塞西尔·鲍威尔

1947 年 3 月 7 日，布里斯托尔大学 H. H. Wills 物理实验室里，一位名叫 Marietta Kurz 的「扫描员」在显微镜下看到一条奇怪的银粒轨迹：一个慢下来的介子停住了，而从它停下的那一点，又冒出第二个介子。她在笔记本上画了个草图，用大写字母写下「DOUBLE MESON」。

那本笔记今天收在布里斯托尔大学的特藏里。它记下的是 π 介子的第一次露面，而让它被看见的那张底片，是 鲍威尔用了将近十年、一点一点磨成的粒子探测器。

枪匠之家的奖学金少年

鲍威尔 1903 年生在肯特郡的汤布里奇。父亲那一族世代在镇上做枪匠；外祖父在邻近的小镇办过一所私立学校。按他诺贝尔自传的说法，这两头的家风让他从小就既看重读书，也看重手艺。

他读的是本地的小学，十一岁拿奖学金进了汤布里奇的 Judd School，又凭公开奖学金进了剑桥西德尼·萨塞克斯学院，1925 年自然科学荣誉学位考试一等。研究生阶段他留在卡文迪什实验室，导师是云室的发明人 C.T.R. 威尔逊与卢瑟福。

他在剑桥的第一个课题是凝结现象，结果顺带解释了蒸汽从喷嘴里流出得异常快的原因：高速膨胀的蒸汽处于过饱和状态。这一发现后来被用到了汽轮机的设计上。

布里斯托尔的十年慢功

1927 年拿到博士后，他去了布里斯托尔大学，给 A. M. Tyndall 当研究助理。此后他在这里待了一辈子。

头几年他做的是一件很不起眼的事：精确测量正离子在各种常见气体里的迁移率，弄清楚那些离子到底是什么。1936 年他还离开实验室一年，作为地震学家跟随考察队去西印度群岛调查火山活动。

回来之后，他接手建一台考克饶夫-沃尔顿高压加速器，用它产生的快质子和氘核，配合威尔逊云室研究中子与质子的散射。就是在这个阶段，他的注意力被引向了照相乳胶。

一张底片就是一台探测器

据林道诺贝尔奖得主大会资料馆的研究档案，当时在布里斯托尔的海特勒给 Tyndall 看了一篇论文：维也纳的玛丽埃塔·布劳与 Hertha Wambacher 把照相乳胶放在高山上曝光，在里面拍到了宇宙线把原子核打碎、同时喷出多个重粒子的「星」。

照相乳胶的原理和云室有几分像：带电粒子穿过时沿途电离，把经过的溴化银晶粒「打」出潜影，显影后就是一串银颗粒。但它有几个云室比不上的好处：

• 它是固体，比气体密上千倍，粒子在里面走几十微米就相当于在云室里走几厘米，衰变前来得及停下来；
• 它一直「开着」，不需要膨胀、不需要触发，摆在山顶上几个星期就一直在记录；
• 它便宜、轻便，塞进箱子就能带上山、挂上气球。

1938 年起，鲍威尔开始用乳胶研究宇宙线。等加速器建好后，他又把乳胶用在核物理实验里：让中子撞出反冲质子，量质子径迹的长度来反推中子能量。他发现径迹长度可以非常准确地给出粒子的射程，于是射程就是能量。

难处在于灵敏度。战前的乳胶只能记录慢而重的粒子——质子、α 粒子快到一定程度，留下的颗粒就稀得看不出来。宇宙线里最有意思的那些快粒子，都从底片上「隐身」了。

战后的新乳胶

转机在战后。1945 年底，英国供应部设立了两个专家小组，推动 Ilford 与 Kodak 研制更灵敏的核乳胶。差不多同时，奥基亚利尼从巴西回到英国，加入了鲍威尔的小组；他的巴西学生拉特斯随后也来了。

Ilford 做出的新乳胶，溴化银的含量比普通底片高得多。1946 年鲍威尔、奥基亚利尼与 D. L. Livesey、L. V. Chilton 联名报告了这种乳胶：快速的质子、甚至某些介子也能在里面留下清楚的径迹。那年夏天，奥基亚利尼把几块小底片带上比利牛斯山约 2800 米的 Pic du Midi 观测站曝光，冲洗出来后，布里斯托尔的人看到了一个前所未见的宇宙线世界。

这里有一段一直没理清的账。据 Tucci 2023 年对奥基亚利尼晚年回忆录的整理，奥基亚利尼说「提高银含量」这个主意是他 1945 年 6 月向 Ilford 提的，而鲍威尔起初并不看好，后来也只笼统地写了一句「有人向 Ilford 建议」。但奥基亚利尼本人在 1993 年初也写道，他拿不出任何证据，担心别人读了会以为他在编故事。留在纸面上的，是 1946 年那篇论文的联合署名，以及鲍威尔诺贝尔演讲里对乳胶来历的一笔带过。

显微镜前的扫描员

乳胶法有一个代价：底片要一寸一寸在显微镜下找。布里斯托尔为此雇了一批扫描员，多是没受过物理训练的女性，整天对着目镜寻找有意思的径迹。Kurz 就是其中一位。

她在 1947 年 3 月找到的那个「双介子」，第二段径迹跑出了乳胶边缘，不完整；据 Bonolis 的整理，一天之后又找到了第二例，通常记在另一位扫描员 Irene Roberts 名下。两例的第二个介子走过的距离差不多一样长。

这一发现、随后拉特斯带去玻利维亚高山补拍的底片，以及它怎样把 π 介子与 μ 子分开，在发现页里有详细叙述。这里只说结果：1950 年，诺贝尔物理学奖单独授给了鲍威尔，理由是他发展了研究核过程的照相方法，并用它发现了有关介子的若干事实。

拉特斯与奥基亚利尼都没有分到这份奖。围绕这一点的不同看法，也在发现页里列出。

从 π 到 τ

π 介子之后，布里斯托尔的乳胶继续出新东西。1948 年前后，乳胶厂做出了「电子灵敏」乳胶，连速度接近光速、电离最少的粒子也能留下径迹。1949 年初，鲍威尔小组用这种底片拍到一个粒子停下后裂成三个 π 介子，把它记作 τ 介子，按鲍威尔诺贝尔演讲里的估算，质量约为电子的 970 倍。

几乎同时，曼彻斯特的 Rochester 与 Butler 在云室里看到了「V 粒子」。今天我们知道 τ 就是 K 介子的一种衰变方式——正是这种粒子后来引出了宇称不守恒的「θ-τ 之谜」。鲍威尔在诺贝尔演讲的末尾说，介子的世界远比最出色的理论推测所设想的复杂。

气球与 G 堆

宇宙线越往上越强，而山再高也有限。1949 年起，布里斯托尔开始用气球把乳胶送上平流层。他们仿照美国的做法，用一点五千分之一英寸厚的聚乙烯薄膜热封成直径 20 米的气球，载着约二十公斤的乳胶在约 95000 英尺（约 29 千米）的高度平飞好几个小时。在那个高度，乳胶可以直接记录初级宇宙线——以接近光速飞来的质子、α 粒子和更重的原子核，还能看到重核在碰撞中碎成几块。

1952 年起，鲍威尔主持了从撒丁岛以及 1954、1955、1957 年从意大利波河河谷放飞的欧洲高空气球考察。其中最有名的是「G 堆」（G 代表 gigantic）：一大摞剥去玻璃衬底的乳胶薄片叠在一起飞上高空，回来后拆开分给欧洲各地的实验室一起扫描。

这种多国分工、共享数据的做法，是战后欧洲物理学重新组织起来的一次预演。鲍威尔也是欧洲核子研究中心筹建时的重要推手之一，1961 年进入它的科学政策委员会。

帕格沃什

鲍威尔是世界科学工作者协会的成员，后来接替约里奥-居里当了它的主席。

1955 年 7 月 9 日发表的罗素-爱因斯坦宣言，呼吁科学家正视核战争的危险，他参与了宣言发表前的讨论，是十一位原始签名人之一——同在名单上的还有预言了 π 介子的汤川秀树。1957 年宣言催生了帕格沃什科学与世界事务会议，鲍威尔是创始成员，主持了第一次会议的全体会议，1967 年起任其常设委员会主席。

科莫湖畔的长椅

1969 年 8 月，鲍威尔刚从布里斯托尔退休八天，和妻子在意大利科莫湖以北的山区度假。9 日他在山间散步时心脏病发作去世，终年六十五岁。

奥基亚利尼后来请人做了一条木长椅，刻上鲍威尔的名字，放在他倒下的那条山路旁。他的理由很简单：如果那里早有一条长椅，鲍威尔大概会停下来歇一歇。