愛德華·米爾斯·珀塞爾
美國物理學家
愛德華·米爾斯·珀塞爾,男,是1912年出生在美國依利諾伊州的特落威爾,是一位偉大的物理學家。他先在依利諾伊州的馬頓(Mattoon)公立學校受教育;1929年進入印第安納州的普度(Purdue)大學電力工程系學習。
珀塞爾對物理學有著極大的興趣。他在導師指導下做電子反射試驗,並從中發現許多電子反射能夠產生電子影像,而作為粒子的電子具有波的性質。
大學畢業后,他被選為交流學生到德國的卡爾思魯恩高等工業學校留學,在W·韋澤爾教授指導下學習。一年之後,他回國進入哈佛大學攻讀博士學位;兩年之後,珀塞爾成為該大學講師。第二次世界大戰開始后,他來到麻省理工大學放射研究所進行微波雷達開發研究。許多微波波長都是1米以下的電磁波,人們可以將這種波的直線系統用於雷達。
珀塞爾這段經歷在一生中十分有用;他亦因在這一研究所結識了許多著名科學家。後來珀塞爾發現了原子磁共振的吸收。“二戰”結束后,他回到哈佛大學;1949年成為該校物理學教授。
珀塞爾對核磁共振研究是於1945年開始的。他認為,處於原子中心的原子核具有很小的磁場,在原子核外有靜磁場存在時,核的旋進運動就會開始。地球的自轉軸也會產生周期26000公里的旋進運動。從外向輸送電波時,這種電磁波的頻率與原子核的旋進頻率一致,這就是共振。
珀塞爾利用各種各樣的固體和液體試驗材料,測定共振頻率構成這種材料的原子旋進頻率。此後這種現象叫做核磁共振,而且在人類生活的各個方面得到廣泛的應用。
1945年以後,珀塞爾一直在哈佛大學進行研究和教學工作直至1997年去世。
1951年,他也參加了星際空間中性氫原子21厘米(波長)微波發射的檢測工作。奧爾特小組早在第二次世界大戰期間就已經從理論上預言過這種輻射的存在。
核磁共振(NMR)在醫學上的應用,一般是在其他檢查手段所不及的時候使用。
諸如對人體腫瘤的檢查,是將人體置於很強的靜磁場,氫原子的共振頻率與相等的電磁波會瞬間產生;人體中的氫原子核磁共振就會形成放射電磁波,利用人體橫斷面的氫原子就能呈現人斷層的層畫面。人們把這種檢測方法叫做核磁共振(NMR)或計算機掃描畫像(CT)。
就在珀塞爾等人研究核磁共振之後,又有人開發出利用質子和X射線的CT法。
1951年,亦即珀塞爾獲得諾貝爾獎的前一年,他的研究小組從宇宙空間的氫原子中,成功地觀測到波長21厘米的微波。這是第二次世界大戰中荷蘭的延・沃爾特(JAN・Oort 1900-1992)等人從理論上預言的一種波,而在此之前的1927年,沃爾特認為銀河系有數千億個類似太陽的恆星;宇宙間與銀河系相似的星系有數千億個;在宇宙間類似太陽的恆星也有數千億個×數千億個那麼多。
1944年,沃爾特小組發表論文,闡述宇宙間的氫原子理應輻射或吸收的電波波長約為21厘米,構成氫的質子和電子數百萬年間才重複交換各自的自轉方向一次,此時21厘米的電波會釋放出來。
當時,在哈佛大學工作的珀塞爾夫人對這篇論文非常感興趣,於是她支持丈夫搞這項研究。
1950年,美國射電天文學院研究團體成立。這一研究團體從哈佛大學的一個試驗室租借許多零部件製成無線電波收發器持續開展持續開展這項研究。1951年3月,他們終於檢測出21厘米波長的電波。後來荷蘭和澳大利亞的研究小組也觀測出21厘米的電波,當時,3國研究小組的發現報告,刊登在英國著名科學刊物《自然》雜誌上。
珀塞爾開拓的電波天文學取得了許多豐碩成果。類星體、脈衝星,以及宇宙背景輻射的發現等,都是利用射電天文學方法完成的。1963年,旅美荷蘭天文學家馬修・施密特發現,類星體是一種有紅外線光X射線等巨大能量輻射的天體;1967年,英國安東尼・休伊思(Antony Hewish)發現脈衝星是一種電波周期很短的電波星體,最短可達千分之一周期。後來的研究證明,這是超新星爆發之物質在物質在物質太空中只帶中子的超密度中子星。
1965年,最早發現的宇宙背景輻射是美國人阿諾・彭齊亞斯(Penzias)和羅伯特・威爾遜(Robert Wilson)從宇宙的旋轉方向和溫度為攝氏零下270度極低溫度對應的電波。這對於研究數十億年前發生的大爆炸誕生了宇宙,以及宇宙繼續發生膨脹十分重要。
核磁共振和電波天文學的開拓者珀塞爾對醫學和天文學的巨大貢獻令人難忘。