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诺奖得主小柴昌俊走了,这里是他与物理相遇的故事

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发表于 2020-11-14 21:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
诺奖得主小柴昌俊走了,这里是他与物理相遇的故事

日本物理学家小柴昌俊于2020年11月12日去世,享年94岁。小柴昌俊是中微子天文学的开创者之一,2002年他因“对天体物理学的开拓性贡献,特别是宇宙中微子探测方面”获得诺贝尔物理学奖。

小柴昌俊于1926年9月19日出生于日本丰桥市,1951年毕业于东京大学。随后,他移居美国,1955年在罗切斯特大学获得博士学位。在芝加哥大学工作了三年之后搬回东京,此后一直任教于东京大学。上世纪80年代,小柴昌俊领导团队利用日本地下1000米的废弃矿井建设了大型中微子探测器神冈(Kamiokande)——一个巨大圆柱形盛满纯水的容器,内壁装有光电倍增管以探测中微子与水中原子的相互作用,但探测器最初的主要目标是探测质子衰变。小柴昌俊在建设探测器方面做出了重要贡献。1987年,小柴昌俊团队通过神冈探测器发现了超新星中微子,证实了超新星爆发理论,由此开启了中微子天文学。90年代神冈探测器升级后被称为超级神冈,1998年首次发现了中微子振荡的证据,显示中微子具有质量。这项大科学装置至今仍在升级,是研究中微子最重要的工具之一。

小柴昌俊本人是一位颇具传奇色彩的物理学家。他曾写过一本自传《我不是好学生》讲述他“差生”时代的往事,他以倒数第一的成绩从东京大学毕业,但他从实验到完成博士论文仅用1年8个月。观测到超新星爆炸本是一次及其幸运的事,而这正是他退休前20天,并发现了宇宙中微子。因此有人认为他是最幸运的物理学家。小柴昌俊留下了宝贵的遗产,他的科学精神将永远激励每一位学生。

小柴昌俊:我与物理的相遇

撰文 | 小柴昌俊


小柴昌俊(Koshiba Masatoshi)

旧制中学的岁月

在读小学的时候,我是一个极其普通的孩子,而且当时特别贪玩。仅仅因为父亲是一名军人,我在上初中一年级时就确立了考取陆军幼年学校、投身军旅的人生目标。然而,天有不测风云,在读中学一年级那年的 10 月底,我突然患上了小儿麻痹症。由于无法正常行走,双手也不听使唤,我最终只好放弃了陆军幼年学校的求学之路。

我上中学时的班主任是数学老师金子英夫,我特别喜欢他。如今金子老师已经离世多年,我却永远不会忘记他,正是他为我开启了物理学习的大门。在我住院近半年后,金子老师送给我一套当时刚刚出版的《物理学的进化》(The Evolution of Physics)。该书由爱因斯坦和英费尔德编写,分为上、下两册。

尽管这两位物理学家撰写该书的宗旨是为了让普罗大众也能理解深奥的物理学知识,但由于内容不仅囊括狭义相对论,还涉及了广义相对论,因此非常晦涩难懂。作为一名初中一年级的学生,虽然我当时还无法完全理解书中的内容,但这套书却给我留下了非常深刻的印象,让我不禁感慨,原来世上还有一门这样的学问。

总体而言,我在中学时期比较喜欢学习数学。中考时我没能考上心仪的旧制第一高等学校 ,又复习了一年后才终于在第二次世界大战结束的半年前挤进了旧制一高的宿舍。

旧制第一高等学校的岁月

进入旧制一高后,我经历了几年战后饥荒。当时比起去学校上课,打工赚钱成了我生活的主旋律。为了母亲和弟弟们,我和姐姐不得不去打工挣取生活费。

当时我的班主任是研究理论物理的金泽秀夫老师(已经离世十多年),他对我也是备加照顾。金泽老师教授一门物理课程,还有一位老师教授另外一门物理课程,这位老师同时也负责组织力学的专题研讨会等。每当力学的专题研讨会轮到我站在黑板前发言的时候,我总会以“我得了小儿麻痹,胳膊抬不起来”为借口逃课,所以这位老师给了我一个不及格的分数。幸亏金泽老师给我的分数很高,这样两门课平均下来我才终于及格。

当时我担任宿舍副委员长一职,比起学习,我把更多的精力投入到了打工赚钱和宿舍自治会的工作之中,这导致我入学时还不算差的学习成绩不断下滑。我记得到了临近毕业的时候,在大约 190 名同学中,我的成绩大概正好处于中间的位置。

在我担任宿舍副委员长的时期,当时的校长是哲学家天野贞祐老师,他很疼爱我,总是对我很关心。

在临近高考前的某一天,我到宿舍的浴室洗澡。由于天气寒冷,澡堂内热气腾腾,根本看不清身边的人。我刚走进去就听到水汽对面的人在说:“对了,小柴到底打算报考哪个专业啊?”我听出这是宿舍委员长的声音。那位给我不及格分数的物理教授这样回答道:“嗯……小柴那么热衷于宿舍的工作是学不了物理的。虽然我不清楚他会选择印度哲学、德国文学还是其他专业,但可以肯定他不会选择物理。”

听到他们的对话,我顿时心生不甘,于是在此后的一个月内我开始加倍努力学习。当时要想报考物理专业,成绩必须保持在年级前 10%。经过一番刻苦努力,我终于达到了标准。

大学时代



进入大学后,家庭负担过重导致我的大学生活几乎全被打工赚钱占据了,每周我只去上一天半左右的课。

听起来这貌似是一个正当的理由,为我大学时期糟糕的成绩找到了合理的借口。即使到了临近毕业的时候,我依然没有明确的人生规划,不知道自己以后要从事哪方面的工作。虽然我自认为数学是中学时期比较擅长的科目,但我深知从事数学研究需要特殊的天赋和才能,所以姑且选择了物理理论的研究之路。由于当时很难找到工作,所以我向山内恭彦老师提出请求,希望他的研究室可以收留我。

那时,成绩优秀的同学都享有特殊待遇,有的获得了奖学金,有的担任助教获得相应的薪酬。对于成绩不佳的我而言,这些都是奢望。

有一天,我在走廊里遇到了山内老师,他问我:“小柴,你来研究生院读书的学费有着落了吗?”

“还没呢,我想一边学习一边打工。”

那你想要奖学金吗?”

“当然了老师,如果能的话我当然想要。”

这就是我们当时对话的全部内容。

等到下一周我们又在走廊相遇的时候,山内老师这样说道:“小柴,你可真是让我丢面子呀。”

“怎么了?”我不解地问道。

他回答说:“我不了解你的学习成绩就开口为你申请奖学金,大家都笑话我呢。”

结果自然不言而喻,我只能继续打工赚钱了。当时我还认识了一位正在从事透镜相关理论研究的老师,他给我介绍了打工的工作岗位,并鼓励我说:“小柴君,要想留在大学继续搞研究,没有一定财力是不行的,这是自古以来的惯例。你自己赚钱能坚持多久呢?请证明给我们看吧。”

在读大学一年级的时候,我无论如何都得想办法弄到一点钱,所以申请了当时的“汤川奖学金”。这是为了纪念汤川秀树先生获得诺贝尔奖而设立的,每月奖励 4000 日元,一年就可以获得48 000 日元。要想获得这项奖学金就必须通过论文审查,于是我撰写了一篇题为《μ 粒子的核相互作用》的论文,并拜托一位学长帮我严格把关。然而,这篇花费了我一周的时间、经过各种计算写成的论文,在拿给学长过目时,他随便一瞥就能指出错误,并多次退回了我的论文。虽然我最终拿到了这笔奖学金,但在当时我并没有感觉到自己适合从事物理方面的研究工作。

研究生时代

我稀里糊涂地上完了大学,总算进入了研究生院,但在物理研究方面却没打下什么基础。当时,南部阳一郎 (日本著名物理学家,2008年获得诺贝尔物理学奖)老师在大阪市立大学设立了新的理论物理研究室,于是我慕名前往南部老师门下“修炼武艺”,在那里参加了长达 3 个月的研讨会。这期间我一直住在研究室里,铺着被褥的长桌便是我的床。在 1997 年我被授予文化勋章的时候,南部老师不知怎么想起了我当年执着的样子,于是赠予我一幅画。我把这幅画放在了本章首页,画里一只黑猩猩说道:“我也曾经梦想成为一名物理学家。”

我刚进入研究生院,藤本阳一(早稻田大学名誉教授)学长就向我发出了邀请,问我是否愿意与他一起从事关于核乳胶的实验。在此前不久,英国物理学家鲍威尔研发出了灵敏度极高的照相乳胶,当时搭载这种照相乳胶的探测器被誉为最先进的基本粒子探测器,它可以记录电子的径迹。我痛快地答应了藤本学长的邀请,开启了我读研阶段的第一项实验。山内老师为了鼓励我们投身实验,专门下拨了 50 000 日元的研究经费。这笔钱在当时已经算是巨款了,时至今日我仍对山内老师的慷慨感激不尽。

我和藤本学长两个人勉勉强强地启动了利用核乳胶研究宇宙线的实验。不过,我们很快就意识到了去该项技术的发源地进行深造的必要性。于是,藤本学长远赴英国,前往鲍威尔教授所在的布里斯托尔大学深造,当时该校被誉为研究核乳胶的圣地。我也有所行动,打算去美国的罗切斯特大学留学。该大学位于纽约州北部、安大略湖附近,它在当时的美国绝对算不上是物理专业一流的高校。

不过,罗切斯特大学的物理系主任马尔沙克是一名非常有作为的理论物理学家。为了召集优秀的学生,他向印度等多个国家发出了招募留学生的邀请,也请汤川老师向其推荐优秀的日本学生,并表示愿意为留学生提供生活费和交通补助,日方只要选拔出前往美国留学的学生就行了。

与朝永振一郎先生的相识


朝永振一郎

当时我早已熟识了朝永振一郎(日本著名物理学家,1965 年与施温格、费曼共同获得诺贝尔物理学奖) 先生。我可不是因为物理才接触到他的。我在旧制一高担任宿舍副委员长的时候,天野贞祐校长对我格外照顾,而他当年正是为了追随朝永振一郎先生的父亲朝永三十郎先生,才选择了京都大学的哲学系。另外,朝永三十郎先生是天野先生的媒人,而天野先生又做了朝永振一郎先生的媒人。后来,朝永振一郎先生也为我做媒,而我又成为其长女的媒人。经过如此一番相互的牵线搭桥之后,我们的关系就变得非常密切了。

在我刚迈入物理领域的大门时,天野先生曾问过我:“小柴,你学的是什么专业啊?”

我回答说:“我主修物理。”于是天野先生对我说:“我有个熟人,虽然不知道他的专业水平如何,但这个人正在从事物理研究工作,我介绍你们认识一下吧!”说完就马上为我写了一封介绍信。于是进入大学后不久,我就带着那封介绍信去拜访朝永先生了,当时朝永先生住在位于大久保的光学研究所内的地下防空洞里。

因此在申请前往罗切斯特大学留学的时候,我曾请朝永先生为我写一封推荐信。他在听取了我的想法后直接对我说:“你把想让我写的内容用英文写好后带过来吧。”由于推荐信必须附上大学时期的成绩单,这才让我第一次有机会在理学院的办公室里看到自己过去的成绩。对于我来说,把表示成绩等级的“优”(优秀)、“良”(良好)和“可”(合格)转换成英语是一件非常棘手的事,因为我的成绩无论怎么看都不是那么好。我实在没有办法,只能硬着头皮将推荐信翻译成还算看得过去的英文,希望能让看到这封推荐信的人感觉到,虽然这个男生的成绩不怎么好,但也不至于那么愚蠢。

于是,我带着写好的英文推荐信去找朝永先生,他看过之后笑着对我说:“好,我给你签字。”就这样,1953 年前往罗切斯特留学的名额就落在了我的头上。

如果我说自己的大学毕业成绩排倒数第一,一定没人相信成绩如此糟糕的我还能当大学教授吧?那我就在此给大家展示一下我的成绩单(图 1-1),真是有些难为情呢。




我想以自己为例来鼓励年轻人,只要认真地做某一件事,即使在校成绩不佳,最终也能取得一定程度的成功。我们在上大学期间学习的知识大部分都需要理解和认知,可以说这是一种被动接受知识的学习。大学毕业后,当我们进入研究生院或者步入现实社会时,自己提出问题并独自寻求解决办法的主动学习则成为主流,这也是人类的一种区别于被动认知的能力。也就是说,学校的成绩并不能左右人的一生。在 2002 年 3 月东京大学的毕业典礼上,我也对理工科的毕业生说过同样的话。

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