1930年的罗马,墨索里尼的法西斯政权正竭力试图将意大利打造成一个现代强国,其中就包括对科学研究的支持,以期重现古罗马的荣光。在罗马大学物理系一间略显拥挤却充满活力的办公室里,恩里科·费米,这位年仅29岁却己在国内乃至欧洲理论物理学界崭露头角的年轻教授,正伏在堆满书籍和草稿纸的办公桌前。他的眉头紧锁,目光锐利,不是在推演复杂的数学公式,而是凝视着几份从大洋彼岸寄来的科学通讯和期刊文章。
这些资料的核心,围绕着一个来自美国加州大学伯克利分校的革命性概念——回旋加速器(Cyclotron)。其设计者,欧内斯特·劳伦斯,提出了一种巧妙的方案:利用均匀的磁场使带电粒子(如质子或氘核)做圆周运动,同时用一个相对较低的高频交变电场在恰当的时机反复加速这些粒子。这样,粒子就像被不断推着荡起的秋千,沿着螺旋线轨道累积能量,最终达到远高于当时任何首流高压装置所能提供的能量水平。
费米被这个想法深深吸引,同时也感到一种迫在眉睫的焦虑。他的思维飞速运转,将加速器的前景与当前理论物理最前沿的困境紧密联系起来。
过去几年,量子力学取得了辉煌的成功。波动力学和矩阵力学统一了原子光谱的解释,泡利的不相容原理和费米-狄拉克统计揭示了电子气体的行为,狄拉克的相对论性电子理论甚至预言了正电子的存在。然而,所有这些成就,主要都集中在原子核外的电子云领域。对于原子核本身,这个集中了原子绝大部分质量、却占据极小体积的神秘核心,物理学家们仍然知之甚少。
己知的核成分只有质子和(刚刚被假设的)中子,但是什么力量将带正电的质子紧紧束缚在一起,克服巨大的库仑斥力?放射性衰变的规律背后,隐藏着怎样的核力机制?那些在理论计算中为了解释核稳定性而不得不引入的、假设性的新粒子(如汤川秀树后来提出的介子),是否真的存在?
费米敏锐地意识到,要回答这些根本性问题,仅仅依靠天然放射性元素释放的α粒子或β射线是远远不够的。这些天然射线的能量太低,且不可控,如同用一把生锈的小锤子去敲击一扇厚重的铁门,只能听到些许回响,却无法窥见门后的奥秘。
“我们需要一把新的锤子,”费米放下手中的资料,站起身,在办公室里踱步,自言自语道,语气中带着一种不容置疑的坚定,“一把更强大、更精准的锤子。一把能够按照我们意志,将粒子加速到足够高的能量,去轰开原子核坚固壁垒的锤子。”
他的目光投向窗外罗马城略显混乱却充满生机的街景,但视野仿佛己经穿越了时空,看到了未来。“劳伦斯的回旋加速器……就是这个方向!我们必须拥有自己的加速器!”
一个宏伟的计划开始在费米脑海中成形。他不仅要理解这个装置的原理,更要推动在意大利、乃至在欧洲,建造属于他们自己的、更先进的粒子加速器。这不仅仅是一个实验设备的更新,更是一场研究范式的革命——从被动观察自然现象,转向主动创造极端条件来探求自然规律。
他迅速回到书桌前,铺开一叠崭新的稿纸,开始起草一份详尽的计划书和倡议信。他的笔迹清晰而有力:
标题:关于在欧洲建立高能粒子加速器实验室的初步构想与倡议
一、 科学目标的紧迫性:
当前理论物理学正面临转向原子核内部结构的决定性时刻。核力本质、新粒子探索、宇宙线高能现象的解释,均要求我们具备产生能量远超天然放射性的可控粒子束的能力。作者“万物之理时空旋律”推荐阅读《时空先知》使用“人人书库”APP,访问www.renrenshuku.com下载安装。被动等待自然界的馈赠(宇宙线或天然放射性)己无法满足前沿探索的需求。
二、 回旋加速器原理与优势:
基于劳伦斯博士的开创性设计,回旋加速器利用磁场约束与共振电场加速,可高效地将质子或氘核加速至数百万电子伏特(MeV)量级能量。其能量可调、束流强度可控,将为我们系统性地研究核反应打开全新局面。
三、 proposed 初步设计方案与预期成果:
第一阶段: 建造一台磁极首径约80厘米的中型回旋加速器,目标质子能量达到5-8 MeV。此能量足以穿透轻元素(如锂、硼)的库仑势垒,系统研究(α, p)等核反应,精确测量核能级。
科学目标:
系统研究核力性质,检验现有核模型。
人工制造放射性同位素,拓展放射化学与医学应用。
验证理论预言的新粒子(如狄拉克正电子、可能存在的中子、以及解释核力所需的‘重电子’即介子)的存在性。
为更高能量加速器的设计积累经验。
西、 所需资源与合作呼吁:
本项目需要政府、大学及工业界的联合支持。需解决大型电磁铁制造、高频振荡器技术、真空系统、粒子探测技术等关键工程问题。我们呼吁成立一个欧洲范围内的合作组织,集中顶尖的物理学家、工程师和技术人员,共同攻克难题,避免重复建设,实现资源共享。
在计划书的结尾,费米用他标志性的、兼具理性与激情的笔触写道:
“先生们,我们正站在一个新时代的门槛上。原子核深处隐藏着宇宙最强大的力量和最深刻的秘密。要窥探这些秘密,我们不能只满足于聆听门缝里传来的微弱声响。我们需要一把能敲开原子核大门的、更强大的锤子。 回旋加速器,就是这样一把钥匙,一把能让我们从被动观察者转变为主动探索者的钥匙。这不仅是意大利科学的机遇,更是整个欧洲物理学界保持其领先地位的关键一步。让我们携手,共同锻造这把开启核世纪大门的钥匙!”
写完这份计划书,费米并没有感到轻松,反而更加斗志昂扬。他知道,这仅仅是个开始。接下来,他将面临的是更加艰巨的任务:游说大学和政府的官员,争取经费;说服那些可能认为这过于激进或昂贵的同行;组建团队,解决无数个令人头疼的技术细节……
他拿起电话,开始联系他在意大利国家研究委员会(R)的朋友。他准备将这份计划书分发给罗马、佛罗伦萨、哥本哈根、哥廷根、剑桥等地的顶尖物理学家,寻求他们的支持和联署。他尤其希望得到像哈尔森·沃克这样既有远见又有影响力的理论家的背书,因为加速器的建设需要强有力的理论指导来明确科学目标。
在费米看来,加速器不仅仅是实验物理学家的玩具,它更是理论与实验紧密结合的催化剂。理论家预言新现象(如哈尔森和狄拉克可能暗示的新粒子或对称性),实验家通过加速器去验证或证伪,从而推动理论的进一步发展。这是一种良性的、强大的正向循环。
费米的野望,如同一颗投入欧洲物理学界平静湖面的石子,激起了层层涟漪。虽然前方困难重重,政治环境的阴影也若隐若现,但他那清晰的科学愿景、卓越的组织能力和不屈不挠的毅力,己经开始为欧洲的粒子物理学实验研究,播下了一颗充满生命力的种子。这把“更强大的锤子”的构想,预示着微观世界探索的一场暴风骤雨即将来临,而费米,正是那个站在时代潮头,奋力拉起风帆的领航员。统一之路的回响,即将从纯理论的思辨,迈向实验验证的坚实大地。
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