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NMR之父: 核磁共振发明者拉比,一个犹太移民的美国梦

2019-08-01 17:12 来源于:未知
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史上最牛网导读: 核磁共振(NMR)以及核磁共振成像(MRI) ,其实发明核磁共振的正是阿文的祖师爷(严格地讲,是阿文的指导教授的指导教授的指导教授的指导教授啦)。就让阿文这个不成才的徒孙来介

核磁共振(NMR)以及核磁共振成像(MRI),其实发明核磁共振的正是阿文的祖师爷(严格地讲,是阿文的指导教授的指导教授的指导教授的指导教授啦)。就让阿文这个不成才的徒孙来介绍这位称得上传奇人物的祖师爷,伊西多·艾萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi) 给大家认识认识,阿文也顺便沾点光!

拉比在1898年7月29日出生于加利西亚地区Rymanów (当时属于奥匈帝国,今天是波兰的领土)一个虔诚的犹太人家庭。父亲大卫·拉比在他出生后不久就到美国闯天下。年幼的拉比和他的母亲则是在几个月后才与父亲在美国会合,一家人搬进了曼哈顿下东城的一所两房公寓。当时那里是一片移民、工人阶级的街区。他们一家人在1907年迁往布鲁克林区的Brownsville,并在那儿开了一家杂货店。当时大概没有人可以想像纽约市附近的犹太移民将培养出多少位诺贝尔物理奖的得主吧,而拉比正是这长长名单中的头一位!

拉比从小就显露出对科学的兴趣。他不仅去图书馆借与科学相关的书籍回家,还自己组装收音机。当时收音机可是相当新奇的东西! 根据拉比自己的回忆,他放学后他的母亲不会问: 今天学了什么,而是问他今天有没有问老师问题,问的是什么问题,拉比认为这种好奇,怀疑的精神正是他走上科学之路的主因!拉比上小学时就以电容式麦克风为题,在杂志Modern Electrics上发表。这样一个早慧的小孩在读了介绍哥白尼日心说的书籍后,居然对父母说:「一切都很简单,谁还需要上帝呢?」终其一生拉比都是无神论者。但是上帝可以不信,犹太同乡不能不招呼,他还是在自宅举办的成人礼中Bar Mitzvah用意第绪语做了有关电灯运作原理的演说。算是跟虔诚的父母的一种妥协吧。

NMR之父: 核磁共振发明者拉比,一个犹太移民的美国梦               

(图: Isidor Isaac Rabi, Wikimedia common)


拉比于1916年拿到奖学金进入康乃尔大学电子工程系,但入学不久后就转到化学系。1919年6月拉比拿到了理学士学位,但当时的学术界和化工业者都基本上不喜欢聘请犹太人,(说白点就是种族歧视啦!) 所以他也经历过一段"吾少也贱"的黯淡岁月,他曾在美国氰胺公司辖下Lederle实验室待过一阵子,还当过簿记员。经过三年不如意的时光,拉比于1922年重新拿起书本,回到康奈尔继续攻读化学博士学位。

他在1923年结识了一名从Hunter College来的Helen Newmark,(Hunter College坐落于曼哈顿上东区,是纽约市立大学系统(CUNY)中的一所四年制学院。学院建立之初为一所女子学院,也是美国第一所免费的师范学校。成立于1870年,是美国最古老的公立学校之一)他为了追求Helen而转往哥伦比亚大学,真是人不轻狂枉少年! 而且这次进的是物理系!顺便一提的是哥伦比亚大学最初于1754年以国王学院(King's College)之名,依照英国国王乔治二世颁布的王室特许状成立。它是全美历史第五悠久的高等教育机构,也是九所美国独立宣言发表前成立的殖民地学院之一。拉比还在1924年6月在纽约市立学院当助教,一边工作一边攻读博士。

拉比在哥伦比亚大学的指导教授是磁学专家Albert Potter Wills。他建议拉比把钠蒸气的磁化率当做博士论文的题目。这个题目并不合拉比的口味。当时威廉·劳伦斯·布拉格在哥伦比亚大学演讲时提到一种晶体叫『赫顿盐(Tutton's salts)』的电极化率。(布拉格1915年与其父威廉·亨利·布拉格一同获得诺贝尔物理学奖,得奖时才二十五岁!) 拉比在听完后决定研究这种晶体的磁化率,Wills也同意了,所以这就成了拉比博士论文的题目。首先需要在实验室中製造出这种晶体,之后再对晶体进行技术性切割,每个小块的切面与晶体内部结构的方向都要不同,然后再细心地测量每个小块对磁场的反应。拉比在等待晶体成长的时候,读了马克斯威尔的钜著《电磁通论》,虽然这本书相当艰深,但是拉比读了之后居然想出一种更简便的测量磁化率的新方法。他把晶体绑在一条连接于扭簧(torsion balance)的玻璃纤维上,然后把晶体沉入溶液中,溶液的磁化率可以透过两个磁极来调整。当溶液的磁化率与晶体一致时,开关磁铁也不会让晶体转动。拉比的新方法不但比以前的方法简单,而且更准确。拉比兴冲冲地在1926年7月16日将《论晶体的主磁化率》的博士论文寄到物理评论(Physical Review)。隔天就与Helen成婚。虽然这篇论文曾被拉曼的学生Kariamanickam Srinivasa Krishnan 引用,但是除此之外没有引起太大的迴响,这是因为当时的美国还不是科学研究的重镇,而Physical Review还被海森堡称为obscure journal 呢!年轻的拉比乃至于整个美国物理界都还有漫漫长路要走。

 

NMR之父: 核磁共振发明者拉比,一个犹太移民的美国梦
威廉·劳伦斯·布拉格

 

当时欧洲的物理界正值风起云涌之际,量子力学才刚建立,在美国的拉比跟其他各地的有志青年一样,都睁大双眼,等著看欧洲的各项重大新发现。(像在日本的汤川秀树与朝永振一郎当年因为苦于无人可以请教,还必须自己组读书会来读量子力学的新论文呢。)当1926年薛丁格写下他那闻名的方程式时,拉比与Ralph Kronig, Francis Bitter, Mark Zemansky等人想利用薛丁格方程式运来算对称顶分子的能阶。(Kronig比拉比小五岁,不过当时已经拿到博士而且也在欧洲转了一圈。他在两年前曾跟包立提过将电子的自旋来自电子的自转的想法,但在遭包立激烈的反对后束之高阁。Bitter专攻磁学,之前也在柏林求学过。Zemansky 当时在CUNY任教,同时在哥伦比亚念博士。) 他们的数学训练比起同时的欧洲学者稍逊一筹,一时解不开相应的二次偏微分方程式。最后拉比还是从19世纪德国数学家Carl Gustav Jacob Jacobi的著作中找到了答案。方程式解是超几何函数的形式,Kronig和拉比把他们结果整理后写成文章投稿到《物理评论》,并于1927年发表。这应该是美国第一篇应用薛丁格方程式的论文了。
 

1927年5月,拉比成为Barnard学者。奖学金从1927年9月发到1928年6月,为了到欧洲留学,拉比向纽约市立学院申请一年的休假。申请被拒绝后他二话不说马上辞职。原本他想去苏黎士大学跟薛丁格,但是薛丁格当时已经准备离开苏黎世前去柏林出任腓特烈·威廉大学的理论物理研究所所长,所以拉比改到慕尼黑大学去跟Arnold Sommerfeld。他在慕尼黑发现了Sommerfeld的门下还有两个美国学生Howard Percy "Bob" Robertson(他后来成了宇宙论学者,还曾经发现爱因斯坦重力波论文的错误而将它退稿),Edward Condon则是在核物理以及光谱学都很有成就,著名的Franck–Condon principle 就是他与James Frank 提出来的。当时Sommerfeld 门下还有Rudolf Ernst Peierls 以及Hans Bethe等人,算得上人才济济。但是拉比与其他两个美国人特别亲密,所谓人不亲土亲吧。当过留学生的人都懂!
 

拉比在指导教授Willis建议下前往Leeds出席英国科学促进会的年会,在会议中他听到海森堡的演讲。激发了他对量子物理的热情。之后他到了哥本哈根,自愿为波耳作研究。虽然波耳正在休假,但是拉比马上就开始计算氢分子的磁化率。波耳在休假回来后安排让拉比去汉堡大学接受包立的指导。
 

拉比到了汉堡后开始接受了包立的指导,还认识两名在Stern实验室中会说英语的博士后研究员Ronald Fraser和John Bradshaw Taylor,开始对他们的分子束实验产生了兴趣。当时Stern实验室正在用氢原子束取代银原子做原来的Stern-Gerlach 实验。他们的研究用的是不均匀磁场,不容易操作。拉比提出改为在散射角非零的情况下使用均匀磁场这个办法,这样做原子束就像光线通过稜镜时那样偏转。这个发法不但容易操作,而且测量结果更准确。拉比在Stern的大力支持下将这个想法付诸实行。并在Stern建议下拉比将关于这项研究结果的论文寄到《自然》期刊,并于1929年2月获发表,他还写了一篇题为《论分子束的偏转法》的论文给《Zeitschrift für Physik》,于同年4月获发表。这是拉比第一次投稿到当时德国一流的期刊,象徵著他的研究已经站上国际的舞台。
 

Barnard奖学金到期后,拉比和太太靠著洛克菲勒基金会每月182美元的津贴生活。他们离开了汉堡前去莱比锡,希望能跟著海森堡作研究。在莱比锡他结识了另一位纽约犹太同乡罗伯特·奥本海默。奥本海默之前从哥廷根大学拿到博士学位,指导教授是波恩。回到美国以后又跑来欧洲。不巧的是海森堡在1929年3月离开欧洲前往美国讲学,所以两人只好跑去苏黎世联邦理工学院(ETH)跟随刚刚离开汉堡前去ETH担任教授的包立。拉比在那里遇到不少当时物理学的领导人物包括Paul Dirac, Walter Heitler, Fritz London,, John von Neumann, John Slater, Leó Szilárd a和Eugene Wigner。这让他眼界大开,获益匪浅。有趣的是除了狄拉克其他人都是犹太人!当时的量子革命的许多要角都是犹太人。
 

此时哥伦比亚大学物理系主任George Braxton Pegram当时正在寻找一名理论物理学者负责开设新的量子力学进阶课程,海森堡推荐了拉比。所以在1929年3月拉比获得哥伦比亚大学邀请担任讲师,年薪为3,000美元。在当时算是高薪。拉比接受了这个工作,并于8月乘坐罗斯福总统号蒸气轮船,离开待了两年的欧洲,回到美国。拉比成为了当时哥伦比亚大学唯一的犹太裔教员。而奥本海默也在同时回到美国,在加州柏克莱任教。拉比在哥伦比亚大学的第一年忙于教学及照顾家庭,所以无暇从事研究,因此那年他并没有发表论文,但是在学年终结时他还是成为助理教授。随后在1937年成为了教授。
 

拉比于1931年回头从事分子束实验的研究。首先他与Gregory Breit合作写出Breit-Rabi 方程式,给出在磁场下原子核的磁偶矩与电子的磁偶极耦合下在磁场下造成的电子能阶分裂。在Victor W. Cohen的帮助下,拉比製作了哥伦比亚大学第一台分子束仪。接著他们探测钠原子核的核自旋,实验得出四条小分子束,由此推论钠的核自旋为3/2。(因为磁场会将分子束分成2s+个小分子束,s 是自旋)。拉比的分子束实验室开始吸引各方豪杰,当中包括以锂作为博士研究课题的研究生Sidney Millman。另一位则是Jerrold Zacharias,其他在分子束实验室开始物理生涯的科学家还包括Norman Ramsey, Julian Schwinger,Jerome Kellogg和Polykarp Kusch。其中Norman Ramsey, Polykarp Kusch和Julian Schwinger 后来都得了诺贝尔奖!当时Stern在汉堡的研究团队当时已经测量质子的磁偶矩,而且发现与狄拉克方程式给出的值不同,间接证明了质子不是无结构的基本粒子。氢的同位素氘在不久前才被同校的Harold Urey发现(Urey也因1931年的此项研究获得了1934年的诺贝尔化学奖)。Urey不仅提供重水和氘气给拉比的实验室。Urey还把从卡内基基金会给他的奖金的一半给了拉比,作为分子束实验室的专款呢。

1937年荷兰科学家C. J. Gorter访问了拉比的实验室,并且建议使用振盪磁场来进行实验。这个实验的原理是这样的:将原子核放在外加磁场中,如果原子核磁矩与外加磁场方向不同,原子核磁矩会绕著外磁场方向旋转,这一现象就是拉莫尔进动。原子核发生拉莫尔进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关,根据量子力学原理,原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并非任意值,而是由原子核的磁量子数决定的,原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃,这样就形成了一系列的能阶。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后,就会发生能阶跃迁,也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能阶跃迁正是获取核磁共振信号的基础。用这个方法就可以很精确地测量原子核的磁偶矩了。虽然Gorter本人尝试过,但没有成功,但是拉比的研究团队却在1938年首次成功地完成第一次的核磁共振实验。

拉比、Kusch、Millman和Zacharias在1939年使用了这种方法量度了多种锂化合物的磁矩。接著他们把这种实验法应用到氢,发现质子的磁矩为2.785±0.02核磁子,而氘的磁矩结果则为0.855±0.006核磁子。拉比团队的实验结果比之前Stern团队的更为准确,也比自己团队1934年时的结果更准确。由于氘是由相同自旋方向的一个质子和一个中子组成,所以中子磁矩可由氘磁矩减去质子磁矩所得。如此得到的中子磁矩居然是约负的1.92 核磁子!拉比与Zacharias,Kellogg 跟Ramsey进一步测量造成D2与HD分子在磁场下的共振频率,发现氘的电四极不为零。这项发现意味著氘的物理形状非球状对称,也表示核子之间的交互作用并非是连心力,也有著张量项。这也表示氘的磁偶矩与质子跟中子的磁偶矩的和其实不完全相等。1940年Walter Alvarez 与Felix Bloch发展出time-of-flight 的技术可以产生thermal 中子束,他们直接测量中子的磁偶矩,得到结果是1.93核磁子。直接将质子与中子磁偶矩相加是0.879核磁子,与氘的磁矩的确有微小的差别,由此我们知道氘是S(L=0)态与D(L=2)态的混合,前者佔约96%,后者佔了约4%。D态的出现是由张量型态的核力所造成的。分子束磁共振探测法果然是研究原子核的利器,Otto Stern凭著分子束实验获得了1943年的诺贝尔物理学奖。拉比在Stern 之后也荣获1944年的诺贝尔物理学奖。算是实至名归了。

拉比的前半生可说是一个美梦成真的美国梦,然而拉比的后半生也随著美国成为世界的霸权而有著一番波涛汹涌的经历


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