鲁道夫·穆斯堡尔

1957 年前后，一个还没拿到博士学位的慕尼黑年轻人，把一块铱冷到液态空气的温度，发现它吸收伽马射线的本领不降反升。按当时所有人的理解，这不该发生。

鲁道夫·穆斯堡尔顺着这个反常找到了原因：嵌在晶格里的原子核放出或吸收光子时，可以不自己后退，而让整块晶体去承担反冲。这样放出的伽马射线，谱线窄到相对宽度只有 $10^{-13}$ 量级，是人类手里最精细的一把能量尺。三年后他拿到诺贝尔奖，时年 32 岁。

慕尼黑的学徒

穆斯堡尔 1929 年生于慕尼黑，中学毕业后先在工业实验室干了一年，1949 年才进慕尼黑工业大学读物理。

1953 年，他的老师海因茨·迈尔-莱布尼茨让他去看一个刚热起来的小方向：原子核的共振荧光。八年后他在诺贝尔演讲里专门停下来感谢这位老师——是迈尔-莱布尼茨把他引进这一行，又替他安排到海德堡的马克斯·普朗克医学研究所，在「一种不受打扰、富有成果的氛围里」做了三年实验。那家研究所不属于大学，不能授学位，他的博士考试仍回慕尼黑，导师名义上还是迈尔-莱布尼茨。

一条被反冲吃掉的谱线

原子的共振荧光早就是教科书内容：钠灯发出的黄光，照到钠蒸气上会被吸收再发出来。1929 年就有人设想，原子核也该有同样的事——放射源里的核放出伽马光子，被吸收体里同类的核吸收。

可是二十多年里谁也没看到。原因是反冲：

$$E_R = \frac{E_\gamma^2}{2Mc^2}$$

光子带走动量，核就得往回退，退走的动能从光子能量里扣。对原子里的可见光，这点反冲微不足道；对上百千电子伏的伽马光子，它比谱线本身宽出上万倍。发射线往低能偏一个 $E_R$，吸收线往高能偏一个 $E_R$，两条线错开，共振就没了。

五十年代的办法都是用多普勒效应去补：把源加热让谱线变宽，或者把源装在高速转子上往吸收体冲，硬把能量补回来。

冷下来，反而更强

穆斯堡尔的博士课题本来只是用这类办法测铱-191 一条 129 千电子伏谱线的激发态寿命。这条线的反冲偏移不大，室温下两条线已经有不少重叠，所以升温降温都能改变吸收量。他选了降温，理由是低温下化学键的影响也许更容易显出来。

结果不对劲。源与吸收体一起用液态空气冷却，数据怎么也解释不通。他先怪到吸收体头上，于是只冷源、吸收体留在室温，在「需要极其稳定的仪器、极其乏味」的测量里得到了预期中那一点点吸收下降，算出了寿命。

然后他回头追查那个副作用。这一次结果「惊人」：冷却吸收体时，吸收不是减弱，而是明显增强。

兰姆的旧理论

他开始逐条审查理论的前提，最后在一篇二十年前的论文里找到了钥匙。1939 年，兰姆研究过晶体里的原子核俘获慢中子：核被晶格锁住，一部分俘获可以让晶格的振动状态完全不变，动量由整块晶体接走，而晶体重得几乎不拿能量。穆斯堡尔在演讲里称那是「一篇非常美的工作」，只是兰姆当年假设的中子线宽比后来实测的窄得多，在原本的用途上没派上用场。

穆斯堡尔把它搬到伽马射线上。算出来，在他的实验条件下，有相当大一部分跃迁是「无反冲」的：光子拿走全部跃迁能量，发射线和吸收线落在同一个位置，完全重合。这部分的比例

$$f = \exp\left(-\frac{E_\gamma^2 \langle x^2 \rangle}{(\hbar c)^2}\right)$$

在温度降低时变大——冷却吸收体让吸收变强，正是这一项在起作用。

玩具店里的转台

理论还要一个直接的检验。如果无反冲的两条线真的完全重合，那么只要让源相对吸收体稍微动一动，用多普勒效应把发射线挪开一点，共振吸收就该消失。这些线比热运动展宽窄了四个数量级，需要的速度也就小四个数量级：几厘米每秒。

他把源装在一个转台上，只用转到正对吸收体、速度近乎恒定的那一段来计数。调速用的锥齿轮组迟迟做不出来，他就去了趟海德堡的玩具店。

结果正如预期：相对速度为零时吸收最大，速度往任一方向增加，吸收迅速下降。量出的线宽约 $4.6\times10^{-6}$ 电子伏，与第一轮寿命测量的结果吻合；而效应的大小从第一轮的万分之一左右跳到了百分之一。1958 年他把结果发在《自然科学》上，1959 年补上完整的理论分析。

从铱到铁

起初它并没有引起多少注意。转折在 1959 年底：两组实验者在同一期《物理评论快报》上报告，铁-57 的 14.4 千电子伏谱线在室温下就有很强的无反冲吸收，线宽只有能量的约 $3\times10^{-13}$，比铱还窄得多，而且放射源好做。

效应一下子炸开了。那条窄线能分辨出原子核能级里极细的超精细分裂，于是可以反过来读出核所在位置的磁场、电场梯度和化学环境。穆斯堡尔在演讲里说，他自己和许多实验室主要就是把它当成探针来用。

光子也有重量

最轰动的一项应用来自哈佛的罗伯特·庞德和他的研究生格伦·雷布卡。

广义相对论说，光从高处落下会变蓝，从低处升上去会变红。这是三大经典检验里最难做的一项：太阳谱线上的移动只有百万分之二，还被大气的湍动与压力展宽盖住。而在地面上，二十几米的高度差只造成 $10^{-15}$ 量级的频移。

铁-57 的无反冲谱线第一次让这件事变得可能。1960 年，庞德与雷布卡把源和吸收体分别放在哈佛杰斐逊实验室塔楼的顶上和地下室，相距 22.5 米，用扬声器线圈让源来回振动以扫描谱线，每隔几天把上下对调一次。十天的数据给出的频移与

$$\frac{\Delta \nu}{\nu} = \frac{gh}{c^2} \approx 2.5\times10^{-15}$$

相符到约百分之十。论文标题叫《光子的表观重量》。四年后，庞德与斯奈德把精度推到约百分之一。

这个实验也暴露了一个始料未及的麻烦：源和吸收体只要差一度，晶格热振动带来的二阶多普勒频移就和那 22.5 米的引力频移一样大。1960 年春天，庞德与雷布卡在实验上、剑桥的本科生约瑟夫森在理论上，先后在同一份刊物上指出了这一温度效应。

三十二岁的诺贝尔奖

1960 年，穆斯堡尔应邀去了加州理工。据他 2005 年给诺奖自传写的补注，是费曼注意到了他的工作，把他请了过去；他很快从研究员升为高级研究员，1961 年受聘为教授。

1961 年，他在帕萨迪纳的凌晨接到斯德哥尔摩的电话。那一年的物理学奖一分为二，另一半给了斯坦福的罗伯特·霍夫斯塔特，奖励他用高能电子散射量出质子与中子的大小和内部电荷分布。从博士论文到诺贝尔奖，前后不过三年。

回到慕尼黑，转向中微子

1965 年前后，他接受巴伐利亚文化部的邀请回到慕尼黑工业大学，开出的条件是物理系按他在美国见到的方式改组——不再是一位讲座教授统领一切的德国传统结构。1972 年，他去格勒诺布尔接替迈尔-莱布尼茨，当了五年劳厄-朗之万研究所所长，那里的高通量研究堆刚刚投入运行。回到慕尼黑时，他发现当年的改革已被新的法规撤销，此后常为此愤愤不平。

他的研究也离开了自己命名的效应，转向中微子：八十年代在瑞士格斯根核电站旁寻找反应堆中微子的振荡，后来参加意大利格兰萨索地下实验室的 GALLEX 太阳中微子实验，直到 1997 年退休之后仍在忙这件事。

他的效应则走得比他更远。2004 年，勇气号与机遇号火星车各带着一台小型穆斯堡尔谱仪登陆火星，机遇号在子午线高原的岩石里认出了黄钾铁矾——一种只在有水的酸性环境里形成的铁矿物。

穆斯堡尔 2011 年 9 月 14 日去世，终年 82 岁。