第一個發現反物質的中國科學家，世界欠他一個諾貝爾獎

今天我們講一位中國核物理學家，世界第一個發現反物質的科學家、中國核物理先驅、中國加速器建造事業的開拓者——趙忠堯。

趙忠堯（1902-1998）

相信很多人對趙忠堯不太熟悉，但這幾個人的名字大家一定都聽說過——鄧稼先、錢三強、王淦昌、朱光亞、周光召、彭桓武、程開甲，他們都是我國著名的核物理學家、「兩彈一星功勛獎章」獲得者、中國科學院或中國工程院院士，他們也都是趙忠堯的學生，諾貝爾物理學獎得主楊振寧和李政道也都曾受業於趙忠堯。

1902年，趙忠堯出生於浙江諸暨縣，1920年考入南京高等師範學校（南京大學前身）。1924年畢業後，趙忠堯到東南大學任著名物理學家、教育家葉企孫的助教，在東南大學，趙忠堯一邊教書，一邊師從葉企孫學習，是葉企孫的得意門生，從此兩人建立起了深厚友誼的師生關係。1925年葉企孫受邀到清華大學任教，趙忠堯也跟隨老師來到清華，同樣任葉企孫助教。1927年，25歲的趙忠堯自費出國留學，考入美國加州理工學院研究生部，攻讀博士學位，師從學校校長、諾貝爾物理獎得主密立根教授。

1923年冬與南京高師同學合影

在加州理工學院學習期間，趙忠堯因勤奮好學，又十分聰明，因此深受密立根教授喜愛。幾年學習讓他在理論物理方便突飛猛進，在讀博期間，趙忠堯選擇了極難的題目——硬γ射線通過物質時的吸收係數，以此來驗證克萊因－仁科公式的正確性。

令密立根和趙忠堯都沒想到的是，正是這個題目，讓趙忠堯找到了一個物理學的偉大發現——反物質。

反物質是物理學的一項重大發現，它為原子能核物理研究奠定了一個全新的方向——高能物理，1克反物質能產生相當於核爆的爆炸規模（目前生產的反物質還很少），比原子彈、氫彈更強大。

經過一年多時間的實驗，趙忠堯發現硬γ射線通過輕物質時的吸收係數符合萊因－仁科公式，但經過重物質時，所得的吸收係數比公式計算的結果大了約40%。1930年5月，美國《國家科學院院報》正式發表了趙忠堯的論文：《硬γ射線吸收係數測量》。這篇論文首先向世界宣布，硬γ射線通過不同物質的吸收係數是有很大差異的，通過輕元素時的吸收係數較小，符合克萊因－仁科公式，而通過重元素時，吸收係數比克萊因－仁科公式計算結果高得多。

論文一發表，就引起了世界核物理科學家們的注意，隨後有幾個單位也紛紛開始了這項實驗，得出了同樣的結論。光這一重要發現，趙忠堯就足以獲得博士學位。

美國留學時的趙忠堯

但他並沒有停止研究的步伐，因為這一實驗結果意味著，γ射線通過重物質時，有可能存在一種沒被人們發現的新物質。

緊接著，趙忠堯放棄了他的暑期旅行計劃，留在實驗室里夜以繼日的進行他的研究。

經過幾個月的艱苦實驗，在1930年9月，他最終發現：伴隨著硬γ射線在重元素中的反常吸收，還存在一種從未見過的特殊輻射現象，這種輻射非常弱，要把它與很強的康普頓散射本底分開非常困難。趙忠堯考慮到，康普頓散射主要是在朝前方向，便決定在朝後的方向測量，結果獲得了清楚的特殊輻射的信息。趙忠堯還進一步測得，這種特殊輻射的能量為0.5兆電子伏，大約等於一個電子的質量，輻射角的分布大致為各向同性。

這種物質即後來科學家定義的反物質——正電子。

1930年10月，趙忠堯把這個結果寫成了第二篇論文《硬γ射線的散射》，發表在美國《物理評論》雜誌上。

趙忠堯的同學、諾貝爾獎獲得者菲利浦·安德遜

與此同時，趙忠堯在加州理工學院的同學菲利浦·安德森（C.D.Anderson）對趙忠堯的科學研究深深著迷，意識到這可能講師人類物理研究史上的一次偉大發現，於是安德森在趙忠堯實驗室的隔壁開始了同樣的研究。1932年，安德森在宇宙線的雲霧室照片上，觀察到了正電子的徑跡。此後，人們對反常吸收的特殊輻射才有了新的認識。

安德森的這一發現，比趙忠堯晚了兩年時間。

1936年，瑞典皇家科學院決定對發現正電子這項舉世矚目的研究成果授予諾貝爾物理獎，但是，評獎揭曉時，獲獎者的名單中沒有1930年首先發現正負電子湮沒的趙忠堯的名字，只有1932年在雲室中觀測到正電子徑跡的安德森。

對於這一歷史迷案，後來諾貝爾物理獎委員會主任埃克斯蓬曾解釋道，當時評選諾貝爾獎時，曾經安排人對趙忠堯的研究進行評定，結果因為方法錯誤和設備失靈導致沒能得出趙忠堯所做實驗的結果，最後與諾貝爾獎失之交臂。

而安德森在1983年出版的一本著作中，公道地承認：當趙忠堯先生的實驗結果出來時，他正在做自己的學位論文實驗。他的辦公室與趙忠堯的辦公室正好相鄰，他對趙忠堯所做實驗的經過與結果十分清楚，並懷有極大興趣，他當時就意識到，趙忠堯先生的實驗已表明有未知的「新東西」存在。於是，他採用與趙忠堯不同的儀器，在有磁場的雲室中觀測硬γ射線與物質的作用，結果他不但觀測到了電子的徑跡，同時觀察到與此質量相當、方向相反的反物質——正電子的徑跡。安德森承認，他的實驗是直接在趙忠堯的實驗結果基礎上做出來的，並受到了趙忠堯實驗結果的直接啟發！

無論諾貝爾獎評選委員會還是該項諾獎獲得者，都證實了趙忠堯才是第一個發現反物質的科學家，這是鐵的事實。

雖然沒能獲得諾貝爾獎，但趙忠堯對世界物理學界和中國核物理髮展的貢獻都無法被抹去。

1931年，29歲的趙忠堯回國，任清華大學物理系教授，在清華首次開設了我國的第一個核物理課程，並主持建立我國第一個核物理實驗室。

1937年抗日戰爭爆發，北平淪陷，趙忠堯冒著生命危險，從清華大學實驗室搶運核物理研究的機器設備，把一個裝有50毫克重成品鐳的鉛罐裝在一個菜罈子里，裝成乞丐輾轉行走幾千公里，躲過多次日軍搜索，最後來到了西南聯合大學（抗戰時期清華大學、北京大學、南開大學三校轉移到雲南昆明成立的一所戰時聯合大學），在西南聯大，趙忠堯任物理系教授。

從回國到抗日戰爭，文章開頭介紹的中國核物理學家，正是趙忠堯在這一時期培養出來的學生。

1935年清華大學物理系部分師生合影：前排左三趙忠堯、左四葉企孫

抗戰勝利後，1948年趙忠堯當選為中央研究院院士，隨後受國民政府所託到美國麻省理工學院、加州理工學院等處進行核物理和宇宙線方面的研究。

新中國成立後，趙忠堯心懷祖國，為了更快讓祖國研製出原子彈，他於1950年回國，在回國途中，受到美國、日本、台灣國民黨等多重阻撓，在國外設計、製造和購買的靜電加速器器件和技術資料被美國聯邦調查局沒收，還被日本關進監獄2個月，台灣國民黨間諜讓他去台灣被他拒絕，直到1951年1月才回到祖國。趙忠堯的回國經歷，與錢學森類似。

回國後，趙忠堯主持建成中國第一、二台質子靜電加速器，為在國內建立核物理實驗基地作出了重要貢獻。1958年，趙忠堯負責籌建中國科學技術大學近代物理系並任系主任，1972年，他參與中國科學院高能物理研究所的籌建工作。

他的研究成果為研製正負電子對撞機提供了理論基礎，同時也奠定了他在世界物理學界的地位。1988年，我國正負電子對撞機在北京正式建成，投資2.4億元，這一項目從立項到最終實現經歷了15年時間的準備，它是世界八大高能加速器中心之一，是我國高能核物理研究的重要設施。

1998年5月28日下午15時55分，趙忠堯因病逝世，享年96歲。

趙忠堯教授

1999年9月18日，在中華人民共和國成立五十周年之際，黨中央、國務院、中央軍委隆重表彰為我國「兩彈一星」（「兩彈」其中的一彈是指原子彈和氫彈，另一彈是指導彈，「一星」是指人造地球衛星）事業作出突出貢獻的23位科技專家，並授予他們「兩彈一星功勛獎章」。

令人嘆惋的是，在與諾貝爾獎擦肩而過後，由於趙忠堯在頒發「兩彈一星」功勛獎章之前去世，身為中國核物理奠基人的他，又一次與「兩彈一星」功勛獎章無緣，這不能不說是一種遺憾。

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