倒數第一,操行不良,這個“差等生”為何走上了諾獎舞臺?

小柴昌俊,並不是個好學生。

倒數第一,操行不良,這個“差等生”為何走上了諾獎舞臺?

小柴昌俊,圖片來源:nndb.com

似乎是個悲劇的童年

小學時候,小柴用石頭砸政府門口的玻璃,只是覺得它們擺放得太整齊。學校發現了這事,判定小柴的“操行”評價為最低檔——“丙”。

他父親是個軍人,一直實行嚴苛的家教,想讓小柴成為一名飛行員。但小柴本人完全沒有上進心,每天只想著在海邊玩耍,吹海風。

沒想到,潮溼的海風,讓他病倒了。

大病,一覺醒來,神志清醒,但身體不受控制。

檢查之後,是小兒麻痺

命運轉折於一次泡澡

雖然戰勝了病魔,但小柴還是烙下了病根——右胳膊不好使了。

因為殘疾,當不了軍人,所以只能繼續上學。

好不容易考進了高中的小柴,卻由於家裡窮,不得不打工掙錢。他身體受限,好在腦子靈光,就給人當家庭教師,一口氣接了三四個活。成績也理所當然地直線下降。

更糟的是,馬上就要迎來東京大學的入學考試了。小柴昌俊毫無目的,不知道下一步去哪。

直到一天,他來宿舍澡堂洗澡。

蒸騰的水汽中,他忽然聽到有人在議論自己。

“小柴君準備考哪個系?”聲音來自一位同學。

“他物理不行,所以可能是哲學或文學吧,反正不是物理……”回話的是就是小柴的物理老師。

當時的東大物理系只有學習成績非常好的學生才敢報考。小柴的成績全校中游,本就是毫無希望。

可物理老師的這番話,卻觸及了小柴的自尊心。

於是,他幾乎抱著拼死一搏的心態,開始玩命學習物理。

三個月後,他考上了東京大學,物理系

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日本東京大學,圖片來源:jpninfo.com

倒數第一的吊車尾

大學是考上了,可窮是依然窮,兼職還是要做。於是,小柴的整個大學時代,幾乎沒怎麼正經上課。

成績嗎,當然慘淡,倒數第一。

後來小柴成名之後,很多人會質疑,覺得不至於這麼慘吧。但事實就是如此!小柴的成績單上,除了實驗課,其他沒有一個優

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小柴昌俊的大學成績單[1]

實驗課之所以還湊活,因為這是必修課,不去就掛了。

也好在這個“優”,後來通過實驗課老師的推薦,小柴居然進了研究院,跟著一位名叫藤本陽一的老師,做起了核膠片的實驗。所謂的核膠片,就是一種特質的相機底片,可以用來記錄宇宙射線。

小柴當時只有這一個選擇,於是就接受了。

開始科研吧

機緣巧合,小柴所在的研究院有一個去美國留學的機會,他厚著臉皮,嚮導師要了推薦信,前往美國羅切斯特大學,開始研究宇宙射線。

美國的日子很舒服,因為有了獎學金,每月108美元。這在日本,可是副教授的待遇。小柴生平第一次過起了衣食無憂的生活,於是,生平第一次,他開始一心鑽研實驗了

他回憶,當時做研究的狀態,如同短跑比賽,注意力高度集中,頑強學習。在此期間,他沒有參加過任何派對,買車也只是為了方便去野外觀測站。這一專注的狀態一直保持到他完成論文——《宇宙射線中的超大能量現象》。

從開始實驗、到取得學位,小柴只用了一年零八個月,這是羅切斯特大學的有史以來的最短記錄。

小柴心想,“似乎,我也沒那麼差”。

中微子

就這樣,小柴在物理學界也算闖出了名氣,美國和日本的研究所同時向他伸出了橄欖枝。

最後,他決定返回日本,雖然工資只有美國的二十分之一。原因有二,一是美國的食物太難吃。二是因為語言的差異,跟別人吵架總是贏不了。

返回日本後,小柴將目光投向了他一生中最重要的研究對象——中微子

宇宙中充滿了中微子,1立方厘米大約有300個。中微子經常降落到地球上,但它與其他粒子幾乎不發生反應,所以能穿透幾乎任何物質。正因如此,中微子非常難以觀測到,被稱為“幽靈粒子”。在很長時間內,人們對中微子是否有質量,以怎樣的速度運動等一概不知。

20世紀中葉,科學家們曾利用原子爐和加速器成功製造了人工中微子,但還沒有人能捕捉到天然的中微子。若能查明中宇宙裡中微子的真實面貌,就能極大豐富擴展人們對宇宙整體環境、星體的誕生和演化這一類信息。毫不誇張地說,中微子蘊含了理解宇宙的可能。

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宇宙中產生中微子等粒子的示意圖,圖片來源:sciscomedia.co.uk

雖然中微子行蹤不定,但也不是完全無跡可尋。中微子可以在極其純淨的水裡和電子碰撞,發出一種叫做“切倫科夫光”的信號。如果能捕捉到這種信號,就能進一步反推出中微子的信息。

而為了探測“切倫科夫光”,需要有兩個基本條件:

首先,要有足夠多純淨的水,越多越好,這樣才能提高中微子碰撞的概率;

另外,要提高探測器的精密度,力爭最微小的信號也可以檢測到。

為了構建一個這樣的探測器,小柴來到了神岡。

神岡探測器

選擇在神岡,一是因為原本這裡有個地下礦坑,廢棄了,容易改建;另一個也是因為這裡的地下水質優良,雜質較少。

即便如此,過濾得到純水仍是極為艱難的工作。小柴特意組織了專門的研究小組來進行這一工作。最終,神岡探測器用的水,透明度達到了60米,幾乎是世界上最乾淨的水。

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神岡探測器內部,圖片來源:universetoday.com

然而,神岡探測器有一個先天缺陷,就是礦坑體積有限,至多裝入3000噸的水。而同時期,神岡探測器的主要競爭者,在美國的麻省理工學院(MIT)。美國探測器的儲水量——7000噸。

既然無法提高水量,那就想辦法提升探測器的精度吧。

探測器的核心部件叫做光電倍增管,其外形有點像老式的燈泡。把幾千個這種光電倍增管密集排布在水池的周圍,以儘可能接受來自中微子的信號。

當時,世界最大的光電倍增管直徑20釐米,MIT用的12.5釐米。小柴推算了一下,若要對抗MIT,神岡探測器的光電倍增管,需要達到的直徑是—— 50釐米。

科學家也要當強盜

小柴找來了當時光電倍增管的廠商——浜松光學株式會社。

這家企業是世界頂級的光學設備生產商。小柴把會社的社長晝馬輝夫請了過來。晝馬此時還沒意識到,等待自己的會是什麼。

小柴開門見山,說要把光電倍增管的尺寸從12.5釐米提高到50釐米。

晝馬立刻搖頭:困難太大!50釐米的倍增管是無法用機器製造的,只能手工製作。而且原本材料選擇、器件設計要全部推翻重來。

小柴提議可以提供研究人員參與開發,但晝馬還是極其為難,畢竟這事以前沒人做成過。

他們爭論了3個小時,最後,小柴使出了最後的手段。

“我說,社長的生日是1926年9月20日吧,我們是同一年生人,不過,我早你一天出生。所以我就是你大哥!對年長者說的話,要老老實實地聽呦”

晝馬社長一愣,估計心裡都蒙圈了,只好說道:“那就試試看吧”。

一年後,直徑50釐米的光電倍增管生產了出來,精度在原有基礎上提高了10倍。按小柴自己的話說:“哪怕月亮上有一束手電的光向地球射來,它都能捕捉到。“[1]

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光電倍增管,圖片來源:OFweek.com

唯一的缺點就是貴,一個要30萬日元。

小柴可是要幾千個的,這成本他可受不了。於是他又找到晝馬,厚著臉說:“我們支援了你們兩名優秀的研究人員呢,他們應該抵消一部分開發經費。請按成本價給我們吧”。

如果咱們往上回翻,會發現派遣研究人員,這事可是小柴自己提的。

不管怎樣,經過各種軟磨硬泡,晝馬只能答應按每個13萬日元的成本價賣給小柴。

當年,晝馬的廠子出現了3個億赤字

不過,隨著神岡探測器取得了一系列重大突破,一舉奠定了浜松光學株式會社的好名聲,也算打消了晝馬的牢騷。

爆炸新聞

1987年,小柴的實驗室生活走向了尾聲。作為國立大學教授,他的任期只到這年3月底。接班人都很優秀,國際合作也順利進行,按說一切都很如願。

這份風平浪靜結束於2月25日。當天,一份傳真低到了小柴手上,是來自美國的合作者,內容就兩句:“驚人的消息!你們看到了嗎!”

第二天,理論學家們發佈了“超新星爆炸”的大新聞。

理論上,在整個銀河系,每1000年,才會發生10次左右的超新星爆炸。上一次的記錄還是1604年。

更為重要的是,隨著超新星的爆炸,會伴隨著巨大能量的釋放,而產生大量中微子。

但小柴並沒有特別激動。因為超新星爆炸有兩種,分別是I型和II型:I型是巨大星體晚年產生核聚變,II型是星體核聚變產生鐵,鐵擠壓過多產生重力衰變而生成中子星。只有II型的超新星才能能夠觀測到中微子。

而區分本次是哪種類型,神岡探測器可以做到。

當時小柴正在伊豆旅行,雖然對數據的期待相當強烈,但他沒有取消已經預定好的溫泉。

要穩

幾天之後,小柴返回實驗室,助手見面的第一句就是:“老師,有了!”

神岡探測器,在2月23日下午4點35分,檢測到了11箇中微子信號!

但小柴卻不太高興因為在法國蒙布蘭的一組研究人員,報道說發現了5箇中微子,並且比他們提前公之於眾。

可事情有些不對勁,因為這些歐洲人的觀測時間,比神岡的結果提前了4個小時。

小柴決定:“如果慌張地提出我們的結論,肯定會陷入哪一個是真正中微子的爭論,不能馬虎!”

此時,需要鎮定。

小柴的目標要讓人們把蒙布蘭數據和神岡的比較時,誰都一眼就能看到神岡是正確的!

首先,小柴對全組人員下達了禁口令,在最終報告完成之前,任何人不可傳播流言蜚語。甚至一位要好的記者打來電話,試探性地詢問,小柴只是回覆:“不要瞎猜”。

隨後,全組人員馬不停蹄排查了各種可能性與細節,終於確定了沒有問題。此時,已經滯後了一個星期了。在只有第一、沒有第二的科研界,可想而知,這一星期裡,小柴的組員都經歷了什麼。

但小柴還是再仔細檢查了一遍論文,最終才發表了它。

當然,神岡贏了。蒙布蘭修正了他們的報告,同意了神岡所確認的信號時間

至此,小柴終於把系的緊緊的領帶結,鬆了下來。此時,離他退休只有20天。

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神岡探測器檢測到的中微子脈衝串[1]。

尾聲

2002年,由於對中微子的研究,小柴昌俊獲得了諾貝爾物理學獎。

頒獎後的記者招待會上,小柴特地曬出了自己大學那張倒數第一的成績單,引得現場眾人大笑。

所以,朋友,如果你現在是倒數第一,

不要悲傷,不要放棄,

努努力,你也能創造出比分數更有價值的東西。

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