回旋加速器之父

在漫長的科學發展史上，有一位美國天才：1901年出生，25歲獲博士學位，30歲受聘為加利福尼亞州立大學伯克利分校有史以來最年輕的正教授，37歲獲富蘭克林研究所授予的克利遜獎章、美國科學院授予的康斯托克獎、英國皇家學會休斯獎章，39歲獲諾貝爾物理學獎……他就是勞倫斯。

少年天才

1901年8月3日，歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯在美國南達科他州的坎頓城出生。父親卡爾·勞倫斯畢業于威斯康星州立大學，曾先后出任縣、市、州公共學校的督學，1919年4月出任南達科他州立師范學院院長。母親岡達·雅各布森是一位中學數學老師、一位賢妻良母，深受孩子們的尊敬與愛戴。

良好的家庭條件為勞倫斯創造了不錯的學習氣氛，他從小就喜歡讀書，閱讀了不少科學書籍。9歲時，勞倫斯對電產生了濃厚的興趣，喜歡自己動手制作一些電報、電話裝置，還時常同他最要好的伙伴M·圖夫一起收集廢電池，給這些廢電池充電，用來開動馬達。有趣的是，這兩位志趣相投的小伙伴后來都成為著名的物理學家。

勞倫斯成績出眾，提前一年中學畢業。1918年秋，他進入明尼蘇達州諾思菲爾德的圣奧拉夫學院學習，1年后轉到南達科他大學。剛到南達科他大學，他就以超乎尋常的充沛精力投入物理學的學習。一連6周，每天的大部分時間都用于緊張的學習，要不然就是在實驗室做實驗。6周過去了，整個二年級的物理課也就上完了。在秋季的新學期，除了選修數學、化學、動物學、經濟學和法語外，他還選修了三年級的物理。在四年級，他的課表上又增加了地質學、電工學、高級經濟學、高級物理學等課程，同時還主動承擔了大學一年級的數學教學工作。

電氣工程學院院長阿克利教授對勞倫斯非常賞識，在他的鼓勵下，勞倫斯對物理學的興趣越來越濃厚。1922年秋，勞倫斯獲南達科他大學學士學位。阿克利教授建議勞倫斯去芝加哥大學攻讀研究生，勞倫斯也申請了芝加哥大學的獎學金。就在此時，他收到了幼時伙伴M·圖夫的來信，邀請他到明尼蘇達大學一起讀研究生。勞倫斯采納了M·圖夫的建議，駕著他那輛破舊的福特汽車，來到明尼蘇達大學。

在明尼蘇達大學，在導師斯旺教授的指導下，勞倫斯刻苦學習，很快打好了電動力學和磁學的堅實基礎。僅用了1年時間，便取得了碩士學位。

1923年秋，勞倫斯獲碩士學位后，隨同斯旺教授來到芝加哥大學繼續學習，一年后又隨斯旺到了耶魯大學。在這里，他作為實驗者的天賦才真正顯示出來。1925年，他很快完成博士論文《在鉀蒸氣中光電效應的研究》，獲耶魯大學哲學博士學位。這樣的成績是驚人的，但在他的朋友們看來，這不足為奇。1925年7月27日，學校舉行博士學位授予典禮的那個重大時日，勞倫斯還像平日一樣忙個不停，就在戴博士帽、穿博士服之前，他還要匆匆忙忙去一趟實驗室。

年輕的勞倫斯開始被科學界知曉。1925年，勞倫斯在耶魯大學任研究員，不久被提升為助理教授。在耶魯大學工作期間，他在光電效應方面的研究取得了許多成果，為他在物理學界的輝煌奠定了堅實的基礎。1928年秋，勞倫斯受聘為加利福尼亞州立大學伯克利分校物理學副教授，兩年后升任教授，成為伯克利分校有史以來最年輕的正教授。正是在伯克利分校，勞倫斯發明了著名的回旋加速器，使這位年輕人聞名于世。

超常精力

勞倫斯的一生，為何能取得如此眾多的成就?答案是不一而足的，但是有一點可以肯定，那就是他的不知疲倦，精力超常。

勞倫斯的生活節奏很快。由于他個人能力與品格的吸引，他的實驗室中聚集了一批年輕有為、才華超群的物理學人才。1968年度諾貝爾獎獲得者L·阿爾瓦雷茨曾這樣評價勞倫斯對他們的影響：“歐內斯特·勞倫斯的影響標志之一就是這樣一個事實：我是他那個實驗室工作人員中第8個獲得了科學家所能獲得的最高榮譽——諾貝爾獎金的人。”

勞倫斯精力充沛，一位實驗室工作人員說：“勞倫斯的精力非常旺盛，他簡直要把我累死了。我們的實驗室經常燈火通明，常常需要我們一鼓作氣連干一兩天。我們干了一整天、一整夜，第二天又干了一整天，而勞倫斯居然在第二天晚上赴約會。他的精力充沛得令人吃驚!他有著使不完的精力，而且對事物有非常敏銳的洞察力。他是我們實驗室的主要推動力。他是一個出色的、天才般的實驗家。”

勞倫斯常常在生活中思考某個物理問題。一次，他和同伴去看電影，把汽車停在電影院門口的街上，談物理問題一直談到電影院。電影結束后，又一路說著回到實驗室。汽車被遺忘了兩天，后來他根本想不起來車停在哪里。

回旋加速

1919年，物理學家歐內斯特·盧瑟福用天然a粒子從氦原子核中打出質子，這標志著人類第一次實現了改變化學元素的人工核反應。這種用粒子轟擊原子核引起核反應的方法，很快成為人們研究原子核的重要手段。但盧瑟福的發現同樣告訴人們，要想成功完成打碎原子核的實驗，必須把粒子加速到很高的能量。

1927年，盧瑟福曾提出用加速器為粒子提供足夠的能量以實現原子核嬗變是可能的。受盧瑟福的理論影響，勞倫斯開始了探索。1929年春的一個晚上，勞倫斯在圖書館翻閱期刊雜志，看到挪威工程師威德羅的論文《關于產生高壓的新原理》，威德羅在文中闡述的解決高壓問題的方法，是把高頻振蕩電壓適當地加到一連串的圓筒形電極上來加速正離子。這種離子多次加速的新思想使勞倫斯意識到，這正是他日夜尋找的加速正離子問題的真正答案。

但是，勞倫斯估算了一下，能量超過1兆電子伏特的直線加速器的長度可能達數米，這樣的長度并不適合當時的實驗室環境。因此，他開始考慮，能否不用在一條直線上的許多圓筒形電極，而使用兩個電極，通過均勻的磁場裝置使正離子反復通過這兩個電極。如果在這種磁場中放一個離子源，在軌跡的一條直徑上加一個垂直于磁場的、與離子運動頻率相同變化的交變電壓，使離子在通過該直徑時被加速，即讓被加速的粒子與振蕩電場發生共振，這樣就可以實現粒子多次加速。

把兩個呈字母D形的盒子相對放置，D型盒上加一個上述的交變電壓，并將整個系統置于一個真空室內，即可實現粒子不斷加速的目的。這就是勞倫斯于1929年提出的回旋加速器的思想。這樣不需高壓，只要通過多次加速，使粒子獲得高能量，因而避免了高壓帶來的困難，而且只需相對小得多的空間。

1930年春，建造回旋加速器的工作正式開始了。1931年，在學生的協助下，第一臺可行的加速器終于制造出來。在這臺裝置里，質子在一個巨大的電磁體的兩個平面極之間沿圓形軌道運行。質子在真空中的運行軌道來回穿過兩個D型電極之間的空隙。給D型電極加上交變電壓，這樣每個質子在一個繞行周期中就獲得兩次能量“突增”。質子運動得越來越快，它們就沿著螺旋形軌道逐漸靠近儀器的邊緣，最終通過一個狹縫射出，轟擊靶子。利用這臺機器，能獲得百萬電子伏特的原子“炮彈”用以轟擊其他原子的原子核，使之釋放出巨大的原子能，從而引起許多新的核裂變。這些實驗的結果之一，就是把普通的鹽，轉變為放射出比天然的鐳所放射出的射線還要強的人工放射性物質。

1932年春，勞倫斯和他的合作者成功地建造了直徑為11英寸的回旋加速器，并能將質子加速到能量為1兆電子伏特。但勞倫斯并不滿足，1939年，他又成功地建造了一個重225噸的新的回旋加速器，可提供20兆電子伏特的能量，超過天然放射源的能量水平。然而勞倫斯的探索仍不停止，1941年，他終于制造出一臺理想的回旋加速器，對核裂變及核力問題的研究起了極其重要的作用。

影響深遠

回旋加速器的研制成功，是勞倫斯對原子核物理發展所做出的極為重要的貢獻。天然放射性物質所產生的a粒子，能量極其有限，數量也很少，嚴重阻礙了原子核物理的研究與發展。利用回旋加速器，人們能夠獲得高能量的粒子，從而使原子核的研究向前邁進了一大步。勞倫斯在研制加速器的同時，花費許多時間研究和生產放射性同位素，發現了已知元素的幾百種放射性同位素。此外，世界上第一個人造元素锝也是在勞倫斯的回旋加速器中產生的。

回旋加速器也為利用原子能揭開了新篇章。第二次世界大戰期間，在勞倫斯、康普頓等領導下，研究鈾裂變、制造原子彈的工作全力以赴地展開了。珍珠港事件的前一天，勞倫斯報告說，他能在一小時內從U238中分離出1微克非常純的U235。這使得官方在1942年批準了耗資3億多美元的橡樹嶺大實驗室，為制造轟炸廣島的原子彈提供所需的U235。

第二次世界大戰結束后，勞倫斯回到了伯克利的研究工作中。1946年，伯克利輻射實驗室成功地制成了184英寸的新型同步回旋加速器。1948年，輻射實驗室用這臺加速器第一次實現了人工制造介子。在當時，這也是世界上惟一可以產生介子的裝置，由此開始了用加速器研究基本粒子的新時期。

今天，加速器成為高能物理研究中必不可少的重要工具。加速器的能量大小，成為科學技術發展水平的重要標志。

1958年8月27日，勞倫斯在加利福尼亞的帕洛阿爾托逝世。為了紀念勞倫斯，加利福尼亞州的伯克利和利弗莫爾加建立了勞倫斯實驗室，美國原子能委員會頒發一年一次的勞倫斯獎，還用他的名字命名了第103號元素——鐒。