王淦昌先生是我國(guó)核物理、宇宙線和粒子物理研究的開拓者，也是核武器研制的功勛科學(xué)家。他的成長(zhǎng)經(jīng)歷和科學(xué)生涯與中國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展、壯大密切相關(guān)。本文基于已有研究，梳理王淦昌先生的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，特別根據(jù)近年獲取的新史料，重點(diǎn)介紹王淦昌先生在聯(lián)合核子研究所工作期間發(fā)現(xiàn)反西格瑪負(fù)超子的過(guò)程和影響。謹(jǐn)以此文慶祝中國(guó)第一顆原子彈成功爆炸60周年。
從清華園到柏林大學(xué)
1907 年5 月28 日，王淦昌出生在江蘇常熟的楓塘灣。他自幼聰慧，喜愛(ài)讀書。盡管父母分別在他4 歲和13 歲時(shí)病逝，但并未影響王淦昌接受更多教育的機(jī)會(huì)。在太倉(cāng)完成小學(xué)教育后，王淦昌又到上海浦東中學(xué)讀書。四年中學(xué)畢業(yè)后，他先后在英文專修學(xué)校和汽車學(xué)校學(xué)習(xí)，于1925 年考取剛剛設(shè)立大學(xué)部的清華學(xué)校（后改稱清華大學(xué)）。
進(jìn)入大學(xué)伊始，王淦昌對(duì)化學(xué)興趣濃厚。在葉企孫的關(guān)懷和鼓勵(lì)下，同時(shí)被他所講授的普通物理課程吸引，王淦昌在一年后分科時(shí)選擇了物理系。1928 年8 月，吳有訓(xùn)調(diào)入清華大學(xué)。他講授的近代物理課程內(nèi)容精煉且很具有啟發(fā)性，系統(tǒng)介紹國(guó)際物理學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)，包括密立根油滴實(shí)驗(yàn)、盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)等。1929 年夏，王淦昌本科畢業(yè)后留校擔(dān)任吳有訓(xùn)助手，并在其指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)，測(cè)量清華園周圍氡氣的強(qiáng)度及變化，最終以《論大氣放射性與北平天氣》為題發(fā)表了學(xué)術(shù)論文。葉企孫、吳有訓(xùn)等老師對(duì)王淦昌的物理學(xué)知識(shí)啟蒙和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，為他后來(lái)的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。
1930 年夏，王淦昌考取江蘇省官費(fèi)留學(xué)研究生，赴德國(guó)柏林大學(xué)威廉皇家化學(xué)研究所在國(guó)際知名女物理學(xué)家邁特納指導(dǎo)下做研究。事實(shí)上，王淦昌開始希望跟隨蓋格學(xué)習(xí)，由于蓋格學(xué)生太多轉(zhuǎn)而跟隨邁特納[1]。邁特納1878 年出生于奧地利，1906 年獲得維也納大學(xué)博士學(xué)位后第二年抵達(dá)柏林并與哈恩進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)近三十年有關(guān)放射性的研究。邁特納是發(fā)現(xiàn)鏷（1917年）和核裂變（1938 年）的主要貢獻(xiàn)者之一，被愛(ài)因斯坦譽(yù)為“德國(guó)的居里夫人”。
初到柏林時(shí)，王淦昌了解到德國(guó)帝國(guó)技術(shù)物理研究所W. Bothe 和H. Becker 用釙（Po）產(chǎn)生的α粒子轟擊鈹（Be）、硼（B）、氟（F）和鋰（Li）原子時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生穿透力很強(qiáng)的輻射，并對(duì)他們將這種輻射解釋為γ輻射有所懷疑。因此，王淦昌請(qǐng)求導(dǎo)師邁特納同意他用云室來(lái)重復(fù)該實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這種強(qiáng)貫穿輻射的本質(zhì)。可惜這一提議并沒(méi)有得到邁特納支持。1932 年，查德威克采用不同的探測(cè)器開展了類似實(shí)驗(yàn)，最終確定這種貫穿輻射是中性粒子流（即中子），并憑借這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得1935 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
王淦昌在德國(guó)留學(xué)期間（1930~1934 年）正值現(xiàn)代物理學(xué)、特別是核物理的“黃金時(shí)代”，理論（如正電子、中微子、β衰變理論）和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（如中子、人工放射性）接踵而至。身處科學(xué)研究的最前沿并且有機(jī)會(huì)同創(chuàng)造這些新發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)家一起工作，更加激發(fā)了王淦昌對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的興趣和動(dòng)力。他對(duì)當(dāng)時(shí)現(xiàn)代物理學(xué)上的熱點(diǎn)問(wèn)題——β射線譜做了深入研究。1933 年底，王淦昌順利完成博士論文《ThB+C+C''的β譜》并通過(guò)答辯。
從山東大學(xué)到浙江大學(xué)——作為理論“搭橋”的工作
博士畢業(yè)以后，王淦昌即決定回國(guó)為正遭受苦難的祖國(guó)服務(wù)。他首先接受山東大學(xué)的聘任擔(dān)任物理系教授。當(dāng)時(shí)在山大任教的還有任之恭、郭貽誠(chéng)、王恒守等教授。王淦昌負(fù)責(zé)教授近代物理學(xué)，也帶領(lǐng)學(xué)生和技工自制必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。他效仿自己當(dāng)年在清華大學(xué)求學(xué)時(shí)的老師葉企孫和吳有訓(xùn)，著重訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)物理的本領(lǐng)和技巧，還教導(dǎo)他們對(duì)物理理論的理解要基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)。此外，王淦昌還受邀參加山東大學(xué)物理系舉辦的學(xué)術(shù)討論會(huì)和學(xué)校的“總理紀(jì)念周”，報(bào)告涉及“高電壓之新發(fā)展”“重氫與重水”“感應(yīng)放射”“防空雜談”“最少量物體之測(cè)量”等題目。
1936 年，王淦昌辭去山東大學(xué)教職到浙江大學(xué)任教。他一邊教學(xué)，一邊研讀國(guó)際物理學(xué)期刊上關(guān)于核物理和粒子物理的論文，自制云霧室，準(zhǔn)備開展宇宙線研究。1937 年5 月，王淦昌還參與接待玻爾的來(lái)訪。也是在這一年，抗日戰(zhàn)爭(zhēng)全面爆發(fā)，浙江大學(xué)被迫西遷。浙大師生一路顛沛流離，一年內(nèi)輾轉(zhuǎn)跋涉從杭州經(jīng)過(guò)建德、江西吉安、泰和，暫時(shí)落腳到廣西宜山。王淦昌繼續(xù)開設(shè)近代物理課，同時(shí)考慮到處于戰(zhàn)爭(zhēng)年代，學(xué)生畢業(yè)后可能參加國(guó)防建設(shè)，王淦昌又開了軍用物理課，講授槍炮設(shè)計(jì)原理、彈道及其動(dòng)力學(xué)原理等內(nèi)容。盡管在宜山也遭受頻繁的空襲，但浙大物理系逐漸恢復(fù)了學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，定期舉辦學(xué)術(shù)討論。1939 年7 月，王淦昌注意到期刊上關(guān)于核裂變現(xiàn)象的簡(jiǎn)短報(bào)道，他非常興奮地向大家做了介紹。由于社會(huì)環(huán)境動(dòng)蕩，當(dāng)時(shí)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊寄到宜山通常需要半年時(shí)間，而且是幾包期刊一起寄來(lái)。
1940 年初，浙江大學(xué)遷至貴州。這里沒(méi)有空襲，終于有了一個(gè)安定的教學(xué)和研究環(huán)境。但前幾年遷校路途勞累、缺乏營(yíng)養(yǎng)且生活不安定，王淦昌到達(dá)遵義后肺結(jié)核病加重。為了養(yǎng)病，他減少教學(xué)任務(wù)，因此有時(shí)間仔細(xì)研讀國(guó)際物理學(xué)期刊的論文。盡管如此，物資匱乏、實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺,王淦昌此時(shí)完全沒(méi)有條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。他就歸納、分析和判斷期刊上發(fā)表的國(guó)外物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)和結(jié)論。他認(rèn)為這類工作既能為理論研究搭橋，也能推動(dòng)實(shí)驗(yàn)前進(jìn)。為此，王淦昌特別深入地調(diào)研了他早在德國(guó)留學(xué)時(shí)就一直關(guān)心的β射線的衰變理論和驗(yàn)證中微子是否存在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。由于中微子不帶電，與物質(zhì)的作用極其微弱，因此在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下很難被觀測(cè)到。但是，自1930 年至1941年，關(guān)于中微子的理論和實(shí)驗(yàn)研究卻非常活躍。王淦昌注意到1938~1939 年密歇根大學(xué)克蘭和哈爾彭的核反沖效應(yīng)研究。這是一個(gè)末態(tài)三體過(guò)程（Cl38 →Ar38 + e+ + ν），他們測(cè)量了正電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)和原子核在云霧室中的射程，推斷存在第三個(gè)粒子（可能是中微子）。這類實(shí)驗(yàn)支持中微子存在假說(shuō)，但并未確切證實(shí)中微子一定存在。
王淦昌在分析了克蘭和哈爾彭的實(shí)驗(yàn)方法后，認(rèn)為他們實(shí)驗(yàn)中反沖元素的電離效應(yīng)太小，很難測(cè)量，需要用不同的方法檢驗(yàn)中微子存在。于是，他巧妙地提出K電子俘獲方法，β衰變的末態(tài)三體就可以轉(zhuǎn)變?yōu)槎w，即其關(guān)鍵之點(diǎn)就在于把普通β衰變的末態(tài)的三體問(wèn)題變?yōu)榉@中的二體（ A + e → B + ν ）。這就使得元素B的反沖能量是單能的，而測(cè)量B的反沖能量就能測(cè)量中微子質(zhì)量。1941 年10 月13日，美國(guó)《物理學(xué)評(píng)論》收到了王淦昌寄來(lái)的題為《關(guān)于探測(cè)中微子的一個(gè)建議》短文并于1942 年1 月發(fā)表。此后，王淦昌持續(xù)思考中微子驗(yàn)證問(wèn)題，他于1947 年在《物理學(xué)評(píng)論》上發(fā)表了“建議探測(cè)中微子的幾個(gè)方法”，進(jìn)一步拓展了K俘獲實(shí)驗(yàn)想法。這一時(shí)期，盡管物質(zhì)條件極為艱苦，王淦昌除在中微子探測(cè)方法的重要貢獻(xiàn)外，在宇宙線探測(cè)、中子性質(zhì)等其他方面也有較高水平的研究成果。關(guān)于這方面容，感興趣的讀者請(qǐng)參見(jiàn)姚立澄先生的研究。
1942 年至1952 年，有多組實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家按照王淦昌的建議探測(cè)中微子。特別是在1952 年，樓德拜克和阿侖的A37的K電子俘獲實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)單能反沖核，成功地實(shí)現(xiàn)了王淦昌的建議。緊接著，戴維斯的Be7K電子俘獲實(shí)驗(yàn)也測(cè)得了單能反沖核。李炳安和楊振寧后來(lái)在一篇專門介紹王淦昌與中微子發(fā)現(xiàn)的文章中稱“這是一篇極有創(chuàng)建性的文章。” 1956 年，萊因斯和考恩利用反應(yīng)堆的質(zhì)子反β衰變直接探測(cè)到中微子。此后，中微子物理得到迅速發(fā)展，包括布魯克海文實(shí)驗(yàn)室于1962 年發(fā)現(xiàn)存在兩種中微子、中微子振蕩的理論提出和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，探測(cè)太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)和大氣中微子實(shí)驗(yàn)，等等。目前，對(duì)中微子性質(zhì)的精確研究仍是粒子物理和宇宙學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
待身體好轉(zhuǎn)后，王淦昌便承擔(dān)了大量的教學(xué)任務(wù)，他講授電磁學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)課程，還順應(yīng)物理學(xué)發(fā)展開設(shè)原子核物理課程，甚至還開設(shè)了物理化學(xué)課程。1944 年，著名科技史家李約瑟夫婦到訪湄潭參加中國(guó)物理學(xué)會(huì)和中國(guó)科學(xué)社聯(lián)合舉行的年會(huì)。他驚嘆于在如此戰(zhàn)爭(zhēng)艱苦環(huán)境下還能有那么多的研究成果，稱贊浙江大學(xué)的學(xué)術(shù)環(huán)境可以和英國(guó)的牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)媲美。
1947 年9 月至1949 年1 月，王淦昌曾到美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校訪問(wèn)。期間，他與合作者瓊斯在布羅德等人幫助下制成了云霧室，研究宇宙線的介子衰變。在他回國(guó)時(shí)，布羅德教授還特意送他一個(gè)云霧室。1949 年，王淦昌因“對(duì)宇宙線之研究及發(fā)見(jiàn)微中子的方法貢獻(xiàn)極大”而獲得第二屆范旭東先生紀(jì)念獎(jiǎng)金。此次獎(jiǎng)金為永利出品的硫磺銨二十噸，約值美金二千余元。對(duì)于這項(xiàng)工作，王淦昌后來(lái)這樣講到：“我想出來(lái)的實(shí)驗(yàn)，由外國(guó)人做出來(lái)，而不是在中國(guó)由我們自己做出來(lái)，這是很可惜的，也是一件十分遺憾的事情?！?/p>
圖1 王淦昌獲得范旭東先生紀(jì)念獎(jiǎng)金照片
從中國(guó)科學(xué)院到聯(lián)合核子研究所——摘得粒子物理的一個(gè)“皇冠”
全國(guó)解放以后，黨中央和國(guó)家政府重視原子核的科學(xué)研究與應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院成立之初，在接收和調(diào)整已有科研機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，逐漸有計(jì)劃、有組織地發(fā)展有利于服務(wù)國(guó)家建設(shè)的學(xué)科方向。為此，決定在北平研究院原子學(xué)研究所和“中央研究院”物理研究所的原子核物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上于1950 年5月19日成立以原子核研究為主的中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，由吳有訓(xùn)和錢三強(qiáng)分別擔(dān)任所長(zhǎng)和副所長(zhǎng)（一年后錢三強(qiáng)繼任所長(zhǎng)，該研究所在1953年和1958年先后更名為物理研究所和原子能研究所）。
中國(guó)科學(xué)院集中力量于近代物理研究所的籌建，積極延攬人才、添置研究設(shè)備，選定研究方向并有計(jì)劃地培養(yǎng)青年人才。在集聚人才方面，除吸收原機(jī)構(gòu)已有人員外，還爭(zhēng)取高校的科學(xué)家、技術(shù)人員并選拔優(yōu)秀畢業(yè)生來(lái)所工作。例如，在近代物理研究所成立前，即在1950 年1 月17 日召開的中國(guó)科學(xué)院臨時(shí)聘任委員會(huì)首次會(huì)議上為原子學(xué)研究所聘任彭桓武等。1950 年4 月，王淦昌應(yīng)錢三強(qiáng)邀請(qǐng)從浙江大學(xué)到北京，擔(dān)任近代物理研究所研究員。到1950 年底，近代物理研究所共有30 余位成員，其中6 位研究員，為吳有訓(xùn)、錢三強(qiáng)、趙忠堯、王淦昌、彭桓武和何澤慧，王淦昌的薪金是1200斤小米。
近代物理研究所成立初期根據(jù)已有的人才基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)驗(yàn)原子核物理、宇宙線、理論物理和放射化學(xué)四個(gè)研究方向。其中王淦昌負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)宇宙線研究。他將從美國(guó)帶回的直徑30 厘米的云霧室從浙江大學(xué)帶到北京，成為近代物理研究所最早的實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一。王淦昌鼓勵(lì)宇宙線研究組研制儀器與實(shí)驗(yàn)工作并進(jìn)。為了尋找奇異粒子，王淦昌和同事建造了帶電磁鐵的云霧室，參與領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)了位于云南落雪山的宇宙線觀測(cè)站。這一觀測(cè)站建成后獲得了很多奇異粒子事例，為中國(guó)宇宙線研究的后續(xù)發(fā)展奠定人才和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。期間，王淦昌還在1951 年和1952 年分別參加了川北土地改革工作隊(duì)和進(jìn)入朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)考察美軍是否在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用了原子炮。
在和平利用原子能的國(guó)際背景下，歐洲核子研究中心于1954 年9 月在瑞士日內(nèi)瓦成立，以鞏固西歐國(guó)家在微觀物質(zhì)世界研究方面的地位。為了抗衡該中心的影響，蘇聯(lián)高層希望社會(huì)主義國(guó)家陣營(yíng)也建立一個(gè)相應(yīng)的聯(lián)合研究所。1955 年1 月17 日，蘇聯(lián)部長(zhǎng)會(huì)議發(fā)表“關(guān)于蘇聯(lián)在促進(jìn)原子能和平用途的研究方面予以其他國(guó)家以科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)上的幫助的聲明”。而恰在此前，中共中央做出研制原子彈的重大決策。
1955 年7 月1~5 日，蘇聯(lián)科學(xué)院在莫斯科大學(xué)召開和平利用原子能會(huì)議。會(huì)后，院長(zhǎng)涅斯梅亞諾夫邀請(qǐng)社會(huì)主義國(guó)家的科學(xué)家參觀蘇聯(lián)科學(xué)院原子核問(wèn)題研究所的680 MeV同步回旋加速器實(shí)驗(yàn)。中方派王淦昌和中國(guó)科學(xué)院學(xué)術(shù)秘書處數(shù)理化學(xué)部的薛禹谷參加了此次會(huì)議。在參觀過(guò)程中，蘇方提議社會(huì)主義國(guó)家科學(xué)家聯(lián)合開展加速器的實(shí)驗(yàn)研究。一個(gè)月后，和平利用原子能國(guó)際會(huì)議在瑞士召開，散會(huì)后，社會(huì)主義國(guó)家科學(xué)家們?cè)谌諆?nèi)瓦湖畔再次討論創(chuàng)立一個(gè)類似于CERN的科學(xué)中心。1956 年3 月下旬，蘇聯(lián)、中國(guó)等11 國(guó)代表在莫斯科簽署了《關(guān)于成立聯(lián)合核子研究所的協(xié)定》。聯(lián)合所最終選址在莫斯科郊外的杜布納，蘇聯(lián)科學(xué)院原子核問(wèn)題研究所的synchrocyclotron 和當(dāng)時(shí)已經(jīng)開工建造的蘇聯(lián)電子物理實(shí)驗(yàn)室同步穩(wěn)相加速器（能量為10 GeV，synchrophasotron）作為其主要設(shè)施。
1956 年9 月，王淦昌在與中國(guó)科學(xué)院物理研究所副所長(zhǎng)李毅出席聯(lián)合所成員國(guó)會(huì)議之后，作為高級(jí)研究員留在聯(lián)合所的高能物理實(shí)驗(yàn)室工作，他同時(shí)被選為高能物理實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，還在1959 年至1961 年擔(dān)任聯(lián)合所副所長(zhǎng)。初到杜布納，王淦昌根據(jù)高能物理研究熱點(diǎn)和聯(lián)合所加速器特點(diǎn)，提出應(yīng)重點(diǎn)研究高能核作用下基本粒子產(chǎn)生規(guī)律和尋找反超子等新奇異粒子。此時(shí)，synchrophasotron和相配套的探測(cè)器尚處于建設(shè)中，直到1957 年4 月17 日才成功將質(zhì)子加速至10 GeV，并在1958年中期投入正常運(yùn)行。
聯(lián)合所高能物理實(shí)驗(yàn)室成員在調(diào)試加速器的同時(shí)，還設(shè)計(jì)多種探測(cè)器及附屬設(shè)備。其中，王淦昌小組（成員來(lái)自蘇聯(lián)、中國(guó)和越南）于1957 年春開始設(shè)計(jì)長(zhǎng)55 cm，容積為24 L 的丙烷氣泡室。這是一種新型的比較完善的探測(cè)高能粒子的儀器。它是一個(gè)方形的箱子，儲(chǔ)有在高壓下的液體（丙烷）。倘若壓強(qiáng)突然降低，液體呈過(guò)熱狀態(tài)，此時(shí)若有帶電粒子穿過(guò)液體，沿粒子徑跡即發(fā)生氣泡，如同人走路留下腳印，這些氣泡可以借著燈光錄入照相機(jī)內(nèi)。之所以選擇制作丙烷氣泡室，一方面由于聯(lián)合所在制作小型氣泡室方面有經(jīng)驗(yàn)，制作周期短，另一方面考慮到丙烷氣泡室能全面觀測(cè)粒子的產(chǎn)生、飛行和相互作用過(guò)程，有利于顯示極短壽命的反超子徑跡。這臺(tái)氣泡室于1958 年夏設(shè)計(jì)完成，是同時(shí)期同類設(shè)備中最大的。高能實(shí)驗(yàn)室的其他研究組還改進(jìn)了厚層乳膠法、電子學(xué)方法和分光儀。
圖2 王淦昌小組研制的24L丙烷氣泡室((a)，該氣泡室(b)現(xiàn)擺放于聯(lián)合所高能物理實(shí)驗(yàn)室主樓一樓
事實(shí)上，王淦昌在1957 年夏便決定利用高能π-與氣泡室液體中的氫和碳原子核相互作用尋找反超子。盡管該方法有本底大的不利因素，但優(yōu)勢(shì)是原始反應(yīng)中沒(méi)有反重子，而末態(tài)中發(fā)現(xiàn)的反超子就是新粒子。1958 秋，王淦昌小組利用這種方法尋找反超子。王淦昌根據(jù)超子特性給出反超子事例滿足的標(biāo)準(zhǔn)，并為小組成員示范如何掃描氣泡室照片。1960 年2 月底，王淦昌小組從4 萬(wàn)多張氣泡室底片中發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊事例，經(jīng)過(guò)詳細(xì)測(cè)量和分析計(jì)算后確定這是一個(gè)反超子——反西格瑪負(fù)超子 。這一事例在3 月中旬得到最終確認(rèn)。4 月24日，王淦昌回國(guó)參加第三屆學(xué)部委員大會(huì)時(shí)在大會(huì)發(fā)言時(shí)介紹了 發(fā)現(xiàn)過(guò)程，并做了如下描述：
在一個(gè)高能介子進(jìn)入氣泡室和質(zhì)子的作用過(guò)程中，產(chǎn)生了至少六個(gè)能量較高的粒子，其中一個(gè)粒子從測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，證明是在飛行時(shí)衰變成一個(gè)帶有正電的π介子和一個(gè)中性的反中子。這個(gè)反中子和一個(gè)碳原子核相碰撞而產(chǎn)生一個(gè)大的“星”。由于這個(gè)粒子的動(dòng)量已經(jīng)知道，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，證明他恰恰符合反西格瑪粒子的衰變，而不符合于任何其他可能的反應(yīng)或衰變。這點(diǎn)是很重要的。因此我們斷定了這個(gè)新粒子的存在，在基本粒子的大家族中增加了一個(gè)新成員。
圖3 聯(lián)合所高能物理實(shí)驗(yàn)室主任維克斯勒與發(fā)現(xiàn)反西格瑪負(fù)超子部分成員在觀看氣泡室照片(a)；具體氣泡室照片(b)
1960 年7 月，有關(guān)發(fā)現(xiàn)反西格瑪負(fù)超子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正式發(fā)表在蘇聯(lián)的《實(shí)驗(yàn)與理論物理》與《物理學(xué)報(bào)》。 的發(fā)現(xiàn)首次證明荷電超子具有反粒子，填補(bǔ)了粒子-反粒子表的一項(xiàng)空白，是聯(lián)合所建成后取得的第一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)成果。1960 年，聯(lián)合所首次頒發(fā)最佳工作獎(jiǎng)（3 項(xiàng)）。“在磁場(chǎng)的丙烷氣泡室中發(fā)現(xiàn)粒子以及對(duì)能量為7~8 GeV的π產(chǎn)生奇異粒子性質(zhì)的系列研究”即是其中一項(xiàng)。布洛欣采夫所長(zhǎng)在聯(lián)合所成立十周年的紀(jì)念文章中認(rèn)為聯(lián)合所在π-N非彈性相互作用的研究以發(fā)現(xiàn)“加冕”。甚至在聯(lián)合所建所60 年后，發(fā)現(xiàn)仍然被視作聯(lián)合所在核物理領(lǐng)域完成的“劃時(shí)代的重要工作”，是“杜布納科學(xué)家的一個(gè)勝利”。1982 年，“反西格瑪（ ）負(fù)超子的發(fā)現(xiàn)”獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
作為聯(lián)合國(guó)成員國(guó)，彭桓武、張文裕、王淦昌等15 位中國(guó)物理學(xué)家于1959 年7 月15~25 日參加了在基輔召開的第9 屆國(guó)際高能物理會(huì)議。這次會(huì)議由國(guó)際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）組織。中國(guó)物理學(xué)家的工作以蘇聯(lián)物理學(xué)家大會(huì)報(bào)告引用的形式被國(guó)際同行了解。王淦昌小組成員丁大釗在分組討論發(fā)言時(shí)介紹了利用6.8 GeV 的π與核子碰撞實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，中國(guó)代表團(tuán)會(huì)上交流的重點(diǎn)是由王淦昌報(bào)告的“可能發(fā)現(xiàn)的一種新粒子”（當(dāng)時(shí)命名為D+粒子，該粒子與后來(lái)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的反西格瑪負(fù)超子并非同一粒子）。不過(guò)可惜的是，這一事例最終并未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
在聯(lián)合所，高能物理實(shí)驗(yàn)室是國(guó)際化程度最高的。王淦昌小組最初只有三位蘇聯(lián)成員。由于實(shí)驗(yàn)工作需要，他在1956 年底將原子能所丁大釗和王祝翔調(diào)到杜布納。到1960 年，王淦昌小組包括來(lái)自中國(guó)、蘇聯(lián)、朝鮮、羅馬尼亞、波蘭、民主德國(guó)、捷克、越南等國(guó)的20 多位成員。王淦昌針對(duì)成員自身特點(diǎn)安排工作，結(jié)合研究進(jìn)展定期組織交流會(huì)。1960年，一位蘇聯(lián)成員向王淦昌提議研制一臺(tái)2 m丙烷氣泡室。盡管了解研制巨型氣泡室的挑戰(zhàn)性，但鑒于其對(duì)未來(lái)高能核作用和基本粒子研究的重要意義，王淦昌全力支持這項(xiàng)提議。2 m丙烷氣泡室后來(lái)成為聯(lián)合所和蘇聯(lián)謝爾布霍夫76 GeV高能加速器中心的主要設(shè)備。此外，為了促進(jìn)理論和實(shí)驗(yàn)交流，王淦昌還組織中國(guó)學(xué)者內(nèi)部的業(yè)余討論班。每周由理論工作者向?qū)嶒?yàn)家講課。這不僅有助于實(shí)驗(yàn)工作者了解粒子物理理論，也提高理論工作者對(duì)知識(shí)的理解程度。后來(lái)，這種討論班演變?yōu)楦餮芯渴?、組召開的內(nèi)部學(xué)術(shù)研討會(huì)。
1960 年7 月16 日，蘇聯(lián)政府照會(huì)中國(guó)政府，決定撤回全部援華專家，中蘇關(guān)系由此加速走向破裂。中國(guó)要自力更生發(fā)展核事業(yè)。1960 年11 月，錢三強(qiáng)出席聯(lián)合所的全權(quán)代表大會(huì)，會(huì)下向部分中國(guó)學(xué)者介紹國(guó)家發(fā)展核武器的決策以及技術(shù)攻關(guān)的情況。這一時(shí)期，王淦昌的副所長(zhǎng)任期屆滿，他決定回國(guó)工作。此外，周光召、何祚庥、呂敏也主動(dòng)遞交報(bào)告請(qǐng)求參與核武器研究。此前在聯(lián)合所工作的王樹芬、丁大釗、唐孝威等人已回國(guó)工作。
對(duì)于王淦昌決定不再回到杜布納工作，我們從聯(lián)合所的檔案中可以推斷做出這個(gè)決定很突然。1961 年1 月28 日，布洛欣采夫所長(zhǎng)致函錢三強(qiáng)希望中方推薦接替王淦昌工作的人選。他在信中提到：
我們得知，王淦昌教授不會(huì)再回到聯(lián)合所工作。我們完全理解，中國(guó)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展需要王淦昌教授回到祖國(guó)工作，借此機(jī)會(huì)我想指出，中國(guó)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是非常重要和珍貴的。但我們?nèi)圆坏貌桓械竭z憾，王淦昌教授將不再參與我們國(guó)際性社會(huì)主義研究所的工作。
由于王淦昌教授離開聯(lián)合所，我們目前在為高能物理實(shí)驗(yàn)室丙烷組尋找小組領(lǐng)導(dǎo)方面遇到了很大困難。如果您能夠從中國(guó)科學(xué)家中推薦一位來(lái)代替王淦昌教授擔(dān)任小組領(lǐng)導(dǎo)，我們將會(huì)非常高興。
同一天，布洛欣采夫還寄出了寫給王淦昌的信。他在信中表示“我們大家，包括我本人都對(duì)您離開聯(lián)合所，并且不會(huì)再回來(lái)工作一事感到非常遺憾。”同時(shí)他還希望王淦昌在中國(guó)工作的同時(shí)，也能協(xié)助聯(lián)合所取得更大成就。1961 年11 月，原子能研究所宇宙線實(shí)驗(yàn)室主任張文裕研究員接替王淦昌，赴聯(lián)合所作為中方負(fù)責(zé)人繼續(xù)開展高能物理研究。
20 世紀(jì)80 年代，王淦昌再次回到杜布納訪問(wèn)，受到他當(dāng)年領(lǐng)導(dǎo)的小組成員的熱烈歡迎。為紀(jì)念王淦昌對(duì)聯(lián)合所的貢獻(xiàn)，聯(lián)合所將高能物理實(shí)驗(yàn)室前的一條路命名為“王淦昌路”。至今，發(fā)現(xiàn)反西格瑪負(fù)超子的氣泡室照片和王淦昌小組部分成員合影還懸掛在聯(lián)合所主樓一樓的走廊上。
圖4 位于聯(lián)合核子研究所高能物理實(shí)驗(yàn)室辦公樓前方的“王淦昌路”
圖5 王淦昌在20世紀(jì)80 年代重返聯(lián)合所時(shí)與丁大釗等人的合影
以身許國(guó)——從研制核武器到慣性約束聚變
1960 年底，王淦昌結(jié)束在聯(lián)合所的工作準(zhǔn)備回國(guó)參加原子能研究所的加速器建造工作。回國(guó)后不久，他便被二機(jī)部部長(zhǎng)劉杰和錢三強(qiáng)邀請(qǐng)參加原子彈研制工作。當(dāng)時(shí)，中國(guó)的原子彈研制任務(wù)因蘇聯(lián)暫緩提供原子彈的教學(xué)模型和圖紙，以及撤走援華專家并停止供應(yīng)設(shè)備及相關(guān)資料而陷入困境。王淦昌毫不猶豫地接受了這項(xiàng)任務(wù)。1961 年4月，他進(jìn)入專門負(fù)責(zé)研制原子彈的二機(jī)部第九研究所（1958 年組建，1963 年改稱二機(jī)部九院）。理論物理學(xué)家彭桓武也于同期（1961 年4 月）加入，負(fù)責(zé)組織和領(lǐng)導(dǎo)理論預(yù)研。此前，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所副所長(zhǎng)郭永懷也加入九所，負(fù)責(zé)原子彈的力學(xué)設(shè)計(jì)部分。這些經(jīng)驗(yàn)豐富的中國(guó)科學(xué)家很好地“頂替”了蘇聯(lián)專家。
自此，王淦昌化名王京，停止在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文，全面負(fù)責(zé)原子彈物理實(shí)驗(yàn)方面的工作。為使原子彈成功爆炸首先需要弄清原子彈的內(nèi)爆規(guī)律，掌握爆轟實(shí)驗(yàn)技術(shù)。王淦昌一邊給年輕人開設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，同時(shí)帶領(lǐng)隊(duì)伍在河北懷來(lái)的一處工程兵靶場(chǎng)開展爆轟實(shí)驗(yàn)。由于這項(xiàng)工作不同于自己以前擅長(zhǎng)的粒子物理和核物理實(shí)驗(yàn)研究，王淦昌需要自己首先補(bǔ)學(xué)炸藥學(xué)、爆轟學(xué)、爆炸力學(xué)等知識(shí)，然后再教給其他成員。他憑借個(gè)人在實(shí)驗(yàn)物理方面積累的非凡造詣，以及對(duì)物理原理的深刻理解，很快便勝任這項(xiàng)重要工作。
原子彈爆炸主要包括爆轟、壓縮、超臨界、出中子和爆炸過(guò)程，需要先進(jìn)行“冷實(shí)驗(yàn)”獲得各種數(shù)據(jù)，最后才進(jìn)行“熱實(shí)驗(yàn)”。王淦昌在1962 年擔(dān)任“冷實(shí)驗(yàn)”委員會(huì)主任（陳能寬擔(dān)任副主任）。1963年3 月，九所除理論研究人員留北京外，其他各方面人員都先后進(jìn)入位于青海的核武器試驗(yàn)基地。王淦昌等人在那里繼續(xù)進(jìn)行爆轟實(shí)驗(yàn)。他們經(jīng)過(guò)不斷研究、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，掌握了內(nèi)爆規(guī)律和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。尤其是在1963 年11 月20 日進(jìn)行的一次縮小尺寸的整體模型爆轟實(shí)驗(yàn)，對(duì)于綜合論證理論設(shè)計(jì)和一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。1964 年6 月，又進(jìn)行第一顆原子彈的全尺寸大型試驗(yàn)（不裝核燃料）。這次試驗(yàn)，是正式爆炸之前的一次綜合演練，且試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)先設(shè)想。此后，王淦昌又在核武器試驗(yàn)基地做了正式爆炸前的大量組織和協(xié)調(diào)工作。1964年10月16日，中國(guó)第一顆原子彈爆炸成功！
在氫彈研制過(guò)程中，當(dāng)理論部確定具體方案以后，王淦昌像在原子彈研制過(guò)程中一樣，負(fù)責(zé)從核材料部件研制，到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、爆轟實(shí)驗(yàn)、物理測(cè)試等工作。他還經(jīng)常到研究室、車間、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試基地，在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)解決具體問(wèn)題。1966 年5 月7 日進(jìn)行一次含有熱核材料的原子彈試驗(yàn)。理論部和實(shí)驗(yàn)部人員根據(jù)這次試驗(yàn)通力合作，進(jìn)一步完善氫彈設(shè)計(jì)方案。當(dāng)年12 月28 日，成功進(jìn)行了氫彈原理試驗(yàn)。1967 年6 月17 日，中國(guó)第一顆氫彈爆炸成功！此后，王淦昌還在開展地下核試驗(yàn)過(guò)程投入很多精力，改進(jìn)測(cè)試方法，使我國(guó)僅用很少次數(shù)的試驗(yàn)就基本上掌握了地下核試驗(yàn)測(cè)試的技術(shù)關(guān)鍵。他為我國(guó)的核事業(yè)發(fā)展立下了不朽功勛。
除了上述工作，王淦昌還在慣性約束核聚變和高功率激光器等研究領(lǐng)域做過(guò)重要貢獻(xiàn)。他在1964 年便提出“激光引發(fā)氘核出中子的想法”，嘗試將激光與核物理結(jié)合起來(lái)。為此，王淦昌與上海光學(xué)精密機(jī)械研究所鄧錫銘合作籌劃相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并最終在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了激光引發(fā)氘核出中子的想法，為進(jìn)一步慣性約束核聚變工作提供了基礎(chǔ)。隨后，成功建成“神光”大型激光裝置，取得了多項(xiàng)重要成果。不過(guò)，筆者關(guān)于這方面內(nèi)容暫未做過(guò)深入研究，感興趣的讀者可參見(jiàn)這些研究。
王淦昌先生晚年持續(xù)關(guān)心中國(guó)科技發(fā)展。1986 年3 月，王淦昌與王大珩、楊嘉墀和陳芳允向中央諫言跟蹤研究外國(guó)戰(zhàn)略性高技術(shù)發(fā)展，為特定時(shí)期的中國(guó)科技發(fā)展指明了方向。此外，王淦昌先生還尤其關(guān)注中國(guó)高能物理發(fā)展。建造一臺(tái)中國(guó)人自己的高能加速器，是他們那一代高能物理學(xué)家持續(xù)幾個(gè)世紀(jì)的夢(mèng)想。1988 年，中國(guó)第一臺(tái)高能物理實(shí)驗(yàn)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成。王淦昌將其視為我國(guó)繼原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星等之后的又一“偉大成就”。
王淦昌先生出生、成長(zhǎng)在一個(gè)飽受戰(zhàn)亂的年代。當(dāng)時(shí)災(zāi)難深重的祖國(guó)和處于水深火熱中的人民堅(jiān)定了幾代中國(guó)科學(xué)家用自己所學(xué)的知識(shí)報(bào)效國(guó)家的責(zé)任和使命。正如王淦昌先生在1998 年12月22 日《光明日?qǐng)?bào)》“名家新見(jiàn)”專欄發(fā)表的《有滿意的結(jié)果才罷手》一文中寫道的那樣：“愛(ài)國(guó)主義是對(duì)我最大的鞭策。每逢要做一件比較重要的事，我最先想到的是，我為國(guó)家做工作，必須投入全部力量，并且常常以‘皮之不存，毛將焉附’這個(gè)典故來(lái)督促自己，勉勵(lì)自己，使工作做好！”
致謝：感謝《現(xiàn)代物理知識(shí)》主編張闖先生邀請(qǐng)并在本文撰寫過(guò)程中提出的重要建議。感謝中央新聞?dòng)涗涬娪爸破瑥S（集團(tuán)）導(dǎo)演張莉、中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所青年研究員王芳、副研究員文恒幫忙核對(duì)重要史料。
本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2024年5期 作者：中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所 劉金巖
