张文裕成就及荣誉
发布时间：2010-06-07 14:57:20
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张文裕在国际学术界的威望较高，多次担任国际高能物理会议的顾问委员会成员、组织委员会委员；１９７８年起担任美国《粒子加速器》（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）学报顾问委员会委员。
坚持科学实验，取得累累硕果
张文裕以严谨、踏实的科学态度，孜孜不倦的探索精神，始终奋斗在核物理研究的前沿，并有多项重要发现。早在燕京大学工作期间，他与同事合作，对北京地区大气的荷电（电压）和尘粒密度的关系进行观测；对钢丝的磁滞效应随温度的变化和皂石的物理、化学性质进行研究，研究成果均在有关学术刊物上发表。
张文裕在剑桥大学进行核物理研究期间，人工放射性才发现一年有余，复合核理论还刚刚提出，高压倍加器才发明几年，对原子核的结构还不很清楚。他与同事合作，用天然放射源发出的α粒子轰击轻元素（如铝、镁等），研究所形成的放射性同位素的产额与α粒子能量的关系，由此来研究原子核的结构。他们研究了天然α射线引起的３０Ｐ，研究了２８Ａｌ和２５Ｍｇ的共振效应，验证了Ｎ．玻尔的液滴模型。又与Ｗ．Ｂ．刘易斯（Ｌｅｗｉｓ）合作，研究了高压倍加器产生的８Ｌｉ的衰变机制，及由此产生的激发态８Ｂｅ，测量了８Ｂｅ蜕变成两个α粒子时产生的α射线能谱，发现它是一个连续谱，由此判断８Ｂｅ有很宽的激发态。还与Ｍ．哥德哈伯（Ｇｏｌｄｈａｂｅｒ）和Ｒ．嵯峨根（Ｓａｇａｎｅ）合作，利用高压倍加器产生的γ射线和快中子轰击不同的元素，发现多种放射性元素，并首次在一些核中观察到光激放射性现象的（γ，ｎ）和（γ，２ｎ）反应，和１６（ｎ，ｐ）１６Ｎ过程。这个过程在设计、建造反应堆及其运行时，是大家所关注的，因为冷却水中的１６ｏ变为１６Ｎ，它放出的６ＭｅＶγ射线可能会引起辐射损伤。
抗战期间在昆明极其困难的条件下，他自己动手吹玻璃，做出几根盖革计数管，又在农村找了个仓库作为实验室开展宇宙线研究，测量宇宙线强度与天顶角的关系。还曾努力争取建造一台静电加速器，以便进行核物理研究，终因无法实现而作罢。
１９４３年在美国普林斯顿期间，张文裕在建造α粒子谱仪的过程中，根据法国科学家罗森布鲁姆的想法研制出了最早的火花室作为α粒子谱仪的探测器，并提出粒子探测的“精确定位”概念，这是大型多丝室的先驱。继而用这台高分辨率的谱仪测了钋、镭等元素的α谱线，指出有α精细谱，这些低能的α谱线的能量只是主要α谱线的万分之一，甚至更低，用过去测量射程来定α粒子能量的办法是测不出来的。
１９４６年，他承担美国军方和原子能委员会的研究课题，研究“介子武器”之谜。当时传说苏联利用磁透镜聚集宇宙线介子的强相互作用力而产生巨大的爆炸力。他设计建造了一套自动控制、选择和记录宇宙线稀有事例的云室，利用这套云室研究宇宙线中μ子与物质的相互作用。实验证明，μ子被核吸收之后，没有放出α粒子，也就是说，不存在引起爆炸的“星裂”径迹，从而证明μ子是非强相互作用粒子，否定了关于介子武器的谣传。在进一步的研究中，他发现了μ介原子，后者在国际上被称作“张辐射”。
１９５０—１９５６年张文裕转到美国普度大学工作。这段时间他系统地研究了海平面的大气贯穿簇射，并对Λ°奇异粒子作了系统全面的研究。他们当时对θ°（即短寿命中性Ｋ介子，Ｋ０ｓ和Λ°的测量结果，θ°寿命０．８０×１０－１０秒，Λ°寿命２．８×１０－１０秒，同３０年后粒子表所列结果Ｋ－０寿命０．８９２×１０－１０秒，Λ°寿命２．６３×１０－１０秒相当。可见他们当时的工作水平。
１９５６年回国以后，为了较全面、完整地研究高能宇宙线粒子引起的高能核作用，张文裕提议在云南高山站增建一台大云室组，他利用从国外带回建造云室用的高级平面玻璃和一些实验工具，建成包括三个云室的一个大云室组，中间一个有磁场。它是当时国际上规模最大的云室组。大云室组建成后，发现了一个质量可能１０倍于质子质量的重粒子，并在此项工作中培养了一批宇宙线研究人才。
１９６１年在杜布纳联合核子所工作期间，他领导一个联合研究组。全组２０多人，只有四五名中国人。他们研究高能中子在丙烷泡室中产生的各种基本粒子的产生截面、衰变形式和寿命，以及与其他粒子的相互作用等。他把当时已知的重子共振态归纳成核子和超子的激发态，提出了一个重子能级跃迁图，并根据这个想法对Λ°超子和核子散射过程进行了研究。当时这方面的数据很少，高动量方面的数据还没有。他们从１００多万张丙烷泡室的照片中筛选出十几个Λ°和质子的弹性散射事例，给出了在平均动量２．７ＧｅＶ／ｃ下，Λ°（ｐ）弹性散射的总截面和角分布，这在当时是很不容易的。至于其他学者从加速器引出较强的次级Λ°束流来做散射实验，已是７０年代的事。
发现μ介原子，拓宽物质结构的研究领域
张文裕最主要的学术成就是μ介原子的发现。μ子是１９３６年被发现的，当时人们对它的性质还很不清楚，一直以为它是强作用粒子，被核吸收以后会产生核反应，放出能量。因此，研究μ子被核吸收之后所出现的现象是当时粒子物理学家所关注的问题。
张文裕利用多层薄板云雾室系统研究宇宙线中μ子与物质的相互作用。他观察到，与人们的预料相反，μ子被核吸收之后，没有观察到放出α粒子或质子，也就是说没有引起核反应。由此判断：μ子和原子核没有强作用。但这究竟是一种什么现象？μ子被核吸收以后，它的１００Ｍ发ｅＶ的静止质量到哪里去了？带负电荷的μ子会不会形成围绕原子核运动的玻尔轨道？他带着这些问题仔细察看从云雾室中拍下的照片。分析了１９４８年底—１９４９年初经２６１０小时拍摄的云室照片后，得到７张预示有新现象的照片。这些照片显示：μ子停止在薄板上，当它停止时，发射出一个低能电子，或者一个低能电子对，它们的方向指向μ子停止的地方，能量只有５ＭｅＶ左右。经过仔细研究，张文裕发现，当带负电荷的μ子通过云室的金属片逐渐慢化后，其运动速度接近热运动的速度，在强大的核的正电荷的吸引下，μ子会被核抓住，代替原来围绕核运动的一个电子，形成μ介原子，或称μ子原子。
为了确认这种新现象，张文裕继续从事μ子停止于金属片中的实验研究。到１９５４年他已找到２１张指向μ子的电子和电子对的照片。当时的理论物理学家Ｊ．Ａ．惠勒（Ｗｈｅｅｌｅｒ）用量子力学对μ子进行了计算，计算结果与张文裕的实验结果相符。同时，柯星斯（Ｃｏｓｙｎｓ）于１９４９年，富雷（Ｆｒｙ）于１９５０年利用核乳胶，Ｌ．Ｊ．雷瓦特（Ｒａｉｎｗａｔｅｒ）于１９５３年利用加速器，都观察到同样的结果。μ介原子这一新物质形态终于为人们所普遍接受。
μ介原子的发现开创了研究物质结构的一个新领域，即奇特原子物理学，可以用μ介原子产生的辐射来研究核的结构。由于μ子的质量比电子大２００倍，μ子的某一轨道半径只应为电子相应轨道的１／２００，即μ子比电子离核更近，因而用μ子作探针来观察核结构要准确得多。１９７５年吴健雄和Ｖ．Ｗ．休斯（Ｈｕｇｈｅｓ）在他们的专著《μ子物理》（Ｍｕｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ）中对此作了很好的总结。
尽心竭力，为发展我国高能物理事业奠定基础
张文裕从长期研究工作实践中深切体会到：“定量研究是物理学发展的关键；新现象的发现只不过是问题的开始，规律性的关系是从定量研究中产生的。”（引自张文裕为章乃森《粒子物理学》所写序言）宇宙线研究由于它的粒子流太弱，不易测量，故大都是定性、探索性的工作，定量工作用加速器来做更为有利。要发展我国的高能物理事业必须建设我国自己的实验基地，建造高能加速器。中苏关系破裂后，这个愿望更加强烈。１９７２年，以张文裕为首的１８位科学家联名给周恩来总理写了一封信，要求建造一台高能加速器，以开展高能物理实验研究。周恩来总理一直很重视高能物理研究工作的发展，多次关心询问这方面的情况，还曾到苏联杜布纳联合核子研究所，探望在那里工作的我国科学工作者，并和大家商讨如何发展我国的高能物理研究。信送上去不到两个星期，就得到了周恩来总理的批示。批示指出：“……这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来，同时又要把理论研究和科学实验结合起来。高能物理研究和高能加速器的预制研究，应该成为科学院要抓的主要项目之一。……”周恩来总理为此批准成立中国科学院高能物理研究所，任命张文裕为第一任所长。
１９７３年以后，张文裕不遗余力，为发展我国高能物理事业付出了巨大精力。他多次带领代表团出国考察，调查、了解国际高能物理发展情况，打通国际合作渠道，派遣大批研究人员出国学习，掌握先进技术。
１９７７年国家批准建造一台５００亿电子伏的质子环形加速器，原定１０年建成，定名为“八七工程”。为此，选定在昌平县十三陵附近建设高能物理实验中心，并以玉泉路为预制研究基地。１９８２年国民经济调整，“八七工程”下马。为了保证高能物理研究不断线，中央又批准建造一台２×２２亿电子伏的正负电子对撞机，定名为“北京正负电子对撞机工程”。
北京正负电子对撞机已于１９８８年实现对撞，１９８９年建成。它的建成标志着建设我国自己的高能物理实验基地的梦想终于成为现实。这里凝结着张文裕和一切为之奋斗的创业者的努力，灌注了老一辈科学家的心血。
精益求精，发展实验技术
张文裕一贯主张自然科学发展的基础是实践。自然科学研究的对象是“物”。要研究“物”，必须变革“物”，并观测其变革后的反应。以这些反应的现象作根据，经思维加工而推出结论。物理科学更是如此。他指出，物理学是一门实验科学，在物理学的教学和科研中，要特别强调科学实验。
张文裕在科研和教学中始终重视科学实验，包括对实验方法的研究、实验仪器的设计和制作，以至实验技能的训练。在研究放射性元素的α粒子能谱时，他精心制作α能谱仪，借用了回旋加速器上的磁铁，能量分辨率相当高；又制成了最早的火花室来记录α粒子。这个火花室只对游离大的α粒子灵敏，对β粒子不灵敏。当α粒子进入时，肉眼可以看见火花，还可以在强磁场和低真空中使用。这个火花室的设想是罗森布鲁姆提出的，张文裕进行了设计、加工，使它成为现实。他用这台谱仪作了钋、镭的α谱测量。测出的能谱主峰位置和前人的结果完全一样，但更准确。奇怪的是，在低能方向有若干条弱谱线，强度约为主峰的万分之一。这些低能谱线用过去的射程测量办法是测不出来的。它们是从哪儿来的？很难把这些α粒子解释为由核内来的。后来，密执安大学韦迪（Ｗａｄｅｙ）用比较小的α谱仪也观察到了类似的现象。理论家伽莫夫（Ｇａｍｏｖ）对此很感兴趣，张文裕和他讨论过，想出的几个机制都被否定了。看来，这些α粒子可能是在核外形成的，或由α粒子与源的白金支柱固体表面作用而成；或者只是统计涨落，但这种可能性很小。本来想对这一现象作进一步探索，由于第二次世界大战结束，在国防方面工作的人员陆续回到实验室，借用回旋加速器的磁铁又要归还，这项工作也就中断了。
在研究宇宙线和物质相互作用时，张文裕制作了一个多层云雾室系统。其独到之处，是采用了不同材料的多层薄金属片，分别用铅片、铁片、铝片做三次实验，用以鉴别穿过云室的各种低能粒子。同时，采用的金属片很薄，它们的厚度分别为０．０１８英寸（Ｐｂ），０．０２８英寸（Ｆｅ），０．０３２英寸（Ａｌ），使１５ＭｅＶ或能量更低的质子可以穿过，提供了深入研究μ子与物质相互作用的可能性。为了增加照相时的反光，在铅片和铁片的两面都镀上厚度为０．００２英寸的铝箔。张文裕对实验进行了精心设计，使只有停止在云室内的粒子径迹才被照相。还可以根据质子、μ子和电子在穿过金属薄片前后电离密度变化不同的特点，准确地辨认粒子。为了确证整套实验装置的运行可靠性，张文裕作了许多检验，其中之一是从工作时间、金属片的原子序数和质量、云雾室的立体角获得μ子的绝对停止率是１．５×１０－６／（克·秒·立体角），与其他实验结果完全一致，说明实验所用的多层薄膜云雾室系统运行可靠。
张文裕重视科学实验不仅身体力行，而且倡导这个观点。他曾在第五届全国人民代表大会常务委员会会议上发言，强调“发展科学技术，必须加强科学实验，解决好科研、教育与工业三者的关系”。他曾多次在报刊撰文，谈“科学实验与现代科学的发展”（见《百科知识》１９８３，１），“纠正轻视实验工作的偏向”（见《光明日报》１９７９．３．２９）等。在为科学专著撰写的序言中更一再强调科学实验的重要性。
张文裕在总结他６０年教学科研的体会时，就以切身经历着重总结了对科学实验重要性的认识。他认为，“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本”。
重视队伍培养，关心青年成长
现代科学实验发展至今天，任何科学实验都不是一两个人的力量所能完成。高能物理是一门大科学，一个实验往往需要几十人、上百人的通力合作。张文裕深深懂得这一点，他把培养一支具有高素质的科研队伍作为他后期工作的主要目标。１９７８年我国实行改革开放之初，他就积极利用他在海外的关系，打通渠道，将我国从事高能实验物理及加速器的科研人员派往世界各大高能物理研究中心进修、工作，使他们较快地掌握国外最新技术，了解到国际前沿的发展动态。这支队伍已成为我国高能实验物理及加速器建造的中坚力量，他们成功地建成了北京正负电子对撞机及北京谱仪，并开展高水平的研究工作。
张文裕对年轻人既循循善诱，又严格要求。他要求研究生首先要学会使用实验中用到的各种设备，逐步学会制造实验需要的各种设备。他很重视学生对物理概念的理解，要求他们有清楚的物理图象。还要求他们下功夫学习数理统计，以便学会从分析数据中找出本质的东西。他认为一个高水平的实验人员既要能提出物理问题，又要能自己制造实验所需设备，把实验设备安装调试出来；还要会做实验，会取数据、分析数据，并从实验数据中找出新现象，得出新结论。他认为，“改理论就实验天经地义、理所当然；改实验就理论则荒谬绝伦、众所不容”。
张文裕曾长期在学校工作，在国内、国外都培养了不少学生。１９５８年起，他在中国科学技术大学任兼职教授，主讲“普通物理”这一重要的基础课程。以后他又兼任中国科学技术大学近代物理系主任，对该系的建设和学生的培养都给予了极大关注。
张文裕十分爱护学生、后辈，热心帮助他们成长。对于年轻科研人员，他总是耐心地指导他们；对于年轻人提出的新的科学想法，他都给以热情鼓励，积极指导。他鼓励年轻人总结工作，写成专著，热情为他们写序言，给以推荐。有时外单位的科研人员来找他写序，他也热情帮他们审核书稿，认真写出序言。他还应报刊的邀请，为青年人写文章谈学习问题，谈治学经验。总之，他把培养年轻一代作为一个老科学家应尽的责任。
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