聘導師。在格拉斯哥五年中，陶舍克在科學和個人方面都收穫頗豐。通過關注格拉斯哥350 MeV同步加速器的建設，併爲伯明翰和其他地方正在建設加速器的實驗室提供建議，從而拓展了自己在粒子加速器方面的知識。在理論物理學方面，他認識了馬克斯·玻恩，後者在1933年離開德國後在愛丁堡大學找到了庇護所。
陶舍克與他合作編寫了玻恩著名的《原子物理學》一書的第二版，並討論了各種物理學問題，有時甚至解釋海森伯的最新論文。在此期間，陶舍克開始研究所謂的“紅外災難”。這種現象來源於被加速的帶電粒子所發射的低頻光子，這一現象在後來建設的所有高能粒子加速器中都被考慮到。
作爲一名物理學家，陶舍克的資歷已經得到了證實。1952年，陶舍克接受了阿馬爾蒂的邀請，成爲羅馬大學的一名研究員。回到這座戰前他曾多次造訪的城市，陶舍克發現大學的物理研究所充滿了活躍的學術氛圍。該學院接待了衆多傑出的國際訪客，其中包括諾貝爾獎得主布萊克特和泡利。
對撞之旅。左圖：1966年，陶舍克與弗拉斯卡蒂國家實驗室主任Italo Federico Quercia，監督ADONE正負電子對撞機的建設。ADONE是AdA儲存環對撞機(右圖)的高能量升級，陶舍克是該對撞機的帶頭人，它後來成爲世界上許多未來裝置的原型
隨着戰爭的結束，許多國家和國際物理項目也開始啓動。其中一個是歐洲核子中心，即位於日內瓦附近的歐洲粒子加速器中心，阿馬爾蒂大力支持該中心，並擔任其首任總幹事。羅馬也是意大利兩個重要的新項目——核物理研究所(INFN)和弗拉斯卡蒂實驗室的所在地，這兩個項目都將在陶舍克的未來科學生涯中扮演重要角色。
粒子加速器迅速成爲一種基礎研究的工具，被用來發現全部的新粒子。陶舍克對它們的對稱特性產生了興趣，並開始研究中微子，提出了手性對稱變換。在羅馬，他與泡利密切合作，後者正試圖證明電荷—宇稱—時間(CPT)定理，根據該定理，如果粒子變成反粒子、空間座標被反射或時間被反演，粒子狀態不會改變。
陶舍克對CPT的理解使他意識到，正負電子對撞機對物理學的未來至關重要，這種對撞機能使物質和反物質沿同一軌道加速，但方向相反。1960年，他根據CPT定理確信電子和正電子可以相互撞擊和湮滅，於是開始帶領弗拉斯卡蒂的科學家團隊建造一臺原型機。這就是儲存環對撞機AdA，它於1961年2月開始運行。
爲了證明其作爲研究裝置的可行性，這個直徑1.3米的裝置被運往巴黎附近的奧賽(Orsay)實驗室，法國和意大利的研究小組於1963年底在那裡首次觀測到了電子—正電子碰撞。儲存環對撞機AdA成功的關鍵在於羅馬的年輕理論物理學家、弗拉斯卡蒂和奧賽的技術和科研人員的傑出成就。雖然它從未導致湮滅或產生新的粒子，但AdA是新型機器的試驗平臺。
永恆的遺產
陶舍克的遠見卓識很快激勵了法國、蘇聯和美國的其他大型物理實驗室建造類似的電子—正電子對撞機，爲新粒子的發現打開了大門。儲存環對撞機AdA由此奠定了粒子物理學標準模型的基礎，並改變了物理學本身的面貌。陶舍克親眼目睹了這些重大事件的發生，如在ADONE上產生多強子和發現粲夸克。
1977年，他在歐洲核子研究中心(CERN)度過了一年的休假期，那裡將建造超級質子—反質子對撞機和大型電子—正電子對撞機(LEP)。他非常不喜歡大型國際化機構，認爲這些機構非常複雜和官僚主義，儘管如此，他還是非常喜歡與卡洛·魯比亞(Carlo Rubbia)討論隨機冷卻，這是一種製備反質子儲存的技術(反質子可以與質子湮滅，是用來研究弱相互作用的載體)。
然而，1978年2月，陶舍克的健康狀況開始迅速惡化。在多次住院治療後，他向歐洲核子研究中心當時的總幹事Léon Van Hove要了一輛車，將他送去奧地利的因斯布魯克。那裡是他的出生地，也是他一生摯愛的地方。1978年5月25日逝世的陶舍克沒能親眼目睹粒子物理學在隨後幾十年的復興——W玻色子和Z玻色子、頂夸克和希格斯玻色子的實驗發現。
但是，陶舍克作爲一位有遠見的科學家，儘管面臨種種困難，仍表現出智慧、毅力和堅持不懈的精神，他的遺產將永垂不朽。
《物理》50年精選文章