欧内斯特·沃尔顿

1932 年 4 月 14 日，剑桥卡文迪什实验室一台高压塔的底下，一个二十八岁的爱尔兰人钻进一间小木屋，把眼睛凑到显微镜上。荧光屏上闪起了一粒粒亮点——那是锂核被质子打碎后飞出的 α 粒子。

沃尔顿是第一个看见它的人。他和考克饶夫用人工加速的质子第一次改变了原子核，也因此在十九年后共享诺贝尔奖。但他一生的大部分时间并不在剑桥，而是在都柏林的讲台上。

牧师的儿子

沃尔顿 1903 年生在爱尔兰南海岸的邓加文，父亲是卫理公会牧师。按教会的规矩，牧师每隔几年就要换一个教区，他小时候跟着全家在爱尔兰各地搬来搬去，读过好几所走读学校。1915 年他被送到贝尔法斯特的卫理公会学院寄宿，数学和科学在班上拔尖。

1922 年他拿奖学金进了都柏林圣三一学院，同时修数学和实验科学两门荣誉课程，1926 年两科都拿了一等。1927 年他获得 1851 年博览会的研究奖学金，去了剑桥，投在卢瑟福门下。

先试间接的路

1920 年代末，人人都想要一束能量可调的快粒子，但原子核的势垒估计有几百万伏高，远超当时任何真空管能承受的电压。沃尔顿在诺贝尔演讲里说，正是这个困难，促使人们去找「不用对应高电压」的办法。

他最早试的就是这类间接办法。一种是让粒子在一串圆筒之间被交变电压反复推一把，也就是后来的直线加速器，这个想法最早由瑞典的古斯塔夫·伊辛在 1925 年提出（不是提出伊辛模型的那位恩斯特·伊辛），维德罗厄 1928 年做出了第一个演示；另一种是用变化的磁通产生环形电场，让电子一圈圈加速。沃尔顿 1929 年的论文讨论了这种轨道怎样才能稳定——十几年后，克斯特沿这条路做成了电子感应加速器。

转向直接高压

同一时期，伽莫夫的隧穿理论给出了另一条路：粒子不必翻过势垒，可以穿过去。据沃尔顿的演讲，伽莫夫 1928 年访问卡文迪什时，考克饶夫跟他讨论了「怎样把粒子送进原子核」的反问题，随后写备忘录给卢瑟福，说明能量只有 10 万电子伏的质子也有虽小但不可忽略的机会钻进轻核。既然能加速的质子数目很多，总会有一些穿过去。

1929 年……有迹象表明，原子核的蜕变终究有可能由能量相当低的粒子引起。

间接方法看起来是长期工程，沃尔顿便和考克饶夫一起转向直接高压。

倍压塔

他们起初的目标是 300 千伏，这差不多是当时 X 射线管能加上的最高电压。第一台装置用的是带两根颈管的大玻璃泡，整流管和加速管都是这种样子，最多把几微安的质子加到约 280 千伏。

实验室搬家后，他们换了一种倍压电路。沃尔顿说它改自申克尔的一个电路：电容和整流管交替串接，每半个周期把电荷往上递一级，可以得到变压器电压的任意偶数倍，中间各级还能引出稳定的抽头，正好分给多段加速管。整流管全部串成一根柱子，用一台接地的扩散泵抽真空。

他们还发现，笔直的玻璃圆筒比能买到的最大玻璃泡都更耐高压。抽真空用的是都市维克斯的伯奇刚发明的油扩散泵；接口则用橡皮泥封住，后来换成一种真空封泥——「只要把两个零件对在一起，用手指把封泥按紧，接口就不漏气了」。1931 年底，四级整流塔和两段加速管都立了起来，最高电压约 700 千伏，束流约 10 微安。

看见闪光

1932 年春天，他们把锂靶放在加速管底部，靶对面放上硫化锌荧光屏。据考克饶夫的诺贝尔演讲，几乎是立刻，在 125 千伏下，沃尔顿就看到了 α 粒子特有的明亮闪烁。

两人随后量了射程，又用两块屏、两个人各按一个电键确认 α 粒子成对飞出。锂 7 吞下一个质子，碎成两个氦核，每个带走约 8.6 MeV。沃尔顿的诺贝尔奖自传把功劳说得很具体：他们「直接负责用加速的质子使锂原子的核蜕变，并鉴定出产物是氦核」。

放出的能量与反应前后的质量差大致相符，这件事后来常被说成「验证了 $E=mc^2$」。他们在 1932 年《自然》上的原话要谨慎得多，只说与质量减少所预期的「大致相符」；详细的质量账见考克饶夫一页。

回到都柏林

1934 年，沃尔顿离开剑桥，回圣三一学院当研究员。离开前，他和考克饶夫还用质子轰击碳，得到了半衰期约 11 分钟的正电子放射性。1946 年他当上伊拉斯谟·史密斯自然与实验哲学讲座教授，1960 年当选高级研究员，1974 年退休。

都柏林的经费远不能和剑桥相比。他在这里做的研究规模很小，更大的功夫花在教学上：他以能把复杂的东西讲得简单明白出名，也主持更新了物理系的课程。1938 年他与考克饶夫共获皇家学会休斯奖章，1951 年共获诺贝尔物理学奖。

信仰与和平

沃尔顿一生是虔诚的卫理公会信徒，得奖后常在各地演讲科学与宗教的关系。据圣三一学院物理系的院史介绍，二战期间英美两国都曾邀他参加战时科研，其中包括曼哈顿计划，他出于和平主义立场都婉拒了；后来他参加了反对核军备竞赛的帕格沃什运动，担任爱尔兰分会的会长。

晚年他把诺贝尔奖章与证书赠给了圣三一学院。1995 年 6 月 25 日，他在贝尔法斯特去世，终年 91 岁。