撰文 | 郑志鹏 蒙巍

 

张文裕（1910年-1992年）

 

今年1月9日是张文裕先生诞辰110周年纪念日，特写此文怀念这位杰出的实验物理学家、中国高能实验物理的创始人、中科院高能物理研究所首任所长。

 

本文将介绍他不平凡的一生，讲述他载入科学史册的成果：火花室探测器的发明、μ子原子的发现等杰出成就，以及他对中国高能物理发展的开拓性贡献。几十年过去，中国在高能物理领域已经取得了许多世界一流的成果，在国际高能物理界享有一席之地，而今又走到了发展中的关键时刻。科学探索的前路无止境，而令人欣慰的是，张文裕先生等老一辈科学家立志发展中国高能物理的精神，不曾离去，不会离去。

 

1 从惠安寒门学子到剑桥大学博士

 

“生活清苦没什么，重要的是有所追求；人间的冷眼也没什么，关键在于要有志气。”——引自张文裕自述

 

1910年1月9日，张文裕出生在福建省惠安县一个贫苦农民家庭，兄弟姐妹八人，他排行老四，从小聪明好学。家中生活全靠种田维持，境况艰难，只有他一个孩子被送去读书。1923年，张文裕小学毕业后考上了泉州培元中学。交不起学费，他就靠勤工俭学，一面当小学兼课教师，一面继续中学学业。

 

1927年秋，中学尚未毕业，他怀揣中学校长许锡安写给燕京大学物理系主任谢玉铭教授的推荐信，只身一人辗转来到北京。当时，燕京大学的考期已过，但是惜才的谢玉铭教授还是为他争取了补考的机会。由于成绩优秀，张文裕被燕京大学物理系破格录取。在读期间，为了筹措学费和生活费，他不得不利用业余时间到处打工，替教师改过试卷，替人补过课，甚至当过农场小工。艰苦紧张的生活磨练了他奋发图强的意志，却丝毫没有影响他学习的志趣，更没有影响他的学习成绩。1931年，他以优异成绩毕业后留校任助教。在任助教时，他攻读研究生课程，用两年的时间获得了硕士学位。

 

燕京大学是一所著名的大学，有很强的教师队伍，众多著名学者、教授在校任教，如谢玉铭、杨盖卿、孟昭英、诸圣麟、威廉曼、安得逊等，同时又有优良的校风。在物理教学中，燕京大学十分强调实验的重要性，重视实验课。课上有老师辅导，对实验报告要求严格。这对青年张文裕产生了深远影响。还有一个对他影响极大的人，是他的恩师谢玉铭教授。张文裕后来回忆说：“没有谢玉铭老师的关心，恐怕不会有我的今天。”

 

 

1934年，张文裕考取第三届英庚款留学生，到英国剑桥大学留学，在卡文迪许实验室攻读博士，师从著名物理学家卢瑟福。他的研究课题是用α粒子轰击铝、镁等轻元素，研究所形成的放射性同位素的产额与α粒子能量的关系，由此来研究原子核结构。张文裕的实验显示原子核不是一个点，而有大小，不是刚性，是柔软的结构。实验数据验证了之前玻尔提出的原子核液滴模型。他的另一项研究工作是利用高压倍加器产生的γ射线和快中子轰击不同的原子核，观察引起的原子核反应。这一实验在(γ, n) (γ,2n) 以及16O(n, p)16N等核反应研究领域做出开拓性工作，具有里程碑意义。

 

 

1937年，抗日战争全面爆发。张文裕看到有关报道后，决心回国参加抗日。他写信给“英庚款”董事会申请提前回国，并向剑桥大学研究生院申请提前考试。

 

1938年11月，获得博士学位的张文裕立即结束了四年的留英生涯，抱着参加抗日救亡的强烈愿望回国。他先在四川大学逗留了一年，后转到西南联大任教。在西南联大，他开设了“天然放射性和原子核物理”的课程，对象主要是助教和研究生，其中包括杨振宁、唐敖庆、虞福春、梅镇岳等。由于课程内容前沿新颖，深受听课者的欢迎。在教课的同时，他还坚持在十分艰苦的条件下开展科研工作。最初，他和赵忠尧想制作一台静电加速器，但因设备基础太差，不得不半途而废。他只好自制盖革计数管进行宇宙线强度与天顶角的关系以及β衰变的禁戒跃迁的衰变规律研究。

 

2 火花室与张原子

 

“为了科学，我经历了人间的种种苦楚；正是科学，使我尝到了无穷的乐趣。”——引自张文裕自述

 

1943年，张文裕应美国普林斯顿大学的邀请，赴美从事核物理研究和教学工作。科研工作是在该校的帕尔摩（PaImer）实验室（后改名亨利实验室）进行，直至1949年。

 

留美期间的张文裕

 

在这七年时间里，张文裕做了许多开创性的研究工作，因其中两项重要工作：一项发明、一项发现，而闻名于世，载入物理学史册。

 

这项发明是从他与合作者罗森布鲁姆（S. Rosenblum）合作开始的。他们建立了一台α粒子能谱仪，用以测量几种放射性元素放射的α粒子能谱。为了更好地记录α粒子的径迹，他们经过多次实验，最终发明了一种新型的粒子探测器——火花室。火花室由若干根金属丝组成，室里充有特殊气体，金属丝加有高压，当带电的α粒子穿过时就会引起放电，产生火花，故得名。这些肉眼可见的火花给出了α粒子穿过的径迹。这个新的探测器为他们的实验工作立下了汗马功劳，让他们首次系统测量了α射线的能谱和了解其衰变机制。

 

 

正因为这种新型探测器具有直观、耐用、高位置分辨率、信号可用电子学读出、易于处理等优点，他们关于这种探测器的论文一经发表立即引起了高能物理界的重视，相继在一些实验中建造和使用这种火花室探测器，并取得了良好效果。很快，这种探测器便成为高能物理实验广泛使用的探测器之一。

 

为了纪念了张文裕的发明，有人就以“张室”来称呼这种火花室探测器。几十年来，这种探测器为高能物理的发展做出了重要贡献，成为当代高能物理实验最常用计数器的鼻祖，为后来广泛使用的计数器探测器开辟了一条全新的道路。

 

1988年，莱德曼和斯坦伯格等人因首次证实了轻子的二重态结构的实验而获诺贝尔物理奖，该实验就是使用火花室探测器进行的，火花室探测器使他们成功地区分开电子中微子和μ中微子。

 

另一项著名工作是张文裕发现了一种原子的新形态——μ子原子，即一种称为μ子的粒子和原子核组成的原子。这项发现是在他自制的金属箔云室上进行的。他对宇宙线中的μ粒子进行了仔细研究后，发现它不与原子核发生作用，不是原先人们想象的那样属于强相互作用粒子——介子。虽当时称μ子为μ介子，但它不属于强作用粒子，而是属于一种新粒子——轻子 (后来真正的π介子也在宇宙线中被找到) 。为了进一步研究μ子的性质，他使用一米厚的铅慢化μ子的速度，使其最终停止在金属箔中，在云室中观察到：带负电的μ子被物质吸收后会放出能量为1-5MeV的γ射线，在金属箔中产生电子或正负电子对，其发射方向指向μ子停止的地方。经过反复实验和研究，确认了这是带负电的μ子停止在金属箔后被原子核俘获，形成原子。由于原子轨道能级跃迁产生γ辐射，这是新原子形态的证据。1949年，他将这一发现以两篇论文《停止负μ介子产生低能γ射线的证据》和《利用云室研究铅箔，铁箔和铝箔对μ介子的吸收》先后发表在《物理评论》和《现代物理评论》杂志上。以后许多实验都与张文裕的实验结果一致，确认了这一发现。于是人们就把这种μ子原子轨道跃迁产生的辐射称为“张辐射”，把这种新型原子称为“张原子”。

 

过去人们只知道电子围绕原子核转动形成原子，张文裕的实验发现μ子围绕原子核转动也可以形成原子，突破了卢瑟福-玻尔的原子模型，是一个重大的发现。而后粒子物理学家发现μ子与电子性质极其相似，都归为轻子类 (以后发现的τ粒子也属此类) 。

 

由于μ子比电子重207倍，因而其轨道只有电子轨道的207分之一，更接近原子核，因此用μ子作探针究核结构，成为更准确的手段。以此为契机，开辟了一个称之为μ子物理的新领域。毫无疑问，张文裕是这一领域的开拓者。后来，物理学家在此领域上做了大量深入细致的工作，将μ子物理发展为一门新的学科——μ子物理学。

 

1977年，物理学家、诺贝尔物理学奖得主休斯 (V. W. Hughes) 和物理学家吴健雄合著《μ子物理》一书，系统总结了μ子物理的成果，开篇就讲到“张文裕于1949年研究停止在云室金属箔中的宙线μ子时发现了μ子原子”，“他是观察到μ子原子产生γ射线的第一人”，充分肯定了张文裕的开创性工作。

 

1949年，张文裕依依不舍地离开普林斯顿转到普渡大学任职。在这里除了教学，他仍继续进行μ子原子的深入研究工作。此外，他还进行宇宙线的贯穿簇射及Λ°粒子的产生、衰变、寿命等性质的系统研究，获得了许多前沿的成果。

 

3 回到新中国

 

“我是知道中国贫穷落后才回国的。”——引自张文裕自述

 

1949年，新中国成立，张文裕得知消息，无比兴奋，很想回国为新中国的科学发展尽微薄之力。因夫人王承书临近分娩不能成行而深感遗憾。他联合旅美爱国学者积极筹备“全美中国科学家协会”，后被选为该学会的执行主席。这些引起了美国联邦调查局的注意，并开始对他的活动进行限制，对他回国的申请加以阻挠。他几次申请回国都未能成功。此时有人劝他加入美国国籍，他断然拒绝。台湾方面也派人来游说，他不为所动。他和夫人王承书返回祖国的决心没有改变。最终在中国政府的交涉及世界舆论的压力下，美国才不得不同意放行。

 

1956年6月，张文裕夫妇带着六岁的儿子登上了开往香港的克利夫兰总统号邮轮。同船的还有郭永怀和夫人李佩。据李佩回忆，在邮轮启航前，几名联邦调查局的人来势汹汹，上船翻查张文裕夫妇的行李。结果一无所获，悻悻而去。其实张文裕早有准备，行前已将重要科研资料寄到国内。

 

1956年10月，张文裕一家冲破重重阻碍回到了祖国的怀抱。当他踏上祖国的土地，感慨万千，看到国内发生的变化，更使他激动不已。他感到科技人员的精神面貌变了，科学研究规模以及发展科学的决心使他动容。

 

 

回国后，张文裕在中国科学院近代物理研究所任研究员、宇宙线室主任，领导宇宙线研究。此时已在云南落雪山建有小云室宇宙线观测站，他提出在云南高山站增建一套当时国际上规模最大的大型云室 (包括磁云室和多板云室) 的建议。所里同意他的建议，并于1958年开工建设大云室，张文裕负责大云室的设计和建造。当时大云室所需大面积平面玻璃国内没有，必须从法国进口。可一时拿不到外汇指标，张文裕就用自己积攒的美元来购买。大云室组建成后，实验上选择了超高能广延簇射事例，观察到一个可能的大质量带电粒子事例，并开展了一系列宇宙线课题研究，获得了奇异粒子性质和高能核作用等成果，培养了我国第一代宇宙线研究人才。

 

1961年到1964年，受我国政府委托，张文裕接替王淦昌担任苏联杜布纳联合核子研究所中国组组长，并领导一个联合研究组。研究内容包括高能中子在丙烷泡室中产生的各种基本粒子的产生截面、衰变和寿命，以及与其他粒子的相互作用等。他们把当时已知的重子共振态归纳成核子激发态和超子激发态，提出了一个重子能级跃迁图，并对Λ°超子和核子散射过程进行了研究。当时这一类事例的数据很少，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°和质子弹性散射的总截面和角分布。这些成果都处于国际高能物理实验前沿水平。

 

 

4 大力倡导我国发展高能物理研究，建造高能加速器

 

“我尝尽了由于自己国家科学不发达，而到处受人歧视的苦头。正因为希望扭转科技界人心长期向外的现象，我才为发展我国的高能物理事业到处奔走。”——引自张文裕自述

 

自1964年由苏联回国后，张文裕孜孜以求的就是要建立我国的高能物理实验基地，培养和形成我国的高能物理研究队伍。1972年9月初，张文裕与朱洪元、谢家麟等18位科学家写信给周恩来总理，反映自1956年起我国高能物理工作五起五落，发展方针一直未定，“高能物理实验几乎是一片空白”的现状，提出必须发展高能物理以及建造高能加速器，以改变中国在此领域的落后面貌。建议抓紧开展高能加速器的预制研究，并成立高能物理研究所。

 

不到两个星期，周总理亲笔给张文裕先生、朱光亚先生写了回信，指示“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”。

 

 

遵照周总理指示，高能物理研究由二机部划归中国科学院主管。同年年底，中国科学院召开了香山会议，就高能加速器的规划作了初步探讨，并于1973 年2月正式宣布，以原子能研究所一部为基础成立高能物理研究所，张文裕先生为第一任所长，直至1984年卸任。

 

在此期间他领导开展了我国高能物理实验基地建设方案的论证，广泛听取国内外专家学者的意见，如实向上级部门反映。由于高能加速器花钱多，遭到国内外一些人的反对，可他仍然耐心说服不同观点的人，向各级领导说明高能实验基地的重要性和必要性。经过反复的论证和几经周折，中国高能物理界逐渐有了共识，认为2×2.2GeV正负电子对撞机的方案是一个理想方案。该方案在李政道先生的推动下，得到了邓小平同志的支持，最终在1983年获得国家批准。

 

他常对同事们说：“过去是因为在国内没有条件搞科学研究，我才到处流浪。作为一个中国人，我尝尽了由于自己国家科学不发达，而到处受人歧视的苦头。正因为希望扭转科技界人心长期向外的现象，我才为发展我国的高能物理事业到处奔走。”这正是张文裕先生回国二十多年来呕心沥血、坚持不懈推动发展我国高能物理事业的初心。

 

1984年的国庆节前，也是北京正负电子对撞机（BEPC）即将开工建设的前夕，他撰文《我国高能物理三十五年的回顾》，总结了几点经验：

 

1. 任何事情，如只“谈”不“动”，就不会有进展。三十五年来，高能加速器和实验的进展主要是在后十年。前二十五年基本上进展不大，原因就在于光“纸上谈兵”，由于种种原因而没能开展实际工作。事实上，只要动手干，就会有成绩，队伍也会不断成长和壮大。

 

2. 我国现有的高能队伍已是一支具有一定经验的物理和技术力量，他们是能够胜任目前正负电子对撞机和北京探测器的研制建造任务的。问题在于必须很好地用改革精神加强组织管理工作，充分调动他们的积极性，发挥他们的潜力。

 

3. 高能物理是门综合性的基础学科。表面上看，似乎与国民经济发展关系不大。但长远来看，可能会在重大的应用方面有所突破，即使是目前已有的技术，如加速器、探测器、电子学等技术和工艺已有很多方面可实际应用于为国民经济服务中。因此，发展高能物理所采用的先进技术，一定会对我国实现“四个现代化”起到应有的作用。

 

4. 现代高能物理实验大多采用高、精、尖的技术和工艺，是一项庞大的精密工程。这就需要有一定的时间来打基础，不能急于求成。在经费考虑上应千方百计用少花钱的办法来办高能。现在看来，目前的高能计划(在国内建造和使用质子直线加速器和正负电子对撞机及同步辐射设备)是比较符合实际的，它把高能物理与实际应用密切结合起来。此外，再在国外参加一些力所能及的合作，使不脱离国际前沿的发展。这样，干部逐步培养出来，物质基础也逐步建立起来，等到以后国家经济力量雄厚时，步伐就可以再大些。

 

张文裕先生从自身经历总结出的以上几点看法深刻、有前瞻性，对中国高能物理事业的发展具有指导意义。

 

1984年10月，邓小平等党和国家领导人亲自为北京正负电子对撞机工程奠基。在奠基典礼上张文裕先生欣喜地对邓小平同志说：“我多年的愿望终于实现了”。

 

 

那之后，作为名誉所长的张文裕先生始终关心着高能所的发展，还多次坐着轮椅到加速器隧道了解工程进展。1988年10月，对撞机建成后投入高能物理实验运行。张文裕先生听到消息，无比兴奋。他说，“后半辈子回到中国，只做了一件事，建造中国自己的加速器，建立中国自己的粒子物理实验基地”。

 

 

对于我国高能加速器与高能物理研究的发展，北京正负电子对撞机所起的作用至关重要。30 年来，我国高能物理实验领域以此为起点，从无到有，取得了令世界瞩目的进展，并且开拓了中微子研究领域，在高海拔和空间宇宙线实验、暗物质探测、X 射线天体物理研究等方面也取得了长足的进步。同时，我国的同步辐射和散裂中子源装置的建设和应用也从无到有，逐步走到世界前列。

 

5 对教育事业的贡献

 

“一个国家科学不发达就要落后，全民族的素质不提高不行，没有很好的教育，科学事业就会后继无人。”——引自张文裕自述

 

张文裕回国后科研任务十分繁忙，但他始终未忘他热爱的教育事业。1958年，中国科学技术大学成立，他受该校原子核物理与工程系(后改称近代物理系)主任赵忠尧之邀担任兼职教授，讲授普通物理。他深知培养学生要从基础抓起，毫不犹豫地担当起这门基础物理的教学。笔者之一(郑志鹏)当年有幸成为他的学生，聆听他精彩的讲课。他曾先后在四川大学、西南联大、普林斯顿大学、普渡大学任教，经验丰富，擅于将一些深奥难懂的概念用简明的语言，以举例的方式说清楚。他教学严谨，备课认真，物理概念交待清晰，强调理论与实验结合的重要性，讲课中经常用一些典型的例子说明理论与实验相互依赖的关系。他常说的一个比喻是理论与实验是科学研究的两个轮子，缺一不可。他重视理论，说没有爱因斯坦的相对论就没有现代科学。但同时他又强调实验也同样重要，他说一个再好的理论也必须要有实验的证实。实验是科学的基础之一。作为一个实验物理学家，他时常批评那些重理论轻实验的作法。

 

他知识渊博，经历丰富，思想开阔，深谙东西方文化，因而课堂上同学们不但学习到物理规律，而且学习到如何认识规律的本质，以及从发现这些规律的过程得到的启示，并从中得出创新是科学的灵魂的结论。当讲到卢瑟福通过对原子核的散射而证实原子核存在时，他强调卢瑟福创新思想的可贵，接着又讲到实验安排之巧妙。最后还讲一些他的这位导师的轶闻趣事，使课堂气氛变得十分活跃。他讲授的普通物理，不但传授了知识，而且还讲述科学研究的方法，这一点对刚入学的大学生影响很大。

 

到了大学三年级，张文裕开设了“粒子物理”的专业课。他讲了粒子物理的基本知识，如粒子的分类，几种相互作用力等，内容系统、全面。他还讲到当时高能物理的前沿课题，例如讲到高能宇宙线产生大气簇射的机制和探测方法时，吸引了同学们极大的兴趣。他精彩的讲课激发了部分同学毕业后从事高能物理的决心。到了1970年代后期，张文裕担任中国科技大学近代物理系主任，继续为教学育人服务。他在中国科学技术大学的这段时间为我国培养了一大批人才，他们后来成为国家在高能物理、核物理领域的骨干。他们中有院士、专家，为中国科学发展做出了贡献。

 

笔者郑志鹏大学毕业后分配在中科院原子能所工作，在赵忠尧、叶铭汉先生指导下从事原子核反应的研究。因为与张文裕先生同在一个研究所，遇到粒子物理有关的问题就常向他请教，每次都得到热情、详尽的解答和指导。1973年，原子能所一分部改为高能物理研究所，郑志鹏很希望多学习些高能物理方面的知识，于是就求教于张文裕先生。张文裕很快就给了郑志鹏一个有关粒子物理入门教科书(英文版)的书单，并告之：其中有的书在图书馆有，你可借阅，如你想了解国际高能物理发展动向，则可到图书馆查阅相关资料，并且说，如有时间他愿和郑志鹏一起到图书馆看看。郑志鹏当然求之不得，约好了时间一起到了所图书馆。他先帮郑志鹏查阅找到两本入门教科书，又和郑志鹏一起到资料室查阅期刊。他告诉郑志鹏如何查阅到美国费米、斯坦福直线加速器中心、布鲁克海文等国家实验室及欧洲核子研究中心的年报。他说：看了这些年报，你就可大致了解国际高能物理的现状了。这次图书馆之行使郑志鹏受益匪浅，是一次对郑志鹏进入高能物理之门的引导。

 

1977年底，研究所决定派六人到丁肇中那里工作、学习，郑志鹏幸运地成为其中一员。临行前到张文裕先生办公室辞行，他勉励郑志鹏：“这是个很好的机会，要抓紧学。学好本领建设自己的高能基地。”郑志鹏学成回国后，在一次会议后见到他，他热情跟郑志鹏打招呼，并说：“丁肇中对你们的工作很满意，你们很好地完成任务，现在国内的高能建设任务等着你们呢。”从丁肇中先生那里回来的几位科研人员很快就投入到北京正负电子对撞机的建设，在建造北京谱仪的过程中，在丁肇中先生那里学到的知识和经验派上了用场。他们十分敬佩张文裕先生的远见卓识，两年前就派一批年轻人到美国、欧洲、日本培养训练，现在成为国内高能建设的骨干。

 

张文裕先生对年轻人才的关怀和培养是一贯的，他认为高能物理是一门大科学，需要几代人的努力。因此一直以来就把年轻人才的培养作为研究所的重要任务。他身体力行，不顾工作繁忙，亲自给科大学生讲课，还给所里的年轻人讲高能物理的前沿问题，开阔他们的视野。最近整理资料时发现一份他报告用的讲义以及他给印讲义的工作人员留的字条。翻阅那一张张精心写就的讲义和工整的笔迹，张文裕先生对年轻人培养的权权之心跃然于纸上。

张文裕先生亲自编写的讲义及他写给印制人员的字条

 

6 推动中国高能物理走向世界

 

“只要中国有了自己的设备，经过几代人的努力，中国人肯定会做得比外国人好。”——引自张文裕自述

 

张文裕先生多年在国际一流实验室从事科学研究，他在科学上的成就赢得国际高能物理界的尊敬，并结识了多位国际上知名的物理学家。1973年，高能所成立后，他率领中国高能物理代表团出访美国、西欧。在经历了文革，中国与国际科学界中断交流多年之后，他见到了多位当年的老同事老朋友，并和他们恢复了联系。经张文裕先生邀请，美籍华裔物理学家李政道、杨振宁、丁肇中、吴健雄、袁家骝、邓昌黎、黄克孙等都先后回国访问和讲学。自此，高能所在我国科技界率先迈开了走向世界的步伐。

 

 

到改革开放之初，高能所已与国际上各高能物理及高能加速器实验室和有关大学建立起密切的学术交流与合作关系，如美国的费米实验室、斯坦福直线加速器中心、布鲁克海文实验室、阿贡实验室、劳伦斯伯克利实验室以及麻省理工学院、哥伦比亚大学、欧洲核子研究中心、德意志同步加速器中心、卢瑟福实验室、日本的高能加速器机构、东京大学宇宙线研究所等。经张文裕先生联系和推荐，仅1978年到1981年四年中，高能所就派出了420余人次出国进修学习、考察和工作。高能所参加了一系列国际高能物理前沿的大型高能物理实验，如丁肇中先生领导的MARK-J组、L3组，欧洲核子研究中心斯坦伯格教授领导的ALEPH组，美国费米实验室的莫玮小组，日本ICRR的宇宙线合作等。

 

1979年，邓小平同志访美，由方毅副总理代表国家科委与美国能源部签订了“在高能物理领域进行合作的执行协议”。这是中美科技合作的第一个执行协议，并成立了中美高能物理联合委员会，张文裕先生担任了第一、二届中美高能物理合作委员会中方主席。

 

 

广泛而有成效的合作交流不仅加速了人才培养和我国高能物理实验基地建设，推动了国内相关领域的研究和高技术的发展，而且扩大了我国在国际高能物理界的影响。

 

在张文裕先生诞辰110周年之际，我们回顾这位老一辈科学家走过的道路，不仅从他的学问和贡献，也从他的学风、事业心和历史责任感中受到教益。向他学习，继承、发展中国高能物理事业，是对张文裕先生诞辰110周年最好的纪念。

 

本文经授权转载自微信公众号“中科院之声”，来源于中国科学院高能物理研究所。