赵忠尧

1933 年秋，卢瑟福收到一篇从北平寄来的短讯，附着一封私信：清华的赵忠尧和龚祖同用硬伽马射线打铅，发现铅吸收得比理论多，猜想是原子核被打碎了，正在找从铅核里打出来的电子。11 月 4 日的《自然》登出这篇短讯，卢瑟福在同一页加了几行按语——

从随信寄给我的私函看，赵教授与龚先生显然还没听说关于正电子的新工作，尤其是一对电子的产生……他们描述的实验为这一现象提供了有价值的补充证据；他们若是知道，无疑会这样来解释，而不会当成原子核的蜕变。

远在北平的实验，比欧洲的消息先到了。而这一幕的源头还要再往前三年：1930 年，赵忠尧在加州理工第一次测到了那块「多出来的吸收」，和一种来历不明、约 0.5 MeV 的辐射。那是人类第一次在实验里碰到正负电子的产生与湮灭，只是当时没人——包括他自己——知道那是什么。

化学系出身的助教

赵忠尧 1902 年生在浙江诸暨，父亲自学医道、行医为生，他出生时母亲已经 46 岁。1920 年他考进南京高等师范，选的是化学系。1924 年父亲去世，家境困难，他提前半年修完学分，留在已改名东南大学的母校当物理系助教，跟的是刚从哈佛回来的叶企孙。

第二年叶企孙去清华办物理系，把他和施汝为一起带了过去。赵忠尧在清华先当助教，后当教员，管的是实验课。他后来说，叶企孙「对我的教学、科研都有很深的影响」。

「好，我考虑一下」

1927 年，他靠自筹的经费去了加州理工，行前与郑毓英成婚。通过预试后，中华教育文化基金会每年补助他一千美元，日子才宽松一些。

导师是密立根。密立根起初给他的是一个光学干涉仪的题目，后来换成测量硬伽马射线穿过物质时的吸收系数，说：「这个题目你考虑一下。」赵忠尧自称「过分老实」，觉得测吸收系数还嫌简单，竟真的回了一句「好，我考虑一下」。密立根当场发了火：「这个题目很有意思，相当重要……你要是不做，告诉我就是了，不必再考虑。」他连忙接下。

这件事密立根一直记着。论文评议时，他在教授们面前拿它说笑：「这个人不知天高地厚，我那时给他这个题目，他还说要考虑考虑。」满座善意地大笑——论文他们是满意的。

题目本身是当时的热门。1929 年克莱因与仁科芳雄刚从狄拉克的相对论电子理论算出光子被电子散射的公式；伽马射线穿过物质时损失的强度，一般认为几乎全来自这种散射。要检验这个公式，就得有能量足够高、又足够单一的伽马射线——赵忠尧用的是钍 C″ 的 2.6 MeV 谱线，在两米外用密立根的宇宙线验电器计数，后来换成霍夫曼式真空静电计连电离室。

铅多吃掉的四成

结果是：水和铝的吸收系数与克莱因-仁科公式吻合在几个百分点内；到了铅，理论值 0.338，他测得 0.478，多出约四成。

1929 年底他把论文写好交上去，密立根不信，稿子压了两三个月。多亏替密立根代管研究生的鲍文（I. S. Bowen）从仪器设计到数据分析都清楚，去向密立根担保结果可靠，论文才在 1930 年 5 月送出，刊在《美国科学院院刊》上。

论文最后给了三种可能的解释：原子核里的电子参与了散射（这是密立根的想法），被紧束缚的电子散射得更多，或者还有一点光电吸收。三种里没有一种是新粒子。这不是赵忠尧的疏忽——那时候除了狄拉克方程里一个没人当真的「空穴」，谁也没想到光子能变成物质。

0.5 MeV 从哪里来

吸收多了，多出来的能量去了哪里？1930 年春天，他开始第二个实验：把铝块和铅块放在伽马射线的路径上，用 20 个大气压的高压电离室在各个角度测散射出来的辐射。静电计的指针一直不稳，最后他在焊接处滴了一点导电的碳黑墨水，指针立刻灵了起来。这个实验一直忙到九月。

铝和预期一样。铅却多出一种辐射：

• 它几乎向各个方向均匀地发出，从 35° 到 135° 强度相差无几；
• 在朝后的方向最清楚，135° 处它产生的电离电流是正常散射的三倍；
• 从吸收曲线反推，它的波长约 22.5 X 单位，折合约 0.55 MeV。

后一条最要紧。如果是核外电子把射线散射过来，散射角越大，光子越软，135° 处应该只剩 0.27 MeV 左右；他测到的却硬得多，而且不随角度变。赵忠尧据此在《物理评论》上下了结论：

相当明显，重元素（至少是铅）对硬伽马射线的额外吸收与反常散射，都起源于原子核。

结论错了，数据却准得惊人：电子的静能是 0.511 MeV，一个正电子和一个电子湮灭，正好放出两个这样的光子，方向与入射线毫无关系。他测到的就是湮灭辐射。

隔壁屋子里的云室

那几年，卡尔·安德森也在密立根门下读博，做的是云室里光电子的分布。按安德森后来的说法，赵忠尧「就在我隔壁的屋子里工作」，赵的结果引起了他很大的兴趣。

1979 年加州理工的口述史里，安德森说得更具体：他当时去找密立根，想多留一年，用云室做赵在做的那类伽马射线实验，而且「我相当确定，如果那样做了，正电子会比实际更早被发现」。密立根没答应，让他改用云室测宇宙线。1932 年，安德森在宇宙线照片里拍到了那条弯错方向的径迹。

所以「安德森在赵的实验基础上发现了正电子」这种流行说法，并不符合安德森本人的叙述。赵忠尧自己的回忆更克制：安德森对结果很感兴趣，「我们也曾谈起，应当在云室中做一做这个实验，可惜后来这个想法未能实现。」

三组人，三种结果

赵忠尧不是唯一测到反常的人。几乎同一个月，剑桥的塔兰特和柏林的迈特纳与胡普费尔德也发表了硬伽马射线在重元素里的反常吸收；西方文献至今常把这个效应叫作「迈特纳-胡普费尔德效应」。

但三组的数据彼此对不上。据杨振宁与李炳安 1989 年的考证，塔兰特的吸收系数随原子序数变化不规则，迈特纳的数据里有一处「跳跃」，赵的最平滑；散射那一侧，迈特纳与胡普费尔德 1931 年根本没找到额外辐射，格雷与塔兰特 1932 年在约 0.47 MeV 处找到了，却同时报了一个并不存在的 0.92 MeV 分量。到 1934 年还有人总结说，这几组「得出了互相矛盾的结果」。

1933 年，布莱克特与奥恰里尼在云室里看到正负电子成对出现，第一次把这一切对上了狄拉克的理论。他们在论文里用一个脚注把三组散射实验并列，赵的名字就此只剩下一个脚注。

「发现湮灭辐射」该记在谁名下，史学界至今没有定论：有人认为发现必须连同正确的解释，于是归给 1933 年明确称之为「复合辐射」的后来者。但没有人否认，最早把这种 0.5 MeV 辐射测出来的是赵忠尧。

诺奖这件事

1936 年诺贝尔物理学奖一半授给了安德森。国内长期流传一种说法：赵忠尧本应分享这个奖，只因别人重复不出他的结果才被埋没。李政道 2002 年在赵忠尧百年诞辰纪念会上说：「赵老师本来应该是第一个获诺贝尔物理学奖的中国人，只是由于当时别人的错误把赵老师的光荣埋没了。」

史学上能查到的事实是另一面。科学史学者曹聪 2004 年查阅了诺贝尔奖 1901–1937 年的提名档案，并经前诺贝尔物理奖委员会主席埃克斯朋亲自澄清：安德森 1934、1935、1936 年连续被推荐，赵忠尧从未进入提名名单。据研究诺奖史的弗里德曼分析，除非安德森的论文提到赵、或者密立根提名他，委员会不可能了解他的工作——而一向为本校学生奔走的密立根没有推荐他。

这两种说法并不完全矛盾：一个人可以做出配得上奖的工作，却从没被人放上那张桌子。

西南联大与肥皂

1931 年他先后在德国和剑桥卡文迪许实验室工作了一段时间。九一八事变的消息传来，他决心尽快回国，年底回到清华当教授，一度任系主任，在国内第一次开设核物理课程，建起中国第一个核物理实验室。1933 年寄给卢瑟福的那封信，就出自这间实验室。

抗战开始后，他在西南联大前后八年。物价飞涨，教授们都得想办法挣钱，他自制肥皂出售，才勉强维持一家生活；警报一响，就把书夹在自行车后座去找防空洞。那几年他教过一个大一学生杨振宁；1944 年杨振宁的研究生考试，也是他向教务长申请、并出任考试委员的。

更早在清华时，他还和叶企孙、施汝为等人集资办过一家「长城铅笔厂」——这个牌子五十年代改名「中华」。

巢鸭监狱的两个月

1946 年，他作为中央研究院推荐的科学家代表，去太平洋观察美国在比基尼环礁的原子弹试验。总干事萨本栋另外筹了五万美元，托他买核物理器材。

五万美元买不起一台加速器——一台 200 万电子伏的成品要四十万美元以上。他只好自己设计，只买国内造不出的部件，在麻省理工、卡内基地磁研究所、加州理工几处实验室之间奔走，一边做研究一边攒零件。1950 年 8 月底，他登上「威尔逊总统号」回国，三十多箱器材早已被联邦调查局开箱，扣下了四套完整的核电子学线路。

船到横滨，他和另两位加州理工的中国学者被美军带走，关进巢鸭监狱，笔记本被抄，台湾方面的人来劝他改去台湾。他在狱中学起了日文。两个月后，在国内与国际科学界同行的声援下获释，经香港于 11 月底回到大陆。

两台加速器

带回来的部件没有白费。1955 年，中国第一台质子静电加速器（700 keV）在中国科学院近代物理研究所装配完成，主要用的就是那几十箱东西；1958 年，更高能的第二台高气压型静电加速器也建成了。同年他创办中国科学技术大学的原子核物理和原子核工程系并任系主任，后来许多做核物理与高能物理的人出自这个系。

文革中他以「特嫌」被隔离审查。1973 年起任高能物理研究所副所长，到 1984 年。1995 年他获何梁何利奖，把奖金全数捐出，设立了赵忠尧奖学金。1998 年 5 月 28 日在北京去世。

晚年回顾一生，他写道：「回想自己一生，经历过许多坎坷，唯一希望的就是祖国繁荣昌盛，科学发达。」