桑榆未晚(四)

作者:瀑川  于 2022-11-16 00:25 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

作者分类:纪实|通用分类:原创文学|已有4评论


 博士论文 

 摘自克斌文选 《秋水长天》


 

秋季开学后,我找了物理系的***教授,表示了我的意愿。他说他们组里需要人手,还说我是他招进来的。原来***教授曾任1981 年物理系招生办主任,从此他成了我的博士论文导师。  

第二学年开始,我结束了第一年教学助理(TA)的工作,全部靠科研资助(Stipend),由导师***教授提供。由于通货膨胀,资助在原来每月500 元的基础上又增加了几十元。我搬进了导师分配的办公室,房间有15 平方米,我和一个名叫辛西娅•盖劳维奇的高年级同学共用。老板给我一篇关于测量原子核磁矩的论文,让我学习一段时间后,同他讨论。  

这时,四大力学的课程都已结束,我选了两门课程,量子场论和多体问题。这些课程只有作业,没有考试。讲场论的老师班克,从UC 三塔克如兹大学到这里做客座教授。做过的习题有康普顿散射截面的推导、费曼路径及分等,还有费曼图。  

多体的老师是瓦利希卡,教材用的是他和非特尔合写的书,多粒子系统的量子理论和非相对论场论。他让学生自选题目到黑板上讲述。我挑选了推导魏克定理。把底稿交给他看以后,他提醒了一句:“不要在数学推导上迷路。”  

几个星期后,我去见***导师讨论心得。他说,我得改个课题。因为磁矩测量得到洛斯—阿拉莫斯国家实验室,该实验室属于保密(Classified)级别。我来自红色中国,尤其不能进入。他给了我一篇实验提案(Proposal),一个关于在贝茨实验室的电子散射的课题。该实验室属于MIT, 对外开放。  

10 月,同组的高班研究生彼得•扫恩要到西雅图华盛顿大学索取数据。他需要帮手,老师派我同往。该实验室有两台范德格拉夫静电加速器(Tandom),在美国很有名气。我每天参加轮换值班,实验室有几个学生负责加速器的运行。彼得生活节俭,我们没有住进旅馆,常常在休息室里对付一觉,有时他带我到他父母家中过夜。他们家有一条大黄狗,对着我凶狠地狂叫。主人拉住它,跟我说不会有事的。 

 

不值班的时候,我到华盛顿大学物理系找高能所的同学,大师兄陈凤至。他也是单身一人,在这里做理论粒子物理研究。见我来了十分高兴。那几天,只要不值班, 我就和凤至兄聚到一起。他带我游览了西雅图的市中心,爬上了该市的地标建筑宇宙针。一个耸入云天的高塔上托着一个形似飞盘的建筑。站到塔上,周围景色尽收眼底。 

       

           

                                       

       



 

 

     

       图 68我和陈凤至同学在华盛顿大学的留影。

华盛顿大学的建筑多以红砖为主,古色古香。濒临大海,环境清幽,是个学习的好地方。只是多雨,有些不便。凤致兄借了条船,在靠近学校的地方划来划去,任凭风浪,清闲自在。我俩有时去中国饭馆吃饭,有时在陈兄的住所自己动手下厨。由于有凤至兄陪同,在西雅图的几天很快就过去了。在填写报销单的时候,彼德对我说,吃多少报多少。我按他的要求每天只报了2 美元。他又觉得不好意思,我说我的饭费大多数都是朋友出的。他说朋友请你吃饭,你也可以报销。 我觉得意思不大,这是我的第一次出差报销。 


11 月初,导师派给我新任务,和助理教授杰夫•马尔托夫一起到印第安纳大学去做实验,那将是我的博士论文。我们在晚8 点钟动身,乘大飞机到达芝加哥,再转乘布瑞特航空公司的小飞机,飞往印第安纳的小城布鲁明顿。小飞机上只能乘坐10 来个人,靠螺旋桨驱动。它像小蜜蜂一样飞翔在风城上空,呼呼地叫着。由于飞得不高,可以清楚地看清高速公路玫瑰花瓣的图形,我还照了张相。 

 

小飞机晃晃悠悠,我觉着忽闪忽闪, 担心一下子会摔下去。小蜜蜂刷地一下落到了地面时,我倒吸了一口凉气。杰夫往实验室打电话,要人来接。等了半个多小时,不见人影。比我小10 岁的二导师杰夫按耐不住火燥脾气,径直叫了一辆出租车,把我们送到印第安纳大学的核物理实验室,IUCF,即印第安纳大学回旋加速器装置。 

                      

                  

           







  图 69 杰夫在试验完成后飞往芝加哥的小飞机上。

到了实验室,我们遇到了另一个脾气暴躁的科学家,负责对外联络的查克•法斯特先生。他红着脖子埋怨杰夫没再多等他一会儿。

后来,他在背地里对我说杰夫像个小孩物理学家。IUCF 是国家科学基金会(NSF)支持的一个大学实验室,NSF每年投放30% 的基金到该实验室。这里的主要设备是一台等时(isochronal)回旋加速器(cyclotron),由四个扇面加速装置组成。可以加速质子、氘核等,最高能量可以到达200 兆电子伏特(MeV)。  

该实验室对外开放,各处的核物理学家可以提出实验方案。每年夏天,召开一次鉴定会。聘请几位颇富名气的科学家组成一个叫做PAC 的委员会。做实验的人在这个会上宣读提案,经过答辩,PAC 的成员集体决定,哪个提案更加合理可行并且具有重要的物理意义。实验室的两位并列主任是丹•米洛和印度裔的保罗•辛。 

 

保罗同我的老板***在洛斯•阿拉莫斯共过事。有时,我们未经PAC 通过也能得到一两周的束流,在中国这叫走后门。  

当时,该实验室已经花了数年的时间研究p-n 核反应,探索巨共振态。有两个大组各自独立地做实验。一个组由 IUCF 的查理•古德曼教授领导。一个由俄亥俄肯特州立大学的教授迪克•梅迪领导。古德曼家拥有制鞋产业,十分富有,但不影响他的科学研究。他主编了pn 核反应一书,并且因为这方面的贡献获得了核物理领域的班讷奖。 

 

我们要做的题目是p-n 核反应的反过程,n-p 反应。即用中子轰击靶核,观测出射的质子。P-n 和 n-p 反应都是电荷交换过程,相当于贝塔衰变。如果用石墨(碳 12)作靶,在p-n 过程中,产物核是原子序数增加 1 的氮 12,相当于通常的贝塔衰变; 而在np 过程后,产物核原子序数减 1 ,成了硼12,相当于释放正电子贝塔衰变或 K-俘获。在贝塔衰变中又分为费米跃迁和盖莫-台勒跃迁。费米跃迁时,核的自旋不变,初始核与产物核具有相同的同位旋(iso-spin)。这叫同位标量跃迁(isoscaler )。在盖莫—台勒跃迁中,自旋、同位旋同时翻转。它属于同位失量跃迁(isovector),因而可以观测到更多的物理机制,这也正是研究 n-p 反应的意义。理论家瓜尔德推导出一个电荷交换反应的求和定则,把 n-p 和 p-n 的数据结合到一起,可以揭示核子向高激发态跃迁的几律。 

 

相对而言,n-p 反应的测量比 p-n 要难。首先,加速器只能加速带电粒子,因而质子束流可以直接产生。而中子束流必须通过二次过程,比如 p-n 反应,产生中子,因而束流强度以及能量的单色性都不如质子。此外质子带电,容易控制,既可以用铅砖挡住,又可以用磁场扫开。而中子不带电,贯穿能力很强,不容易控制。大量的中子会产生很强的放射性本底,对测量不利。因此,愿意参加这项工作的人数不多。  

到达IUCF 的当天的上午,杰夫召开了一个大约有20 人的合作会议。到会的有古德曼领导的IUCF 小组,有俄亥俄州立大学翟克•挼帕泡特的小组,有UC 戴维斯的保罗•布瑞迪的实验小组。阵容强大。坐了一夜的飞机,没有休息,一下子又见到这么多各路英豪,再加上对专业知识的缺乏,我觉得昏昏噩噩,基本上没听明白他们要干什么。只知道中子束流通过质子轰击锂 7 靶产生。然后,用一堵水泥砖砌成 2 米厚的墙挡住大部分中子。中间有一个1 英寸宽的小孔只让从0 度角出射的中子飞到墙的另一面,从而提供单一能量的中子束流(Monochromatic neutron beam)。 

 

在准直孔的上游放一块1 英寸厚的铅板挡住上游过来的 120 兆电子伏特的质子。在准直孔的下游,装上靶核和探测器。 靶子由深灰色的锂6 金属压制而成。反应式是Li6(n,p) He6。原计划用一个大体积直径 5 英寸的塑料闪烁体来探测散射的质子p。由于本底高,能量分辨率又低,中途改用高纯锗探测器 。每个高纯锗直径一个英寸左右,空间和能量分辨都比较高。然而由于厚度有限,单个儿的锗探测器不能完全阻止大约105 兆电子伏的质子,需要把2 到 3 个串接在一起,习惯上称之为望远镜。我们一共有8 个锗探测器,形成了 3 套望远镜,测量从三个不同角度出射的质子。在锂6 靶的前方放置一个薄片塑料闪烁体来剔出(Veto)中子束流中残留的质子。靶后放上另一个薄片探测器来标记散射质子的发出并且作为电子数据收集系统的触发信号。后来,发现 Veto 探测器用处不大,反而带来麻烦,于是把它撤掉。 

 

我们需要测量小角散射的质子,但是在零度的位置上有大量的中子,无法监测。所以在锗探测器前要放置一个横截面是梯形的磁铁,名叫乃韦斯。 其任务是把朝前散射的质子扫进探测系统,避开中子束流。实验区在北厅,空间很小,只有8 平方米左右。未经反应的绝大部分中子通过一个大洞跑到实验室围墙之外。 那里放有UC 戴维斯小组贡献的中子流量监测器,其数据可用来标定中子束的强度。 

 

经过大约一周的努力,遗憾的是本底噪声太强,实验没有成功。我第一次来到IUCF, 还是学到了不少东西,从实验条件的建立,到电子信号收集,以及数据的索取和存储,都获得了第一线的感性认识。此外,见到了来自研究生院的 401 所的同学陈泉,他在印第安纳大学攻读博士学位。还认识了UC 戴维斯小组的几个人,组长布雷迪教授,来自智利的桓•罗密欧教授。还有博士后卡柔洛斯•卡斯塔内达, 他来自哥斯达黎加。还有研究生提姆•伏特,来自加利佛尼亚的三侯塞。 

                             

  

图 70  UC 戴维斯小组的环罗密欧(中)、博士后卡柔洛斯卡斯特内搭(左),研究生提姆福特(右)。


回到斯坦福大学,我做了三件事情。第一件是设计一个用铝材制作的方桌,用来支撑锗探测器。四条桌腿的下边装有小轮,可以让支架水平移动。小轮上有锁定装置,待位置确定后把桌子固定。桌面是半英寸厚的铝板。设计好后,由物理系的金工车间制作。第二件事是设计一个无缝封闭的铅室,前面留3 个圆洞放进散射过来的质子。铅室壁厚2 英寸,由不同形状的铅块堆积而成。图纸设计好后,带到 IUCF 实验室去浇铸。杰夫看见我画的那些图纸,凸凸凹凹,说是迷宫,没有提出不同意见。第三件要做的是计算质子经过磁场时的径迹及在磁铁出口时折射的方向。我用解析的办法作了计算,给我的二导师杰夫看了,他觉得可用。 

 

1983 年冬季学期,我选了两门课,一个是实验核物理基础,主讲教授是我的导师***,讲义用的是他的手稿。另一个要学的课程是佛传(Fortran)语言。80 年代初,计算机已经在各种领域被广泛地应用,作为一个物理系的研究生,不管是搞试验还是作理论的,不懂程序设计就无法完成论文。佛传语言当时在核物理和高能物理领域都是离不开的工具。Fortran 的原意就是 Formula Translation,即数学公式的翻译,适用于科学技术中的数学计算。在科学院研究生院时,已经学过 一遍了,不过那只是纸上谈兵,没有上机的机会。现在可以在计算机上自己输入程序,编译和连接。还可以自己修改错误,直到得出正确的结果。然后把结果显示在屏幕或者存储到一个文件里。在后来的工作中,佛传成了我每天必用的语言,对我来说它就像中国的会计们爱玩不忍释手的算盘。 

 

除了修课,我还领了一份TA( 教学助理)的工作,辅导大学生的物理实验课,电子线路设计。讲课的是约翰•佛克斯。他本人是应用物理系的研究生,有丰富的电子学经验。试验中用到信号发生器、示波器、固体组件等。对我来说也是个学习的过程。 

 

这时我结识了一个年纪比一般学生大几岁的本科大学生,名叫吉姆•纳夫。他有时和我一起讨论物理问题。他曾在美国海军服役,去过菲律宾。退伍后,在一家公司工作。海军和公司都为他各出一部分学费,他要在斯坦福大学拿个学位。繁重的工作与学习使他时间紧迫,每天只吃一顿饭,中午只吃几个水果。我在美国第一次见到这么刻苦的人。他的妻子尤丽是菲律宾人,在一家银行作职员。我对吉姆很同情,佩服他刻苦学习的精神。他在物理课的作业里遇到难处,我会给与一些帮助。久而久之,我们成了朋友。他夫妇二人在周末会带我出去吃饭,或者到旧金山游玩。 


到了暑假,吉姆有了多余的时间,教我学开汽车。它有两辆新车,都是丰田(Toyota),而且是手动的。他开的是跑车修普拉(Supra),尤丽开克罗拉(Corolla)。每个星期六上午,他都开着克罗拉来接我,到足球场边的一大块空地。先向我介绍车的基本知识,然后把变速器放到第一档,拧动钥匙,打开引擎,练左右脚的配合。左脚先踩离合器到底,然后,慢慢松开。松到一定程度,右脚轻轻踩下油门,车就开始移动。但是对初学的人,这个火候很难掌握。油门踩早了,引擎轰轰响,但车子不动;油门踩晚了,离合器已经松开,车子就“吭”地一下熄火。开始时,十回有八回都要熄火。吉姆耐心地告诉我,踩离合器要轻松(Easy)。就像踩鸡蛋似的,一点一点地松开,才能找到感觉。然后,他让我用第一档开上几圈,过把车瘾。 

      

          

    图 71吉姆和我在斯坦福书店前的喷水池旁合影。


重复了两三个上午以后,吉姆教我在行驰中换档。左脚踩下离合器,右手拉动变速杆,从一档换到二档,然后左脚抬起,松开离合器,踩油门加速前进。到了一定的速度后,再换到第三档。如此这般,又是两三个上午。当我换档技术掌握后,吉姆开始教我控制方向盘,左拐,右拐。他把几个大塑料桶排在一条线上,让我在第二档上绕着塑料桶走阿拉伯的 8 字,开到头,再转回来沿反向行驶。  

有一次,我不小心,白色车身蹭到了塑料桶上,留下了一条绿痕。我心里怪不好意思的,吉姆却没在意。开得差不多了,吉姆让我开着他的修普拉上街。 

在一个街口上,后边的一辆车有点暴躁,向我鸣笛抗议。然后兹拉一声,从我左边冲了过去。吉姆要我别紧张,说那个司机是个“二百五”(Jerk),不要怕后边的车子。 

 

拐进校园时,弯拐得太大,把车开到反向行驰的道上。吉姆拉起手闸,把车停下。他还是轻轻地对我说:“别紧张(Easy)”。吉姆的耐心有时让我感到过意不去。他用新车教我,我有点拘谨,生怕把车子碰坏。到了 11 月,我买了一辆旧车,也是手动的。开自己的车划上个印儿,蹭破点皮,没多大关系。开着旧车,思想解放,没有精神负担。一个多月后,我考到了驾驶执照。多亏吉姆的耐心和慷慨,使我打下很好的开车功底。后来,吉姆南去圣地亚哥(San  Diego),我往东到了麻省,关系中断。但这个勤奋友好的金发青年一直记在我的心间。 

 

 

                                                                  

               图 72吉姆和我在 Point Ray 的合影。

1983 年 5 月,我被派往 IUCF 去准备第二次试验。我带去了支撑探测器的铝桌和铅屏蔽室的图纸。这次我要在这里住上一个月,为了节省,我请同学帮忙找了个学生公寓,同别人合住。安排好后,陈泉回国探亲。到达实验室的那个下午,有个美国人来找我,他是陈泉托付的那位研究生。他头上戴着蓝色圆顶帽,身着蓝色的确良建设服,这身行头比我更像来自中国大陆的。他张口就用汉语作自我介绍,名字叫肯,论文的课题是《左传》研究。看来,他的中文造诣比我深多了。我从来没想过读左传。 

 

 

                                      

 图 73肯和我在印第安纳大学公寓。

                       

他把我带进公寓,两个卧室,我住一间,他住一间。一个月150 美元,比住旅馆要便宜好多。陈泉在回国前,把自行车留给我,于是我有了代步工具。上班下班,买东西都离不开它。每天下班后,自己做饭,中午带点简单的食物, 如三明治。肯生活节俭,屋里连个电视也没有。幸好陈泉留下几本中文杂志,我休息时翻翻,放松消遣。 

 

晚上,我有时和肯闲聊。他的妻子是马达加斯加人,他常去探亲,有时妻子也过来。像他研究的课题一样,肯有些古板正经,但他是一个挺随和的好人。我后来在翻阅计算机的材料时遇到一个词Default 。查字典后,还是不理解它的意思。于是向他请教。他说当你面临几种选择的时候,机器为你准备了一套起始方案或起始状态,那就叫 Default。令我豁然开朗。用通俗电话说,在你尚未选择之前,人家呈送一个预备好的选择给你。 

 

我把图纸交给实验室的技术人员,他们审视了图纸后,跟我说投影图画反了。原来,中国和美国的制图标准不同,左与右的投影正好调个个儿。他们没有让我修改图纸,只在制作中纠正过来。他们把图纸晒成蓝图,做出模具。没几天,铅室的各部分配件都完成了,我把它们拼到一起,严丝合缝,无毫发爽。我把铝桌放到试验区的平台上,又把铅屏蔽室放到铝桌上,校正好位置和方向,等待装进锗探测器。两个星期后,杰夫•马尔托夫赶来,开始连接电子线路,和他一起工作的还有 IUCF 博士后,挼哲•伯德。挼哲毕业于杜克大学,个儿不高,一脸大胡子,人蛮和气。

他是实验室的唯一全时工作者,每周至少工作 100 小时。除了出去吃饭,很少见他离开实验室。他的脖子上挂着好几绺电缆,忙来忙去,他是一位为数不多的工作狂人。听说,他的夫人经不住他对工作的满腔热忱,离他而去。早期参加实验的还有俄亥俄小组的翟克•挼帕泡特和泰瑞•泰迪尤契。 

 

杰夫、泰瑞、拉哲和我每天值班,只有少量的睡觉时间。最后的两三天,杰夫和我连续工作40 多个小时,只在吃饭的时候出去一会儿。遗憾的是辐射本底太高,拿不到干净的数据。实验结束后的那个早晨,杰夫和我吃过早饭,在实验室的招待所里蒙头大睡了10 多个小时。 

 

离开IUCF 的时候有点匆忙,来不及整理需要带回去的仪器。委托查克•法斯特的研究生保罗•豪尔姆斯协助运回。没想到他把好几个光电倍增管直接装进 一个木箱,不加任何保护和防震措施。等木箱邮寄到斯坦福的时候,光电倍增管全部成了碎片,损失数千元。杰夫狠狠地骂了保罗,批评他不负责任的工作态度。等我们再去 IUCF 时,保罗已经离开。大概他根本不喜欢核物理,只在暑假打工。 

 

回到学校,我准备 7 月回国探亲。花了几个周末,订机票,买东西。有些货物需要订购,在北京提货。我为我的妻子和姐姐各买了一块精工石英女表,每块 120 美元。提起坤表, 我心里还装着一个疙瘩。我和我妻子处对象的时候,陪她到隆福寺商场换表链。她指着一个小巧玲珑的表链说,喜欢这个。售货员说,这个表链只能配小手表。我一看那些小表都在数百元以上。心里凉嗖嗖的,我当时掏出一块钱都很困难。 

 

面对自己心爱的女人喜欢的物件,我却没有能力把它买下来,既内疚又遗憾。我想哄她说,以后有了钱,一定给她买块带细表链的坤表。可是我不想骗她,因为我不知道猴年马月才能拿出那么多钱。现在,经过两年在美国辛勤的学习与工作,我做到了。我为她买的这块石英表,黑色的表面配上金黄色的表链。我还为孩子们买了玩具、衣服、书包。为老母亲买了布料、西洋参等。装进两个箱子,满载而归。盼望与家人和朋友在北京重逢的幸福时刻。



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发表评论 评论 (4 个评论)

1 回复 Lawler 2022-11-16 08:25
想起八十年代来美认识的一帮学物理数学的留学生。物理太深奥,但叙述听起来很亲切
0 回复 瀑川 2022-11-16 10:05
Lawler: 想起八十年代来美认识的一帮学物理数学的留学生。物理太深奥,但叙述听起来很亲切
谢谢您的感受。
1 回复 xiaxu 2022-11-16 21:39
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回复 nierdaye 2022-11-18 14:48
当年中美联合研究生项目,能考上的,都算是神人了。听说过CUSPEA状元文小刚教授的传奇。高山仰止。

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