一个人的职业改行有时是由于某个重大因素造成的,然而在很多情况下他的职业取向却是由一系列小原因积累起来,最后由量变导致质的飞跃而偏离原来的轨迹,甚至大相径庭。
经常性的接触 Uranium 核材料便是导致咱转离粒子物理与核物理的专业的一个重要因素,而且是由于一个偶然的经历的猛然觉醒形成的。
咱起初进 MIT 学的是实验高能粒子物理专业,隶属 MIT 物理系的原子核科学实验室 (Laboratory for Nuclear Science – LNS). 咱办公室的左邻右舍有多位参与原曼哈顿工程的物理学家。他们个个平易近人,和蔼可亲,但没有一个认为当年将原子弹投放到日本广岛与长崎而迅速结束第二次世界大战的决定是错误的,Manhattan Project 理论组的 Viki Weisskopf 每年在 MIT 久负盛名的 Independent Activity Program (IAP) 的讲座上必将明确阐明这一点。不过这都是非正题的话。
咱们组的学生的 PhD 论文研究都是在世界各地的大实验室进行的。咱的去处是座落在瑞士日内瓦的欧洲核子中心 CERN。有段时间咱的主要工作是设计与测试高精度的多丝探测器。测试环境要求很高。探测器必须安放在一个封闭的有机玻璃箱里(就像通常见到的大鱼缸似的),用氮气保持箱里的空气干燥,否则不锈钢封装的探测器外端的每根细丝连接的几万伏电压会很轻易地在平时(潮湿)的空气里短路而烧毁(就像暴雨天闪电那样)。然而,更关键的是,在不锈钢封装的精密探测器的上面必须加上几块 Uranium 238 板,用以屏蔽大气中的宇宙射线。咱在别处曾提到过在地球表面上有大量(由于相对论时间 Dilation 效应)的宇宙射线。这些宇宙射线能够轻易地被咱测试的探测器记录到,从而污染测试结果。于是测试设置便是先在有机玻璃箱里垫上 Uranium plates, 然后放入探测器,然后再在探测器上放上 Uranium plates, 最后封闭玻璃箱,通入氮气对箱内进行干燥。然后便是接上高电压进行测试。整个过程中,咱得戴上橡胶手套,一则避免手上的汗与油渍污染探测器导致电路短路,烧毁探测器里的金属丝而一切重来,再则就是搬运、放置 Uranium plates 的时候会在手上留下 Uranium 粉粒(尽管人的肉眼是看不见的)。而且现在回想起来有点后怕 — 当时并没有戴口罩!
某日中午,一同学来实验室(离咱们办公楼不远)邀我一起去吃中饭。我说行,洗洗手就走。于是咱打开实验室里的水龙头,擦了肥皂后冲洗了手。擦干后,将双手放入盖革探测器 (Geiger Detector) 看看手上的 Uranium particles 是否都洗掉了。好家伙,不测不要紧,一测吓一跳。当时盖革探测器里就像你将一包 Popcorn 放进微波炉里高温烤2分钟的时候的反应,噼噼啪啪地炸响个不停。本以为清洗干净的手原来还是核污染得厉害极了,于是赶紧重新用肥皂拼命地擦洗、擦干、在 Geiger 探测器里检测,反反复复地重复几遍,直到后来只听到断断续续的噼啪声(就像微波炉里的 Popcorn 烤了2分20秒以后的频率)才放心地与同学一起去 CERN 的 Cafeteria 吃中饭。在那段实验的时间里咱从来没有带过口罩,现在回想起来有点后怕。为什么呢?尽管咱用的天然 Uranium plates里99% 是 U238, 但是其中仍然含有微量的半衰期为7.13 亿年的U235 (造原子弹的那种)。而且,U238 能吸收一个中子变成 U239,然后 beta 衰变成 Plutonium-239 (造原子弹的另一个裂变元素),由于这些额外的步骤使得 U239 的半衰期明显地增长至 45.1 亿年。Uranium,不管是 U235 还是 U238,都会进行自然衰变,释放出 alpha 粒子,即2个质子和2个中子,与氦原子核组成一样。Alpha 粒子穿透性很弱,不会侵入人的皮肤,所以拼命用肥皂洗手时可以洗掉。但是咱当时没有意识到,alpha 粒子可以通过呼吸道进入人体!Holy sh!t, 咱当时测试探测器的那段时间里从来没有带过口罩,也没有把脑袋伸进盖革探测器里张嘴伸舌测量口里喉咙里有没有吸入放射性的 alpha 粒子嘢。但愿也应该没事吧。那次证实到咱洗干净的手仍然被高度核污染的经历便是后来咱改行的一个原因。
咱改行的与高能物理紧密相关的另一个原因是世界大高能粒子物理实验中心都是极强的电磁场环境。强磁场造成的健康后果是无法轻易纠正的。这在咱在国内读本科时做测量重水里氢原子核里的中子核磁矩实验时就已经注意到的现象(高材生嘛,知道的物理原理与细节还是不少的)。一旦你的脑壳里的中子核磁矩取向被强磁场给变向了,那麻烦可就大了,不像带电的质子,脑瓜子搞砸了可以相对容易地用强电场纠正回去,中子不带电,强电场帮不上忙的。至于核磁矩的概念与后果,那是另一个话题了。
现代高能物理要求的精度所需要的电磁场的强度之高及其环境对人体健康的长远效应短期内是很难体现和评估出来的。当然,the good news is that 你也会享受你身体的一部分永垂不朽的特殊待遇,对不?
现在高能粒子物理实验要求达到什么精度了呢?咱给大家讲个真实故事。上世纪80、90年代,在 CERN 的对撞机运行时,物理学家与工程师们发现,对撞机的正负粒子(管它是正反质子还是正负电子对撞机实验)的对撞效率都呈现出正弦波状起伏。这个现象令大家一头雾水,不知何由。最后经过多方周密研究大家伙才恍然大悟,原来是月球对地球的潮汐现象造成的。好家伙,地球人对月球引起的海洋的潮起潮落的潮汐现象司空见惯,谁知道月球竟会把法国与瑞士的阿尔卑斯山也吸引排斥得一愣一愣的呢?只有高精度的高能粒子物理实验中心才能观测到这种微妙效应。于是乎,CERN对对撞机加速器的电磁场进行正弦波同步微调,tango with the moon,顿时对撞效率回到了理论预测的完美境界。