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2020年11月21日

占飛 忽然文化

物理巨星小柴昌俊隕落

當你見到天上星星,除了想起哥哥張國榮,其實更應該想起一個人──2002年諾貝爾物理學獎得主小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)。他是典型大器晚成的人才,兒時患有小兒麻痹症,憑後天努力和持續學習的精神,立足於物理學界,退休前無心插柳,觀測到宇宙的中微子(Neutrino),證明了星星是如何爆炸,開拓了天文學新境界。11月12日,小柴昌俊與世長辭,享年94歲,巨星隕落。

1926年9月19日,小柴昌俊出生於愛知縣豐橋市,父親是軍人,但他小時候的志願是當音樂家,可惜患上小兒麻痹症,導致右手殘障,不得不向現實低頭。

住院期間,他迷上愛因斯坦的書籍,對物理產生濃厚的興趣,毅然踏上這條「不歸路」,哪怕高中時一度被老師看不起(詳見另文),仍能急起直追,成為東京大學的教授,逝世前為東京大學特別榮譽教授。

人生最幸運事情

「人生最幸運的事情,就發生在我退休前一個月。」小柴生前的一句話,濃縮了開心大發現的整個過程,也突顯其謙遜老實的性格。要了解他為何獲得諾貝爾獎,一切要由「蘇聯氫彈之父」薩哈羅夫(Andrei Sakharov)在1967年的構想──「質子(Proton)會衰變?」開始。

上世紀七十年代,物理學界把大自然的4種基本作用力「萬有引力、電磁力、弱核力、強核力」,統稱為「大統一理論」,核心主旨正是質子衰變。各國研究人員通過實驗來探測質子衰變時發出的粒子,即使「半衰期」比宇宙的年齡還要長,但只要持續觀察足夠數量的質子,便可探測到衰變的發生。

當時,小柴負責探測質子衰變訊號,並將實驗室設於神岡町(Kamioka)的地下大型礦井,藉此排除大氣中眾多粒子的污染。按照原定計劃,探測器是一個「核子衰變實驗」,名為Kamiokande,下稱神岡探測器。

探測器不斷升呢

神岡探測器於1982年建造,至1983年4月竣工,重點是當時全球最大型的光電倍增管(Photomultiplier)直徑僅12.5厘米,小柴為了超越美國的競爭對手IMB探測器,親自出馬,說服製作公司把直徑擴大到50厘米,更以成本價出售,踏出了成功的一小步。

1985年,神岡1.0完成歷史任務,並升呢為神岡2.0,但直至1987年2月,兩代探測器也毫無發現,探測不到質子衰變訊號。

做研究,無人可預計到成果何時出現,但往往是有心栽花花不發,無心插柳柳成蔭。同月的24日,多倫多大學天文系研究生舒爾頓(Ian Shelton)有驚人發現,400年來距離地球最近的超新星誕生,後被命名為SN 1987A。

它是肉眼可見的超新星,距離地球僅17萬光年,時至今日,仍未有其他超新星比它更接近地球。

榮休前一舉成名

就在舒爾頓觀察到超新星的光芒前22小時,地球上3個探測器──日本的神岡2.0、美國的IMB與蘇聯的Baksan──分別探測到由它發出的微中子反物質。其中,Baksan的數據結果被揭發疑似「做馬」,故剩下日美之爭。神岡2.0在超新星被目測之前已經率先探測到中微子,經過半個月反覆分析和核實後,小柴對外公布了結果,終在榮休前20日,一舉成名天下知。

這個重大發現標誌着人類首次探測到銀河系以外的中微子,當時的天文學家繼續觀察SN 1987A的動向,發現爆炸前的質量約為20個太陽,將此結合探測器數據,大致上可說明大恒星化身為超新星的過程中,確實會釋放大量中微子……簡單而言,這一套理論說明了超新星是如何誕生的。

一個星體在17萬年前發出的中微子,造就小柴獲得諾貝爾獎,也使神岡獲得「不死身」,不斷升級再進化。1988年,神岡2.0觀察到太陽的中微子,兩年後升格為3.0。1995年,神岡3.0進化為超級神岡(Super-Kamiokande),當中有2000個光電倍增管是從IMB探測器上拆下來,明剃勁敵眼眉。

翌年,超級神岡發現大氣中微子振盪現象,轟動整個物理學界,同時仍在進一步研究質子衰變,顯見日本人毋忘初心,期待有朝一日實現小柴未圓的夢。超級神岡暫時預測質子衰變的壽命為10的34次方年,即100億億億億年,若再無新發現,將於2027年擴大搜集資料的規模,實行背水一戰,作出「終極審判」。

小柴由美國返日本後,與京都加藤(Kyoto Kato)結婚。他離開東京大學後,轉到日本東海大學任教至1997年,2002年獲得諾貝爾獎,翌年把4000萬日圓獎金成立慈善機構,培養新一代物理天才。「他代表了日本學研人員的優良傳統,高瞻遠矚,毋懼激烈的競爭。」這是夏威夷大學中微子專家李安拿(John Learned)給長期合作夥伴小柴的評價。

撰文 : 占飛

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