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两周内免登录忘记密码？少年百科知识文库 影响历史进程的科技成就 科学发展演义4_甜梦文库
少年百科知识文库 影响历史进程的科技成就 科学发展演义4
影响历史进程的科技成就 　　　 科学发展演义（四）第五十六回：巧设计是光是电见分晓 细测算，质量电量全找到 ――电子的发现 　　 花开两朵，各表一枝。自从放电管问世以来，人们纷纷研究真空放电， 无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了 Ｘ 射线，贝克勒 尔又从对 Ｘ 射线的研究发现了铀的天然放射性，居里夫妇又进一步从对铀矿 的研究发现了镭。镭可以自己发光发热，这又给物理学提出了一个无法解释 的大难题。从阴极射线引出的一个链条，环环相扣，续续而生，未有穷尽。 但是阴极射线本身到底是什么呢？自然有人会考虑这个问题，这个人就是英 国物理学家汤姆生（１８５６―１９４０）。 汤姆生 １８５６ 年 １２ 月 １８ 日生于英国的曼彻斯特。 他父亲本是一个摆摊卖 书报的小贩，后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的著名的书商。他 从自己的切身经历中深知没有知识的苦哀，便发誓要教子成材。请了家庭教 师指导儿子的学业，并注意培养他的艺术素养。老汤姆生虽是一名书商，可 是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授，二十岁被保送到剑桥 大学三一学院，二十七岁就被选为皇家物理学会的会员。１８８４ 年卡文迪许实 验室主任瑞利年老体衰宣布辞职，大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界 最引人注目的职位，结果瑞利却推荐了汤姆生，这年他才刚满 ２８ 岁。 这时一场旷日持久的大争论正在等待他的加入。六十年代英国物理学家 克鲁克斯发明了一种管子――克鲁克斯管，在一个玻璃管里嵌上相对的两块 金属板，两板各与一条电路相联，一块是阴极，一块是阳极，管内空气抽得 越来越稀薄时，就会出现种种不同的颜色，这种光是由阴极发出的。它到底 是什么呢？以德国物理学家赫兹、林纳德为首的一派认为阴极射线是类似于 光的东西，是电磁波；以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为这是一束带 负电的粒子流。赫兹说，既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内它们路 径上的各种屏障，而又不给屏上穿出洞呢？只有波才有这种特性；克鲁克斯 说， 既然是光一类的波， 为什么我把一块磁铁靠近管子时， 它就发生偏转呢？ 只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就象当年牛顿和胡克、惠更斯争论 光的波粒性一场，又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威，这场 辩论竟持续了 ２０ 多年没有结果。就在 １８９６ 年，汤姆生正好 ４０ 岁时，英国科 学促进会最高委员会将汤姆生召来要他的实验室来解决这桩悬案。 好个汤姆生，由他来担当此任真是再合适不过了，他在电磁学方面有极 扎实的功底，又有一手高超的实验技术。接受任务后他先将以往的研究成果 仔细回顾一番， 发现其实早在 １８３４ 年法科第总结电解定律时已经初步涉及到 这个问题。实验证明，所有化合价为一价的元素，电解出一克化学当量的物 质，都需要 ９６，４９３ 库仑的电量。而一克当量物质所含的粒子数正是阿弗加 德罗常数， ６．０２３８×１０２３ 个。 即 这样就可算出每个粒子上所带的电量为 ４．８０２ ×１０１０ 绝对静电量，它是电的最小单位。就是说电是由这么一点点的小东西 集结而成的，揭示了电的粒子性。阿弗加德罗常数是 １８７０ 年才确定的，七十 年代、八十年代，对这个问题的研究更加深入。１８７４ 年英国物理学家斯通尼 明确提出用“电子”一词来表示电的一个最小单位。但是为什么还是争论不 休呢？因为到此为止也还只是一种理论计算，就象当初居里夫妇发现镭的放 射性，但并没有测出镭的原子量，化学家就直摇头一样。现在只推算电子，而不知道他的重量、性质，物理学家们自然不服，于是汤姆生毅然决定要秤 秤电子的重量。 这可真是异想天开，你要捉一个原子来放在天平上都不可能，一个电子 又如何秤法？这个主意只有汤姆生想得到，也只有他能做到。他既是一个理 论物理学家，又是一个实验物理学家，设计实验是他的拿手好戏。他立即把 学生们叫到一起，准备好一个阴极射线管，射线从阴极一端发出后，穿过两 个很窄的缝，成一细束，打在管子的底部，而底部已准备好精确的刻度，以 便观察射线的偏转。在射线经过的路上，上下各准备两块金属电极板，形成 一个电场。当金属板不通电时射线沿直线打在管底一个点上，通电后射线受 电场的影响发生偏转，并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时 再加一个磁场，使它沿相反方向偏转，又校正到原来的位置。这真是一个极 妙的实验，一丝阴极射线随着电场和磁场的强弱变化忽上忽下，就象有两只 无形的手来回争着将它拉过来拉过去。汤姆生最后让它固定在正中的位置 上，对他的学生说：“现在我们可以来称电子的重量了。这时磁场力和电场 力的大小正好相等，方向相反。根据这个条件我们先来求出阴极射线微粒的 飞行速度。知道了速度就可进一步测其他物理量。比如，我现在撤掉电场， 粒子只受磁场力作曲线运动，我们就可求得它的电荷与质量之比。有了这许 多数据我们就可以去推算质量。只是那法拉第等人当初是通过电解定律来推 算每个粒子上所带的电量，为了证明这个数据我们最好另换一种方法。” 这时在座的一位学生应声答道：“我这里有一种办法可以一试。” 汤姆生一看，说话的正是威尔逊（１８９６―１９５９）。原来，这汤姆生身边 高徒满座，他们一个个都年轻聪明，基础扎实又各有所长。现在说话的这个 威尔逊对大气电学有特殊的兴趣，１８９４ 年他到海拔 ４０００ 多米的尼维斯山顶 旅游，被那里奇丽的雾景所吸引，便深入钻研，终于弄懂这是气压低的缘故。 于是他就在实验室里人工造雾，先是让水分凝结在空气中的尘粒上，后来 Ｘ 射线的发现使他想到空气中离子的存在可能导致云雾的形成。威尔逊想阴极 射线若真是电子粒，虽然这电子粒看不见，可是造成一个条件使带电粒子和 水一起凝结成雾珠，不就可见而且可以测算了吗？威尔逊当即向老师装好一 个简单的仪器。一个大玻璃筒，下面有一个底盘与验电器相连接，筒内充进 潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提，空气膨胀造成云雾，水滴开始缓缓地 向底盘上落去。就是这么个简单的装置却演示出一个很了不起的成果。他们 可以根据云雾向圆盘降落的速度来求雾滴的大小，又根据雾滴的大小和水蒸 气的总量来求出雾滴的总数，再以验电器收到的总电量除以雾滴的总数，就 得出每个雾滴上的电荷值，与法拉第电解定律的求法殊途同归。这真是拐着 弯儿作学问。 好了，现在我们来看汤姆生对电子的称量结果：阴极射线是由带负电的 粒子组成，这种粒子的飞行速度是每秒十万公里；它的质量是氢原子的 １８４０ 分之一；它的电荷是 ４．８×１０－１０ 个静电单位。汤姆生还不放心，又把阴极材 料几次更换，结果都可以发出同样的粒子流。他还发现：不只在阴极射线中， 在其他情况下，如将金属加热到一定高的温度，金属或其他物质受光，特别 是受紫外线照射时，也都能放出电子。后来威尔逊不断改进他的云雾室，居 然实实在在地观察到了电子的轨迹。现在的问题就不只是一个简单的阴极射 线是什么了，它又导出了一个伟大的发现――任何元素中都含有电子。 这电子的质量极小，只有 ９×１０－２８ 克，就是只有一万亿亿亿分之一克。这么小的东西汤姆生也将他称出来了，妙就妙在他能迂回曲折，借助电场、 磁场、雾滴，正如本生借光谱识元素，居里夫妇借电流强度识别射线强度一 样，善于抓住事物间的联系，步步摸索，终于达到目的。不过这回汤姆生绕 的圈子也实在够大了，他的这个实验在科学史上也就特别的著名。 正是： 曲径通幽处，科学无近路。 目的难直达，请君绕几步。 却说汤姆生终于捕捉到电子后， 他的学生们围着他七嘴八舌地问道： “这 个方法也不算太难，为什么过去争吵了二十多年就没有人去做个实验呢？” “事情并不这样简单，我刚开始实验时，曾在两块金属板之间加上一个 电场，射线并不偏转。这是由于有气体的存在压力太高。要解决这个问题就 先要解决真空条件，而当时真空技术才刚刚使用，很不完善。可知一项研究 总是和当时的技术发展水平相联系的。所以，电子的发现并不是我个人特别 聪明，这是前人经过许多知识和技术方面的积累，到现在才水到渠成了。” “老师，这个积累是全社会共享的，为什么同一个时间，同一个实验室， 有人能够利用它去实现新的突破，有的人就做不到呢？” “所以，我要给你们立两条规矩：第一，接受一个新题目后首先要将这 方面的知识系统复习，特别要注意前人已有的成果，这样既避免重复劳动， 又可站在巨人的肩膀上登攀。第二，必须学习好实验技术，全套仪器都要亲 手制作，尽量不使用现成的。” 学生中不知谁怯生生地问了一句，“这样不是太费时间了吗？” “不，费点时间有利于培养你们的创造力。实验室是培养会思考、有独 立工作能力的人，不是要造就一些死成品。你们不仅是实验的观察者，更重 要的是实验的创造者。老师不能教给你所有的知识，而你们掌握了创造能力 后却可以得到前人都得不到的知识。” 这些本就十分聪明的高材生们毕恭毕敬地围在汤姆生身边聆听师训，他 们以后牢记这一教诲，刻苦读书，勇敢创造，这一批学生中竟出了 ５０ 多名卓 有成绩的大物理学家，其中便有威尔逊、玻尔、皮瑟福等九人获得诺贝尔奖 金。汤姆生在卡文迪许实验室任教授和主任辛苦执教 ３４ 年，桃李满天下，育 人成果早超过了那些具体的物理发现。 再说汤姆生发现电子，一时名声大震，许多国家纷纷请他去讲学。但他 有个习惯，就是多做少说，轻易不愿登台报告。美国著名的普林斯顿大学几 次恳求，他才去讲了六小时，而内容却极为精炼。英国皇家物理学会规定每 星期五晚上要举行一次学术报告会。委员会早就为他安排好了讲演时间，他 埋头电子的研究竟拖了三年。直到 １８９７ 年 ４ 月 ３０ 日晚上，他终于登台了。 这天大厅里灯火辉煌，他将关于发现电子的实验一一讲给同行们，在座的物 理学家无论是克鲁克斯派的还是赫兹派的人无不点头叹服，一个比原子还小 的基本粒子发现了，汤姆生被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门 的伟人”。１９０６ 年荣获诺贝尔物理学奖。电子的发现，和 Ｘ 光、放射性一起， 成为十九世纪末物理学的三大发现。汤姆生在那个晚上的演讲中说，电子是 世界上最轻量级的运动员，它如此轻微却联合成一支庞大的队伍，形成了近 代工业中最重要的动力源泉。 电子是发现了，但是它在原子中的位置呢？有带负电荷的电子必定还有 一种带正电荷的粒子与之相平衡，它们两者谁绕着谁运动呢？这又是一个新问题。汤姆生构想了一个原子模型，就象一块西瓜瓤或者是一块夹有葡萄干 的面包。电子就象西瓜籽或萄萄干一样均匀地分布在带正电的粒子中，这就 是有名的“均匀模型”。现在无论是居里夫妇发现镭的自动放热还是汤姆生 发现电子，问题都集中到原子内部来了，一个原子物理的时代就要到来。汤 姆生最先设计的“均匀模型”到底对不对呢？且听下回分解。第五十七回： 悄然无声　　子变成李原子 喜报铁至　　奖却送物理人 ――原子蜕变的发现 　　 上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部，发现了电子并提出一个原 子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢？“不对！”汤姆生万没有想到说 这个话的正是他的从大西洋那边归来的一个学生卢瑟福（１８７１―１９３７）。 卢瑟福 １８７１ 年出生于新西兰一个偏僻的小村庄， 家里有兄弟姐妹共十二 人，这样的家庭自然不能对他娇生惯养，因此小卢瑟福倒尽得自然的优惠。 他和伙伴们或山上放牛，或海边捕鱼，风风雨雨炼出好一副强健的身骨，到 后来他处于文弱的科学家堆中，无人不羡慕他的体格；另一方面潮涨潮落， 那大自然的奥妙又启发了他的智慧，他从小就不满足于只学点能糊口的手 艺，而向往解释宇宙，向往发明，向往创造。１８８９ 年，当他十八岁的时候便 勇敢地去报考新西兰大学的奖学金，无疑这将决定一个农家孩子的命运。这 天他正在菜地里挖马铃薯，他母亲突然气喘吁吁地跑来，还不到地头便兴奋 地喊道：“孩子，你得到了！得到了！” “得到什么了？”卢瑟福还不知是什么事。 “奖学金，考上了！” 卢瑟福闻言将手中的铁锹用力摔在地上，他让自己激跳的心稍稍平静下 来，然后说：“这是我挖的最后一颗马铃薯了。” 他大学毕业后先当了一段时间的中学教师，这时英国剑桥大学又给了新 西兰一个享受奖学金留学的名额，而卢瑟福在大学时就自己动手制成一种灵 敏的检波器，试验了在新西兰大地上的第一次电报，并且还发表了电磁学方 面的论文。商人的资本是钱，学者的资本是论文，卢瑟福就靠这几篇论文来 敲剑桥的大门，果然很灵。他的老师克顿教授为他写了一封很不平常的推荐 信：“卢瑟福先生才华横溢，通晓数学的分析法和图解法，对于电学及其绝 对测定法之最新成就具有极为广博的知识。卢瑟福先生为人诚恳，和蔼可亲， 乐于帮助他人克服困难，凡与他有过交往的人莫不竭诚赞许，尊为良师益友。 我们衷心地祝愿他在英国的科学研究同他在新西兰一样，取得非凡的成就。” 卢瑟福从大洋彼岸的乡村来到剑桥的卡文迪许实验室这个物理精英荟萃 的地方，他一身土气还没有退去。大都市里来的同学都有点瞧他不起，见他 每天只知道埋头读书，便悄悄给他起了一个绰号――从安梯普斯山上抓来的 一只光会挖土的野兔子。一天这些同学从外面归来，卢瑟福正在屋里看书， 便请他们进屋，顺便请教几个问题。他们自然答不上卢瑟福提的问题，而且 发现他桌上有一个从未见的检波器，那手工之精令他们叹为观止。这是由一 根全长仅六英寸的金属线缠绕八十匝而成的线圈，中心一根钢针，长不过一 厘米，直径只有一毫米的百分之七。过了几天卢瑟福就用这个检波器在半英 里外检测电波，并且证明电波可以穿过闹市区、穿过人体和厚墙。而这时马 可尼还没有试验成功他的检波器呢。这件事使汤姆生对卢瑟福刮目相看。他说： “在卡文迪许的所有学生中还没一人对研究所的热情能比过卢瑟福的。” 那些原来瞧不起卢瑟福的学生自然也就十分敬重“这只光会挖土的野兔子” 了。 如果卢瑟福果真沿着研究电磁波的路子走下去，也许物理史就要重写。 是他的老师把他领到了另一个路口上。从这里眺望开去，似乎前景更加美好。 因为这时汤姆生正在研究阴极射线，并且已经找到了电子。居里夫妇在很困 难的情况发现了镭，并且正在全力以赴地提炼它。镭的放射性已引起科学界 的大轰动。电子也好，放射性也好，Ｘ 光也好，这些发现都将人们的视线引 向一点――原子内部到底还有什么未知的秘密。汤姆生建议卢瑟福就来研究 这个课题。而卢瑟福生来是个探险家的性格，他也觉得检波器方面已无什么 可再搞的了，便欣然开始了对原子的探试。 探试的第一步就是抓住镭放射出的射线，看它到底是些什么东西，然后 就可以顺藤摸瓜追踪原子内的秘密。卢瑟福天生是个实验好手，他立即设计 了一个实验，用一个铅块，钻上小孔，孔内放一点镭。这样射线只能从这个 小孔里发出，然后将射线放在一个磁场里。奇怪的现象出现了，一束射线立 即分成三股，有一股靠近 Ｎ 极偏转，有一股靠近 Ｓ 极偏转，还有一股不偏不 倚一直向前。卢瑟福一一给它们取了个名字，分别叫α、β和γ射线。又经 过测定，发现β射线原来和阴极射线一样，就是汤姆生证明的电子流。不过 阴极射线是在真空放电时从阴极表面发射出来的，电子速度小，只有光速的 百分之几，β射线是原子内部发出的，速度可达光速的百分之三十至百分之 九十九，就是说每秒最少 ９ 万公里。它速度快，穿透力就强，在空气中可走 几十米远，碰到几毫米厚的铝片也能穿过，难怪当年贝克劳尔把底片无论藏 在何处都要漏光，正是它在作怪。 α射线和β射线相反，粒子带的是正电荷，质量大，为 ４ 个原子质量单 位，速度小，只有光速的十分之一，又慢又笨，穿透能力弱。一张薄薄的铝 箔、一层裹底片的黑纸，甚至人体皮肤的角质层，都能将它挡住。 γ射线不带电荷，非正非负，处于正中，不受磁场的影响而偏转，它是 Ｘ 射线，不过比 Ｘ 射线的波长还要短，还不到一百亿分之一厘米。 好个卢瑟福，真是出手不凡。十九世纪最后十年的三大发现在他这一个 实验里全部得到解释。老师汤姆生发现的电子流就是他左手中的β射线，伦 琴的 Ｘ 光就是他右手中的γ射线，而贝克勒尔、居里夫妇千辛万苦发现的放 射性却不过是α、β、γ射线这三个希腊字母。镭为什么会发光发热，原来 它在自己放出能量做功呢。当然这里还有许多问题有待探寻，但这些发现足 可以教他和他的同事们高兴一番了。 却说卢瑟福将这些新发现兴冲冲地去向汤姆生汇报，汤姆生自然高兴。 但是他听完汇报后却露出一种怅惘之情， 卢瑟福似有所觉便恭敬地问道： “老 师有什么事要吩咐吗？” “是的，正有一件大事要与你商量。最近加拿大麦克吉耳大学物理系教 授应聘到伦敦担任教职。为了挑选一个他的继任者加拿大方面特意派了代表 来剑桥商谈此事。我考虑再三，恐怕你是一个最合适的人选。” “老师，我是远涉重洋来向您学习的，现在还没有学到多少东西怎能离 去？” “不，你现在已完全能独立开展研究了。象你这样的人才总给我作助手 反而压抑了你的才华，你应该有自己的学生，自己的助手，自己的实验室，放开手脚大干一番了。再者你离开新西兰时就已定婚，也早该成家了，经济 收入也不能不考虑，那边年薪 ５００ 英镑，是一笔可观的收入。上任之后你就 可以接来家眷，一心研究了。” “不过，我今年才 ２９ 岁，我怕自己太年轻，做一个高等学府的教授，人 家不一定看得起。”“不，年龄是次要的，主要的是你有没有挑重担的勇气。 我接替瑞利先生任这个卡文迪许实验室主任时，比你现在的年龄还小一岁 呢。这正是干事业、闯禁区的最好年龄，你决不可随俗沉浮而作贱了自己的 才华。机遇本就不可多得，得到机遇而又失去更会终生遗憾。况且你现在的 名声已足可以和那些四、五十岁的教授相匹敌了，希望你勇敢地去上任吧。 我这里已写好一封推荐信，他们会尊重你的。” 卢瑟福接过信一看，上面写道：“在独创性的科学研究中，我从未见过 有比卢瑟福先生更加热情和干练有为的学生。我认为，不论那个大学，若能 请到卢瑟福先生去担任物理教授，将是十分幸运的。” 卢瑟福听了老师这番话，又看了这封信，十分激动。他感谢汤姆生的知 遇之恩，便问临行前老师还有什么指点。 汤姆生说：“你这一去要当老师了，但要注意向学生学习，敢向自己的 学生学习的人永不会骄傲。你要主持一个实验室了，要选好助手，红花要绿 叶不只为了陪衬，还要向他们吸取养分。要能在自己周围团结起一批人。” １８９８ 年 ９ 月卢瑟福牢记师嘱，横渡大西洋到加拿大走马上任。 他到加拿大之后讲了半年课，利用假期回新西兰结了婚。当他带着妻子 返回学校时，高兴地发现蒙特利尔实验室来了一位新工作人员，叫索迪。他 是这里唯一年龄比卢瑟福小的助手，化学知识却极为丰富，这正弥补了作为 物理学家的卢瑟福在化学知识方面的不足。教授和学生，一个 ３０ 岁，一个 ２３ 岁，但是卢瑟福谨记汤姆生的教诲，与索迪密切合作，他们在一起只有两 年时间，但成果惊人，这种师生的亲密关系和工作效率在科学史上是极少见 的。 索迪还是从研究物质的放射性入手，他很快从钍中分离出一种神秘物 质，它与钍只有原子量不同，其他方面都相同。聪明的索迪立即把这种除重 量不同，其他方面都相同，在元素周期表中占同一位置的元素叫了一个新名 字――同位素。比如钍，便有钍 ２３２、钍 ２２８，而碳的同位素就更多，从碳 １０ 一直到碳 １４。同位素不同在放射性方面也有差异，如铀的同位素，有的放 出α粒子，有的放出β粒子。这样对原子内部的秘密探讨得就更细一步了。 原来这些肉眼看不到的原子就是在悄悄地放出不同的粒子而起变化的啊。 这时卢瑟福又想起在剑桥时就遇到的一个老问题，α粒子从所具有的电 量和质量来看很象一种已知元素――氦。现在有索迪帮忙，他们立即来验证 这件事。他们将少量的镭盐放进一个小玻璃管内，外面再套上一个大玻璃管， 两层管壁间密封并抽成真空。几天之后他们将内外管之间的气体抽出来用光 谱分析法一化验，果然千真万确，就是氦。这只能有一种解释，是镭放射出 的α粒子穿过内管的薄壁进入两层管子之间，看来α射线就是氦流。那么镭 放出α射线后剩下的又是什么物质呢，再一细查，又是一种已知元素――氡。 难怪当时居里夫人在寻找镭时总发现它和氡在一起，其实是镭在不断地产生 着氡。它们的变化用一个简单的式子来表示就是： 226 86 2 88 Ra = 222 R a＋4 H e＋γ 原子序数为 ８８、质量为 ２２６ 的镭经过自发放射变成原子序数为 ３６、质量为 ２２２ 的氡和原子序数为 ２ 质量为 ４ 的氦，还伴有电荷数和静止质量都为 ０ 的γ射线。 以往的化学都是讨论酸呀、碱呀、盐呀等物质之间的化分、化合，而卢 瑟福和索迪现在一下就钻入原子壳内去写他们的反应式了。卢瑟福宣布“放 射性既是原子现象又是产生新物质的化学变化的伴随物。”化学和物理殊途 同归了。 一种元素转变成另一种元素的放射性现象叫做“衰变”或“蜕变”。当 物质在放射性减少到一半时所用的时间叫“半衰期”。半衰期有长有短，铀 的半衰期是 ４５ 亿年，镭的半衰期是 １，５６０ 年。而有的物质半衰期还不到一 秒钟。我看，原子就是这样以无法控制的力量进行衰变，它不断地“爆炸” 飞出自己的碎片―α、β粒子，还释放出以γ射线出现的其他能量。只β粒 子的速度就可达光速的一半，一个小小的原子里含有多大的能量啊。卢瑟福 立即发现了一个新的世界，其意义就如歌伦布发现新大陆，牛顿发现了宇宙。 一时卢瑟福成了人们议论的中心，连居里夫人也呼吁物理界的同行们要注意 卢瑟福的研究。 １９０７ 年 １０ 月卢瑟福又重返英国到曼彻斯特大学任教，他的学生们又从 世界各地追随而来，他荣誉越多却越谦虚谨慎。卢瑟福本来就身体魁梧，又 从小在农村长大，所以他除了紧张的科学实验外还自己收拾了一个大花园， 种草植树，常亲自挖土施肥。他也常在广场上的小咖啡馆里和进城的农民边 喝咖啡边聊起今年的收成，讲得非常内行。可是有时他碰到合适的对手又会 突然谈起高深的原子物理。一次一个记者向咖啡馆的老板打听道：“这个农 民是谁？”老板告诉他：“这就是卢瑟福。”那个记者惊得伸出舌头竟半天 收不回去。 再说那个刚来英国时被人称为“野兔”，现在又被人当成“农民”的卢 瑟福，这天正在实验室里安心工作，他的学生罗兹突然跑进来喊道： “快看， 瑞典寄来的邮件！” 卢瑟福接过一看，是颁发诺贝尔奖的通知书。实验室立即沸腾起来，学 生们都围上来激动地祝贺、欢呼。 可是当卢瑟福打开信细读时不由的大笑起来：“你们看，他们给我发的 是化学奖，这真是太妙了。我这一生研究了许多变化，但是最大的变化是这 一次，我从一个物理学家变成了一个化学家。” 正是： 海军也有陆战队，空军不能无伞兵， 科学本是总体战，物理化学不可分。 却说卢瑟福收到颁发诺贝尔奖金的通知，大家正闹哄哄地议论如何去领 奖，卢瑟福却说：“这奖金放在那里总是跑不掉的。现在要紧的是要抓紧实 验，我们已经发现了原子内的这许多小东西，它们在原子内到底该怎样摆布 呢？” 毕竟卢瑟福说出一个什么样的原子结构，且听下回分解。第五十八回： 茫茫太阳　　是小原子 小小原子　　有太阳系 ――原子核的发现 　　 上回说到物理学家卢瑟福，却收到一张要他去领诺贝尔化学奖的通知。但是卢瑟福还是关心物理本身的问题，领奖回来之后便将助手们召集在一起 说：“过去我们只是捕捉了放射性元素自己衰变时放出的粒了，除了这些粒 子到底原子内还有什么东西就不得而知。还有那些不会天然放射的元素我们 就更难知其家底。不入虎穴焉得虎子，现在唯一的办法就是要将原子砸碎， 看看他里面到底还有什么东西？” 卢瑟福天生一个帅才，他来曼彻斯特还没有几天，身边早已聚集了盖革、 莫斯利、玻尔、查德威克、安德雷德等一批年轻人，他们来自德、英、法、 丹麦等国，卢瑟福的实验室简直是一个“科学国际”，而这些人以后也都成 为一个个很有建树的物理学家。当时他们一听卢瑟福的战斗动员令，就磨拳 擦掌，立即开始一个新实验。 新实验是这样设计的：要打碎原子就得找一种炮弹，当时看来最理想的 就是α粒子，它速度快，质量重。原子结构如果真的是汤姆生所说的西瓜模 型，α粒子就会顺利地穿过松软的瓜瓤而笔直地前进。而这时盖革已经帮卢 瑟福设计好了一个能计算出镭放射出α粒子的仪器。这是以后所有向原子核 进攻的科学家都离不开的武器，它就以盖革的名字命名，叫盖革计数器。靠 盖革计数器他们已能准确地算出在千分之一克镭里，每秒钟能发射出 １３６， ０００ 个α粒子。现在他们准备好了放射源，又以金箔为靶子，靶子一边放一 个荧光屏，通过显微镜观察穿过金箔的α粒子是否都落在了屏上。 这是一种很费力又很枯燥的工作，助手们常常坐一天也看不出什么新情 况。一天，卢瑟福推门走进实验室，凑到显微镜前看了一会儿荧光屏上那一 点点的闪光。盖革说：“也许汤姆生的模型是对的，你看α粒子全都顺利通 过了。” “果真是全部吗？要多看，细看，实验要重复几次，几十次、上百次， 只有重复才能发现偶然的现象，而必然的规律又常常寓于这个偶然之中，居 里夫人不是重复测试了几乎能找到的所有元素，才找到有放射性的镭吗？” 卢瑟福说着将荧光屏和显微镜从金箔后面移到侧面，他吩咐盖革多换向 个角度，多看一会儿。又过了一天，他正在办公室里备课，盖革急慌慌地跑 进来，拉着老师就往实验室里走。原来他发现了一个偶然的现象，就是虽然 绝大部分α粒子都沿直线穿过了金箔，但是也有极少数的α粒子却出现偏 转，有的大于九十度，还有的甚至出现一百八十度的偏转，竟直直地反弹回 来。卢瑟福从此就钻进实验室里，一连几天没有出来。他对学生们说：“我 们发现了一个多么奇怪的现象，就好象是一群炮兵对着一张薄纸片开炮，而 炮弹反而又被弹回炮筒里。虽然弹回来的极少，但这里面必定有一个我们还 未发现的秘密。”他们经过大量的数据记录分析，知道了射出去的每八千个 α粒子就有一个被弹回来或者偏到一旁。 正是： 阿翁海边点沙粒，第谷深夜查星辰。 更有卢氏数原子，科学属于细心人。 却说卢瑟福和他的学生们将反弹回来的α粒子仔细一数，立即悟出一个 道理。α粒子带正电，比电子大七千倍，电子没有这么大的力气使它偏转。 那么除电子外原子内一定有一个集中了全部正电荷而且质量很大的核。它对 α粒子有一个很强的电荷排斥力，α粒子一碰到它就会被一把推了回来。但 是这个核很小，他在整个原子中的位置犹如太阳在整个太阳系里的位置，四 周是大大的宇宙空间，难怪发射八千个粒子才有一个可能撞上它。于是卢瑟福立即抓过一只铅笔在纸上随手画了一个图说：“你们看，我认为原子模型 可能不是汤姆生先生描绘的那个西瓜，倒是哥白尼描绘的太阳系。原子的中 心有一个带正电、体积小、质量大的核，核外空荡荡的天空里有一些质量很 小，带负电的电子在绕它运动。” 助手们闻听此言一齐欢呼起来：“您是说我们在小小的原子内部又发现 了一个太阳系？” “是的，正象伽俐略、牛顿发现天上地下一个样，我们又发现太阳系和 原子内部一个样。不过这微观世界会另有一套规律，还需要我们仔细去摸索 呢。” １９１１ 年卢瑟福提出了原子的“太阳系模型”，是科学史上的一项伟大成 就。原子和原子核物理学从此发展起来。后来他的学生玻尔又把量子论引到 原子结构中来，修改了这个模型，使之更加完善，人们就把这个模型称为卢 瑟福―玻尔原子。这个模型成功地解释了许多物理、化学现象，促进了以后 的原子能研究。我们现在已经知道核的体积还不到原子体积的一万亿分之 一，但它却占据整个原子质量的百分之九十九点五以上。就是说它本身的密 度实在是大。如果设想一粒蚕豆全部以原子核组成，那么它的质量就会达到 一亿吨！你绝不要想用手去拈得动这粒豆子，因为通常运输一亿吨的物资， 就需要用能绕赤道一周的列车来装呢。 再说 １９１９ 年第一次世界大战刚结束不久，英国教育界正百废待兴。战争 期间卢瑟福也被征入海军，研究了几年怎样打潜艇。这时，科学家们又都渐 渐回到了自己的实验室，而汤姆生现在已是 ６３ 岁的老人，还身兼三一学院的 院长，再领导卡文迪许这个处于物理世界最前沿的实验室已力不从心。他想 起了自己的得意学生，便四次写信诚恳地请卢瑟福来接此重任。 １９１９ 年 ４ 月 ２ 日，卢瑟福正式到卡文迪许上任。这是他一生中的第三个 阶段，也是最后一个阶段。他自任教授以后三易其地，但是由于他的刻苦、 谦虚，每到一地都干出了惊人的成果，而且每到一地在他的周围就立即团结 了一批有为的年轻人。这次他到卡文迪许一上任就宣布了一个新课题――研 究原子核的构成。在曼彻斯特时，他打碎了原子，现在他又要打碎原子核了。 在一间专用实验室里，窗帘拉得很严，屋角点着一盏光线微弱的煤气灯。 助手们已经提前来到，他们必须先适应一会儿屋内暗淡的光线。对面是一架 很简单的仪器，使α粒子穿过氮气打到靶子上，再通过显微镜观察荧光屏上 的闪光点。走廊上响起卢瑟福咚咚的脚步声，他连走路也象个结实的农民。 接着助手们听见了他哼的小调“前进，基督的士兵”。大家相视一笑，这是 教授的习惯，每当哼这支歌时实验就快接近成功，如果哼起“大干一场”， 不用问，是实验遇到了麻烦。门开了，背后响起卢瑟福宏亮又亲切的声音： “孩子们，准备好了没有？” “准备好了。” “开始。” 大家各就各位，要卢瑟福坐在一边喝茶，有时还讲一个幽默的小故事。 卡文迪许实验室有着最优秀的人才，最严格的科学精神，却有一种最和谐的 气氛。人们把这里称为 “科学天才的幼儿园”，研究生们都尊称卢瑟福为 “父 亲”，而卢瑟福也常常高兴地喊他们“孩子们”。这群“孩子”来自世界上 不同的地区，不同制度的国家，他们离开家寻找自己事业上的父亲，都有一 些曲折的经历。查德威克在曼彻斯特时期就曾追随他，战争中曾被德军俘虏，但是战争一结束便又回到他的身边。从苏联来的青年彼得?卡皮查，初登卡 文迪许的门时卢瑟福并不准备收他，因为这里几乎每天都有人想跻身其中， 能当卢瑟福的一名研究生是青年人的最高荣誉。卡皮查问：“卢瑟福先生， 我能来卡文迪许做一名研究生吗？” “对不起，我这里的名额已经满员。” “实验室里的名额允许不允许有一点误差啊？” “一般不得超过百分之十。” “那就好办，你们一共三十人，加我一个还在允许范围之内。” 卢瑟福对这些“孩子们”真是倾注了父亲般的爱。战争期间，助手莫利 斯上了前线，这是一个极有才华的青年，人们都推测他可能是第二代的卢瑟 福。人才难得，卢瑟福通过有关方面采取措施要调他回来。但是调令还未发 出，一颗子弹已打中了他的头颅，他死时才 ２７ 岁。卢瑟福大哭一场，痛呼这 是英国在战争中最大的损失。苏联青年卡皮查在他的精心培养下已经成为一 名有成就的物理学家，但是 １９３４ 年当卡皮查回苏联开会时却被扣留下来，再 不许返回。卢瑟福立即写信向苏联政府交涉，还是没有结果。他叹息道： “卡 皮查的研究刚刚起步，他离开这里的实验室将一事无成。既然他们不让人回 来，我就将仪器送去吧。”他真的派了一个代表团将卡皮查工作急需的仪器 送到了莫斯科。平时，每星期五下午卢瑟福都要让妻子准备一个茶会，来招 待他的学生。大家边喝茶，边讨论问题，许多新思想，新的实验设计方案就 在这时诞生。助手们后来回忆说：“他倾听一个学生发言时，就好象在恭听 一个公认的科学权威的意见。”这样一个严格而又民主的科研集体，怎能不 成果累累呢？闲话少叙，我们看现在卢瑟福和他的这群“孩子们”又创造出 了什么奇迹。 卢瑟福小心地把荧光屏调离发射源，相距已经长达 ４０ 厘米，可是荧光屏 上仍可看到闪光点。这还是α粒子吗？不可能，α粒子射程极短，根本达不 到玻璃管的这一端。看来这是在α粒子冲撞下氮原子的碎片。他们一测，果 然这时的氮已经转变成另一种元素――氧 １７，并放出了一个质子（氢核）。 这样，卢瑟福就以人为的方法在世界上第一次分裂了原子。１９２６ 年他和查德 威克用α粒子成功地轰击了镁和铝等轻金属原子。接着在他的指导下瓦耳顿 和科克拉夫特又制成了一架巨型的原子捣碎机。这架机器就以卢瑟福的一本 书的名字《当代炼金士》来命名。这架机器能使原子量为 ７ 的锂被氢所渗透， 最后形成一个原子量为 ８ 的不稳定原子。它很快又分裂成两个原子量各为 ４ 的氦原子。 这件事情一传出来，报界又是一场大轰动。许多报纸都以特大标题报道： “原子分裂了”、“现代炼金术出现了”。正象当年 Ｘ 射线一发现就有投机 商推销防 Ｘ 射线的衣服一样，社会上一些角落里不知怎么一下冒出那么多骗 子，他们到处宣传自己已经能用普通的钢铁制造金子。而一些神经质的老妇 人不断写信到报社，询问世界的末日是否真的就要来到。达尔文的进化论推 翻了上帝造的物种，而卢瑟福的原子理论将上帝造物用的最小零件都打得粉 碎。难怪那些唯心论的遗老们这样害怕，而那些投机商们则乘机大肆行骗、 捞钱。以每一次科学发现为触媒，社会总要掀起一场不大不小的骚动。 现在连科学圣地卡文迪许实验室也不得安静了，关于炼金方面的报告不 断送来，许多自命不凡的发明家常常上门自荐，一些商人也来打听有无合作 的可能。为此卢瑟福只好出面举行一次记者招待会。“请问，您关于原子分裂的研究会不会使贱金属变成黄金？”“我们对自己从事的科学工作的商业 利益毫无兴趣，所以从未考虑过什么炼金发财。我们的目的只在于探索元素 之间相互转变的可能，只在于扩大知识领域。” “现在常有人声明他们已能炼金，您怎么看这样的事？” “把一种金属变成另一种金属，并不是不可能的。不过，至少在相当长 的一段时间里，要使之商品化是不可能的。” “关于原子的研究会给将来带来什么影响？” “这问题我很难回答。我们卡文迪许的人一向只注意挖掘自然界里真正 牢靠的事实，决不靠一些数字和符号来编织什么理论。随着时间的推移，原 子内部的秘密一定会更多地被挖掘出来，可以肯定，到那时：一是那些炼金 的骗子们决不敢再这样骗人；二是世界将因新技术的使用而更文明。那些神 经质的老妇人也可以放心，世界末日永不会来临。” “过去的许多理论已不能解释现在的现象，物理学是不是正处在一个危 机时期？” “相反，我认为近三十年来倒是物理学史上无与伦比的，最活跃的时期， 它出现的成就足可以和当年达尔文在生物学方面的开拓相比美。” 为驳斥社会上就原子分裂而出现的各种奇谈怪论，卢瑟福公开发表了一 个声明。这种乱哄哄的局面终于过去了。１９３２ 年 ４ 月 ２０ 日，卢瑟福在皇家 学会上正式解释了原子捣碎机和他做的关于原子嬗变的实验。和社会上的情 况成鲜明的对比，大厅里静悄悄的，卢瑟福很平静地讲述着，分析着，台下 的人仔细地听着。大家都不说话，但心里谁也明白：一个新的时代――原子 时代就要到来。 这个时代将是个什么样子？且听下回慢慢分解。第五十九回： 晴空里飘来一朵乌云 死水上吹起一阵清风 ――量子论的产生 　　 上回说到卢瑟福和他的助手们造出原子捣碎机，一步步地向原子内部进 军。这户瑟福是个伟大的实验物理学家，在他的面前没有解决不了的难题。 他特别强调实验，他喜欢引用波义耳的一句话：真正的科学就是旨在应用的 知识。他还嘲笑一些人整天坐在书斋里，只凭书本上的现成公式来研究科学， 说这是一种危险的消遣。有一次甚至说那些理论物理学家们的气焰未免太高 了，现在是我们实验物理学家该让他们冷静的时候了。他这些话也未免有点 偏颇。 其实一门科学的进步，理论和实验是不可缺少的左右腿，它们总是一前 一后交替前进，哪能再分高低呢？而卢瑟福在原子实验方面积累了许多事实 之后，他万没有想到现在真的需要那些曾被他挖苦过的理论物理学家们来帮 忙了。 这事还得从头说起。到十九世纪末叶之时，经典物理学大厦经过了从牛 顿到麦克斯韦这些大师们的精心设计和建造，真可谓尽善尽美了。大自然中 的物理现象也都能用经典理论解释得清清楚楚。可是好景不长，也真怪物理 学家们无事生非，不知谁先想出了一个题目，要是一块全黑的物体，它是怎 样吸收外来的热量又怎样放出热量的呢？比如一块铁吧，我们可以把它看成 近似的黑体，给它加热，它开始吸收热能，铁块会先呈暗红，而黄而白，发 出耀眼的光线。这就叫“黑体辐射”。扫经典理论，热的辐射和吸收是一个 完全连续的过程，就象管子里流出来的一股水，光和辐射热是一种电磁波。 这条连续性原理是经典物理学的一块基石。可是那些无事生非的物理学家们 终于难自己找来了麻烦，他们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能 使辐射能量和辐射光谱统一起来。所以，当时代步入 ２０ 世纪第一个年头时， 物理学界的老前辈开尔文在新年祝辞中一面庆贺物理学的新胜利，一面又忧 心地提到，天空又出现了两朵乌云，这便是其中之一。 既然辐射能量随温度的升高而增加，于是问题的焦点就是求出能量、温 度与波长之间的关系式。英国物理学家瑞利和金斯得到一个公式，它在解释 波长较长、温度较高时的黑体辐射现象时还能说得通，但是要把它用于短波 的紫外光区，立即出现一个可怕的现象――全部能量老早就在一次性的紫外 辐射中散光了。正象我们计算一个十岁的孩童的年龄时，误把一月当作一年， 结果他早该不在人世了。这当然是一个纯理论的推断，但却得出一个可怕的 结果。物理学家们立即给它起了一个不祥的名字，叫“紫外灾变”。而同时， 有一个德国人维恩也推出一个公式。维恩公式正好相反，它适用于波长较短、 温度较低的情况，而对长波的红外区却又是一个场“红外灾变”。又好象我 们计算一个古稀老人的年龄时，却误以一世纪为一岁，结果他还没有出生呢。 但是这两个公式依据的都是经典物理学的同一原理啊，何以如此水火不容 呢？ 各位读者，说到这里让我们回想一下本书前面曾叙述过的一个实验。按 照亚里斯多德的说法，物体下落时肯定是重物比轻物的速度快。伽利略不信， １５９０ 年他在斜塔上把一个大球和一个小球同时往下一丢，结果同时落地。他在同守旧分子的辩论中用了一个很好的推理：如果把两个球绑在一起，下落 速度可能有两个，一是比大球快，因为两球比一球重；二是两球的平均速度， 小球慢，当然要扯大球的后腿。显然这两个结论是矛盾的，但是它们都是根 据同一个亚里斯多德的原理啊！于是伽利略大胆地喊了一声：亚里斯多德错 了，只有我的实验才是对的。 现在经典物理学也遇到这个问题，根据同一原理怎么在一个黑体辐射问 题上得出了两个相矛盾的结论呢？物理学家们惊呼晴朗的天空出现了一朵乌 云（请读者注意以后还会出现一朵）。 现在也该有一个不知名的新人物出来，如伽利略那样大喊一声：经典理 论错了！并且拿出自己正确的解释。 真是时势造英雄。这个人来了，他就是普朗克（１８５８―１９４７）。 普朗克 １８５８ 年 ４ 月 ２３ 日生于德国的基尔。就在这一年本生和基尔霍夫 开始研究光谱分析法，而基尔霍夫也没有想到这个呱呱堕地的婴儿将来就要 做他的学生和继承他的教授席位。普朗克少年时代极喜欢音乐，以至于中学 毕业后，选择专业时，在音乐和自然科学间犹豫再三，就是到了大学里他还 留恋音乐，并且亲自领导了一个乐队，又是学院合唱团的指挥。这时，在他 通向荣誉的大路上又遇到一次小小的干扰，老师坚决反对他专攻理论物理。 １９２４ 年普朗克在讲演中回忆说：“当我开始研究时，我可敬的老师约里对我 描绘物理学是一门高度发展的，几乎是尽善尽美的科学。现在，在能量守恒 定律的发现给物理学戴上桂冠之后，这门科学看来很接近于采取最终稳定的 形式。也许，在某个角落还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研 究和分类。但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的；而理论物 理学正在明显地接近于如几何学在数百年中所已具有的那样完善的程度。” 幸亏中学和大学的这两次干扰没有动摇普朗克最终的决心。 ２１ 岁时通 他 过了博士论文，他关于热力学方面的研究已开始孕育他将来的新思想。可惜 他关于这方面的论文先是被基尔霍夫当作错误观点放在一边，后来他又在物 理学会宣读，但全场除一人发言外，其余的人毫无反应，而这一人还是表示 反对。关于这件事，他在自己的回忆录里写道：“这是对我那热烈的想象浇 了一瓢冷水，我步行回家，抑郁寡欢，但很快就找到了安慰，因为我想：一 种好的理论即使没有巧妙的宣传也将会得到承认的”。 普朗克环顾周围无一知音，真是愁闷之极。柏林西郊的格吕内瓦尔德有 一片 ３０ 多平方公里的松林，里面湖泊星罗棋布，煞是安静。普朗克便带上十 几岁的儿子到这里散心。儿子当然理会不懂他这高深的理论，但是他还是滔 滔不绝地说着自己的想法，并扯下一根松枝，狠狠地一折两截，大声说道： “我现在发现的那个东西，要么荒诞无稽，要么也许是牛顿以来物理学上最 伟大的发现之一。”但是，除了微风摇动树叶掠过湖面之外，松林间再无一 点声音。那些粗大的松树矗立着，俯视着这个奇怪的不速之客。普朗克腿一 软，颓然靠在树根，呆呆地看着湖面上由近而远的一层层的波纹。 正是： 不到清明不下雨，不遇春风不吐芽， 时机未到旦等待，有苞必定会有花。 这机会终于叫他等到啦。１９００ 年 １０ 月 １９ 日，柏林物理学会又在举行讨 论会。 物理学家库尔鲍姆在会上报告了他最近的实验， 数据表明虽克服了 “紫外灾变”，但仍与维恩公式不符，又是那道不可逾越的难题。谁知这时普朗 克恰巧在座，他前几天就知道了这个实验，这种尴尬局面本是意料之中的事。 这真是天赐良机，普朗克立即上前在黑板上写出一个自己推出的公式。这个 式子无论对长波、短波、高温、低温都惊人地适用，瑞利―金斯公式和维恩 公式被和谐地统一到一起。于是满座大惊，虽然还没有一个人能完全弄清楚 这个新公式，但是在事实面前却再无人能提出反对意见。会后普朗克的一篇 只有三页的短文在物理学会通报上发表了，它成了物理学史上的一块里程 碑。 物理学会再也不能轻视普朗克的挑战了，两个月后，１９００ 年 １２ 月 １４ 日 他们在国会大厦附近的赫尔霍姆茨研究所召开会议，特请普朗克介绍这项新 发现。请读者记住这个日子，这天便是量子论的诞生日，它奠定了 ４５ 年后原 子武器的原理。普朗克早就如骨鲠在喉，今天终于能说他个痛快淋漓：“一 言以蔽之，我做的这件事，可以简单地看作是孤注一掷。我生性平和，不愿 进行任何吉凶未卜的冒险。但是我经过六年的艰苦摸索，终于明白，经典物 理学对这个黑体辐射问题是丝毫没有办法的。旧的理论既然无能为力，那么 就一定要寻找一个新的解释，不管代价多高也一定要把它找到。除了热力学 的两条定律必须维持外，至于别的，我准备牺牲我以前对物理所抱的任何一 个信念。问题往往是这样，到实在不能解决时，抛弃旧框子，引入新概念， 就立即迎刃而解了。” 普朗克引入了一个什么新概念呢？就是说辐射的能量不是连续的，如管 子里流的水那样；而是成一小份一小份的，象机关枪里不断射出的子弹。这 一份一份就取名为“量子”，量子在拉丁文里是“分立的部分”或“数量” 的意思。把一个整体的连续的能量换个角度看作是无数量子的集合，问题就 好解决了。这样还不好懂，我们举一个相似的例子，这本书中曾写到祖冲之 求圆周率的故事。圆，这个光溜溜的家伙真不好下手，但是祖冲之偏不把它 看成是连续的、完整的圆，而认为是一个圆内接的无限多的正多边形，边越 多，就越趋近于圆，而那个圆周率也越求越精，但总求不完： π＝３．１４１５９２６５３５８９７９３２３８４６２６…… 普朗克现在把能量分成许多能量子，这些能量子相加就趋近于它的总能 量。能量子又与它的频率有关，他得出这样一个公式： 能量子＝ｈ×频率 ｈ 后来被称作普朗克常数，是： ０．００００００００００００００００００００００００００６６……这真是小到极点，它表示我们把 每一块物质看成一些跳动的粒子时，这个跳动是多么微弱。但是不要忘了， 就是这么个小数字却决定着原子弹那威力无比的爆炸。 但是，普朗克这个新理论实在是太革命了。物理学会虽然请他作了报告， 可是还没有一人相信这个新观念，连普朗克本人也觉得最好能把新旧理论统 一起来。他虽然勇敢地提出了新观念，但就如儿子对一个专横守旧的父亲， 忍无可忍而猛击了反抗的一掌，而这一掌刚打过，他就立即受到一种伦理上 的自责。在后来一段时间普朗克总在寻找更好的办法把新观念纳入旧理论。 就象牛顿后来用科学来证明上帝一样，一个新理论在诞生之初经常会表现得 惴惴不安，不敢立即脱离它的母体。 但，正当普朗克孤立无援而且自己也有四年时间裹足不前时，瑞士专利 局的一个小职员发表了一个重大的声明，带着增援部队杀上阵来。这个人就是当时还未出名的爱因斯坦。他提出一个光电效应理论，比普 朗克还要大胆。普朗克说物质是一份一份地吸收或放出能量，爱因斯坦说还 不止于此，每个能量子在脱出物质之后必定以某种方式表现为象一个粒子， 一个光粒子，即我们现在说的光子。实验证明在光电效应中，当光的速度， 即光的量增大时，电子的速度却不能增大。这用麦克斯韦的经典电磁理论无 法解释。而爱因斯坦的新理论立即来拯救这又一个新的“紫外灾变”了。光 子象子弹，射在金属上的子弹越多，撞出的电子数越多，但并不能增加它的 速度。要想增加电子的飞出速度，就得改用重子弹，加强碰撞力――这就是 提高效率。好了，这一下天衣无缝地证明了我们上面提到的普朗克公式：能 量子＝ｈ×频率。这对普朗克真是在关键时刻最关键的支持。爱因斯坦因此获 得 １９２１ 年的诺贝尔奖金。当然普朗克也获得了 １９２０ 年的诺贝尔奖金。他在 一次演说中谦虚地说：“如果一个矿工发现了一座金矿，那是因为地下本来 就有金子。我不去发现量子原理，也总有人会去发现它的。”物理学到一定 阶段总要推出自己的代表人物的。这是后话。 再说在风雨中艰难挣扎的量子论有爱因斯坦这个将振臂一呼，总算举起 了一杆义旗，陆陆续续了有人加入了这个队伍。于是物理学家能斯特便想召 开一个专门会议，检阅一下量子论的队伍以振奋士气。他找到了实业家兼业 余科学家索尔维，请他出钱赞助。这个索尔维是比利时人，他因为发明了新 的制碱法成了百万富翁。这年他已七十多岁，不由想到死后这笔财产怎么处 理，何不学诺贝尔，也来资助一下科学发展呢？这样他就欣然答应赞助。两 人与普朗克商量后，立即向 １８ 位有影响的物理学家发出了会议通知。而这个 通知本身就很有学术价值，幸亏它还原封保存了下来。 我们现在的物质分子运动所依据的那些基本原理，似乎正处在革命性的 变革之中。一方面，这个理论一以贯之的发展，导致一个其有效性同一切实 验发现相抵触的辐射公式，而到现在为止还没有任何人提出过异议；另一方 面，从这理论导出的某些有关比热的公式被大量测量数据所彻底推翻。 象普朗克和爱因斯坦所特别提出的那样，只要对电子和原子在其平衡位 置附近的振动作某些限制（能量子理论），这些矛盾便立即消失。但是这个 概念离开迄今所应用的那些运动方程是那么远，以致如果接受了它，就势必 要对我们现有的种种基本观点来一番大的改造……。 １９１１ 年 １０ 月 ３０ 日，当时世界上在这一领域内最优秀 １８ 名领袖齐集布 鲁塞尔的大都会饭店。 但是年高望重的瑞利未能到会，他送来一封短信，对量子论表示反对。 琼斯和彭加勒两个大人物也表示反对。不过，临散会时彭加勒已经背叛了经 典原理而加入这支义军。还有卢瑟福、居里夫人等五位实验物理学家，他们 对这个很玄的理论问题原来也不怎么关心，所以持中立立场，其余十一位科 学家表示赞成。十一年过去了，这支新军从一人发展到十二人，虽还不算壮 大，却也稍成气候了。 会议的主力当然是普朗克和爱因斯坦了。过去他们只是通信，互表支持， 现在为了共同关心的理论相见于会议桌旁，倍感亲切。普朗克说：“我应该 首先表示对您的感谢。是您在我最困难的时候对我和这一幼弱的理论给予了 极关键的支持，并且阐述得比我自己更深刻，更完善。” “不，您这一发现才是真正的伟大惊人之举，可以预见它将成为二十世 纪整个物理学研究的基础，分子、原子以及它们变化的能量过程的理论都离不开这一理论的支持。可惜现在人们还不能充分意识到这一点。” “是的，今天我们一共才邀集了 １８ 个人，而且意见还不尽一致。我想再 过一年，最多两年，我们将会看到，经典理论中现已显现出来的那个裂缝将 不断扩大，那时目前还置身于这个问题之外的人将统通会卷了进来。” “我相信，用不了两年，这次会议之后就会出现一个量子热的。” “不过爱因斯坦先生，您的聪明智慧胜过我十倍，为什么您不全力以赴 在这个理论上再做贡献呢？” 爱因斯坦幽默地捋了一下他的短胡子说：“可惜上帝给我的精力有限， 而他又给物理学的晴空里送来两朵乌云。我现被那另一朵乌云罩住正脱不得 身呢。” 爱因斯坦说的另一朵乌云是什么，且听下回分解。第六十回： 小实验 破旧理论 巧裁缝难补百纳衣 ――以太说的被否定 　　 上回说到普朗克等十多位物理学家在布鲁塞尔高高兴兴地聚会，普朗克 问爱因斯坦何不索性入伙，全力来攻量子论。爱因斯坦提醒他不要忘了物理 学的天空上除“黑体辐射”外还飘着另一朵乌云。 各位读者，你道这朵乌云是什么，这便是那个权威的“以太说”，突然 遇到了挑战。 原来自从牛顿创立经典力学之后，这物理学的大厦真是金碧辉煌，美妙 之极，无以复加。难怪当年普朗克的老师都劝他再不要在物理研究上打什么 主意。牛顿力学是一把万能钥匙，好象凡自然界的现象都能用它一一解释。 你看若大个宇宙都在牛顿的手中掌握，伸手一指，那隐匿极深的海王星就赶 快前来报到，再掐指一算，外出 ７６ 年的哈雷慧星也要按时回来复命。另一方 面它又成功地解释了我们生活中诸如拉车、走路、流水、刮风等小至鸡毛蒜 皮一样的问题。于是力学的分支越来越多，如流体力学、刚体力学、弹性力 学等等，人们也越来越愿意把一切运动变化都归结为简单的力，如：“化学 亲和力”、“生命力”、“光反射力”、“电接触力”等。仿佛世界上的一 切都可以套用机械的力学来解释了。 牛顿的“力”这样神奇，那么它通过什么传递呢？扒车得用手抓住车把， 碧波荡漾离不开水，声波传播离不开空气。可是地球离太阳一亿五千万公里， 这之间既无水也无空气，太阳借什么媒介来施展自己的引力呢？物理学家们 又想出一个假设，说宇宙间充满一种很稀薄的物质，天体或其他物体间的作 用就靠它作媒介，笛卡儿借用古希腊的哲学名词，引力靠以太传播自不必说， 法拉第的电磁力也离不开它，麦克斯韦证明光也是一种电磁波，当然光的传 播也就离不开它了。更重要的是，以太的存在正好说明牛顿的绝对时空观， 有了这么一个绝对静止的以太才会有地球、太阳等一切相对于它的运动，要 不那些星球的运动拿什么来参照？以太成了 １９ 世纪中期物理学家们最温柔 的保姆，成了他们可以信赖的上帝。 但是总有一些聪明、勇敢的人在一种迷信和一片虔诚中首先提出问题。 这以太既然无处不有，为什么我们就感觉不到呢？另外，光波是一种横波， 横波必得由固态介质传递，以太即该是固态了，但这样一来就等于我们被浇 铸在一个透明的以太玻璃球里，可是又不影响我们随意的动作――这真是太不可思议了。 有疑必定有问。事有凑巧，１８８４ 年，那个治学严谨，轻易不外出讲学的 汤姆生终于被请到美国来作报告了。美国当时比起欧洲来科学很是落后，它 就想方设法请名家来讲学，以后还重金收买人才。汤姆生的来到自然是一大 喜讯，报告那天科学界人士济济一堂。报告休息时大家又挤到这个世界名人 跟前七嘴八舌地问这问那，自然也提到那个神秘的以太问题。汤姆生说： “以 太到底是否真有其物，现在还不能定论。我们只知道地球是以每秒 ３０ 公里的 速度绕日运行，那么迎面就应该有一股以太风不断吹来。如谁能用实验证明 了这股风的存在也就证明了以太的存在，但这要靠实验。”又是说者无心， 听者有意。这时在人群里有一无名青年，听到权威汤姆生的这句话心中不由 一动，一个新研究课题便咔嚓一声在脑子里挂上钩了。 这个青年就是迈克尔逊（１８５２―１９３１）。他原是德国人，两岁时父母带 着他飘洋过海到美国来谋生。十七岁时他考进海军学校，在海军服役期间省 吃俭用积攒了一点钱，便于 １８８１ 年到柏林、巴黎等地留学了两年，然后又重 返美国。真是人各有好，迈克尔逊被光的各种现象迷得如醉如痴，在欧洲到 处拜师访书，专解这方面的谜。他在欧洲还亲自研制了一台可以测定微小长 度、折射率和光波波长的光的干涉仪。就是用这台干涉仪他于 １９２０ 年测算出 了猎户星座一等变光星的直径为两亿四千万英里，大约是太阳直径的三倍， 这是天文学史上第一次准确地测量星球。运用光来搞测量实在是迈克尔逊的 拿手好戏。 再说那天迈克尔逊在人群里听了汤姆生的话，心中一动，回来后就开始 研究找以太的办法。他想地球这只小船在以太海洋里以每秒三十公里的速度 航行，我如果向逆着以大风的方向和垂直于以太风的方向同时射出一种东 西，根据经典力学原理力学原理它们的合成速度肯定不同。如果能测出这种 差别不就证明以太确实存在了吗？用什么东西来做这种实验呢？这当然是它 得心应手的武器――光。他这样不断地研究改进，到 １８８７ 年终于在莫雷的合 作下完成了物理学史上那个很著名的实验。这年爱因斯坦才八岁，他万没想 到一个物理学前辈现时正在为他向相对论进军扫清道路呢。 迈克尔逊的实验装置是这样的，在一个大水银池中飘着一块坚固的大理 石板，这是为了既能灵活转动又不致摇晃。从石板一侧发出的一束光打到石 板中心的玻璃上。玻璃成斜角，上面有一半镀一层银，这样射来的光线就被 分成两束，一束照直穿过，一束反射到与光线来路垂直的方向。这两束光走 过相同的距离后分别在石板边的两面镜子上再反射回来，汇合在望远镜头 里。因为光线分成 ９０“角，一束是逆以太而行，那一束必是垂直于以太而行， 两束光的速度便应该有差别。这可以根据它们在望远镜头里汇合时的干涉现 象来确定。读者也许要问，光速这样快，你这块石板能有多大，就是有差别 也难测出。但是你要知道地球也在以每秒 ３０ 公里的速度前进，那么逆着以太 的光和横向的光每秒也就相差 ３０ 公里。而迈克尔逊这个制造仪器的高手，他 的干涉仪就是一亿分之一秒的光行差也能测得出来。 再说迈克尔逊和莫雷架起这台仪器，他们先测了一次，从望远镜里看正 是最大亮度，这说明两束光是同时返回的，它们的速度相同。迈克尔逊又把 仪器转一个角度，这块大石板在水晶上极平稳灵活地滑动一下，镜头里的光 仍是和刚才一样的亮。他真有点纳闷，干脆把石板轻轻推着绕着圈观察。可是无论他将仪器转成什么角度，看到的结果仍然不变。他眼睛都看疼了，便 喊莫雷继续来看，莫雷又把那个石板象推磨似地推了几圈，喊道：“迈克尔 逊先生，仍然看不出什么差别，怕是我们的仪器灵敏度不够吧？” “不可能。这台仪器我已经把它调到连植物在一秒钟内的生长量都可以 观察到。如果有以太存在，每秒 ３０ 公里的光行差是一定能够反映出来的。” “那就说明以太在随着地球百分之百的移动，我们应该尽量离开地面， 到高空度一试是否有以太漂移。” 但是迈克尔逊和莫雷把他们的装置搬到高山顶上，甚至随着氢气球上升 到半空，还是测不出这种以太引起的光行差。结论只可能有两个：要么是地 球根本就没有动，要么以太这东西根本就不存在。但无论那一条都是一说出 口都教人目登口要的新闻。这天体运动经哥白尼发现到牛顿最后证明是决不 能怀疑的。相比之下倒是以太说还有一点露洞，看来宇宙根本就不存在什么 以太。迈克尔逊本是想以精确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得 其反，却从根本上否定了以太。一个小小的实验却戳破了人们想象中的宇宙。 正是： 本欲门上去贴金，手指一碰戳破门， 原来大门是纸糊，何必为它费苦心！ 这迈克尔逊的实验实在精巧，后来爱因斯坦曾有一段话专门评价他道： “迈克尔逊实验得出了一个任何人都应当理解的真正伟大的结果。我总认为 迈克尔逊是科学中的艺术家。他的最大的乐趣似乎来自实验本身的优美和所 使用方法的精湛。他受过的数学或理论训练很少，又没有理论方面的同事的 指导，而能够设计出迈克尔逊―莫雷实验，那是非常惊人的。” 再说迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩然大波，本 来万里无云的蓝天上突然出现了一朵乌云。因为以太一旦被否定，城门失火， 殃及池鱼，那牛顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇。已经伴随人们过了 两个世纪，指导物理学家作出无数发现的牛顿力学现在突然失灵了，经典物 理学金碧辉煌的大厦突然出现了裂缝。于是各国的物理学家们纷纷提出各种 方案来挽救以太，总希望迈克尔逊的实验能有另一种解释。 １８９２ 年英国物理学家斐兹杰惹提出了一个挽救以太的好办法。他假设一 切物体在自己的运动方向上都要收缩，而且还给出一个公式，收缩的大小随 运动的速率而增加。每秒运动 １１ 公里的物体，收缩十亿分之二左右，每秒运 动 ２６ 万公里的物体，收缩成百分之五十。物体运动的速度达到光速，它在运 动方向上的长度就变为零。长度的收缩不会出现负值，所以光速也就是宇宙 中所能达到的高最速度。这就是有名的斐兹杰惹收缩。按照这个假说，迈克 尔逊在实验时，顺着地球运动方向的两块镜面间距离就会变短，这正好弥补 了光束逆以太传播而减少的速度，所以并不影响它和另一束横向光同时返回 到观察镜里。 还有一位荷兰物理学家洛伦兹 １９０４ 年提出一个更严密的假设， 他在一篇 论文中说：当电子在以太中运动时，电子将会从圆球变为椭球（它沿运动方 向的半径变短）。这样收缩说就更有根据了。好个洛伦兹，为挽救以太，竟 一口气提出了十一个方案。他还提出了著名的“洛伦兹变换”，说明相对运 动的坐标系之间的转换关系。和斐兹杰惹的长度缩短相似，洛伦兹又提出当 电子运动的速度达到每秒 ２６ 万公里进，质量会增大百分之百；而达到光速 时，质量无限大，这当然不可能，又正好说明光速是一个极限。光速既然是一个极限，迈克尔逊的实验又证明了无论哪个方向上的光束 都是一样的速度，这不就是一个实实在在、干净利索的结论吗？何必又要把 以太扯进来呢？而且以太既然是静止不动的，它丝毫没有自己的速度、质量， 这和不存在又有什么差别？正象一个旧王朝被推翻之前，总有人千方百计地 想出许多改良政策以延长其寿命。一个旧学说被抛弃前，人们也总是想把新 事实和旧理论统一起来，希望它还能维持住它的权威。可是这以太说已经如 同一件老和尚的百纳衣，补钉实在太多，纵然有斐兹杰惹、洛伦兹这样的好 裁缝也实在难以补缀了。 各位读者，说到这里容我们作一简单回忆。大凡一个新学说诞生之前人 们总要演一出霸王别姬或长亭相送之类的戏，以表述自己对旧学说不能长存 的哀怨和惋惜。想那哥白尼体系诞生前夕，托勒玫体系已摇摇欲坠，大量的 天文观察已证明它误差太多。为修正这种误差，人们假设行星按均轮轨道绕 地运行时自己又按本轮运行，一个本轮不行，再加一个，一直加到十八个， 真是不厌其烦。在氧气发现前夕，燃素说开始漏出破绽，参与燃烧的物质会 减轻重量，就说这是燃素跑掉了。可是有时反而会增加重量，这时就说燃素 有负重量。在能量守恒定律发现之前，人们不知道热能是运动的形式，而说 物体的冷热是热素在来回流动。但是一个老妇人无论怎样梳洗打扮也是不能 当作新娘出嫁的。这种改良性的假设总不能维持长久。时间越长，危机越深， 结果便是一场必然到来的革命，这就是哥白尼、拉瓦锡、焦耳的出现。现在 以太说经迈克尔逊在 １８８７ 年捅破之后，人们修修补补，勉强维持到 １９０５ 年， 这时有一个年轻人再也不愿接受这种改良了，于是便振臂一呼，提出一个革 命性的学说。 此人到底是谁，且听下回分解。第六十一回： 天马行空　　小职员发表高论 价值连城　　短论文装备大军 ――狭义相对论的创立 　　 上回说到以太说虽经多方改良但已很难维持局面，这时有人便干脆提出 一个全新的革命学说，此人就是爱因斯坦（１８７９―１９５５）。 １９０５ 年当物理学界正被天空出现的两朵乌云所困扰时，爱因斯坦正在瑞 士伯尔尼专利局当一个三级小职员。他已经想清楚这个问题，提出了一个崭 新的“相对论”。 各位读者，这相对论实在难懂，据说当时全世界只有三个人能弄懂它。 爱因斯坦成名之后许多人慕名去听他的报告，但又常常听不懂，后来爱因斯 坦也摸着这些听众的心理，总是在报告的前半部分讲些热情洋溢的话，然后 宣布：“现在休息，那些对下面问题不感兴趣的女士、先生们可以退场了。” 爱因斯坦很羡慕卓别林的电影拥有众多的知音。一次，他们见面了，爱因斯 坦说：“卓别林先生，您真伟大，您演的电影全世界人人都能看懂。”那位 幽默大师立即说：“您也很伟大，您的相对论全世界几乎没有几个人能够弄 懂”。相对论如此难懂，我们就只好深理浅说，长话短叙，先简单交待几句 再讲爱因斯坦的故事。 迈克尔逊实验证明，无论顺着还是逆着地球运动的方向光速都是一样。 爱因斯坦就紧紧抓住这一点把它固定下来，叫光速不变原理。就是说光源无 论是向我们跑来、离去或静止都不能改变光速。这是因为光源的运动造成光 的频率和波长的改变，它们互相补偿，所以光速保持不变。这是爱因斯坦理 论中基本的一条，有它为前提才能讲座以后的问题。这好像很难懂，但我们 用实际生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不动，对面有人向你 扔过一个皮球来。你能看到他的头、脸、身、手和皮球，这当然是因为光从 他身上反射到你的眼里。如果按照经典的速度合成原理，球一出手后就有一 个向你而来的速度，这时球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手 前要快（多出一个球速）。但是这一“快”就糟了，你就会先看到正在空中 的球，后看到拿在手里的球。如果真是这样，我们怎么能看蓝球比赛呢，生 活中的一切动作岂不都要颠倒过来？所以无论光源如何动，光速总是不变 的。经典理论的速度合成原理一碰到光速就不适用了。在天文观察中也能说 明这一点，有一种“双星”是在轨道上互相绕着运行，就是说某星一会儿向 地球飞来，一会儿又绕走了，离地球而去。如果按速度合成原理这麻烦就更 多了，这星会以光速加星速、光速减星速（星速对地球来说又在不断变）等 不同速度接连送到我们眼里。我们看到的就不是一颗星，而是一大堆星的幻 影子。可是这种现象从没有发现，否则本来就够纷乱的星空就更是一锅粥了。 当然，爱因斯坦还有许多具体的证明，我们这里不过是尽量从浅处说明罢了。 既然承认光速不变，我们就有了一个标准尺度，用这个尺度来量时间， 这下可发现了一个大问题――原来时间却没有个固定标准，它是相对的，可 变的。这就碰到了牛顿经典物理学最要害的地方。牛顿认为时间和空间都是 绝对的，自从上帝将它创造好后就在那里安安静静地存在，独立地存在，与 外界任何事物无关。现在爱因斯坦说：不，在两个作匀速直线运动的参照系 中，一切自然规律都是相对的，不单力学实验，连光学实验，任何实验也测不出绝对运动和绝对时间。因为我们用眼睛看表，看到的是表发来的光信号， 而光的传播需要时间，我们所处的位置不同，看到的时间表面上相同，实际 已经不同了。从月球到地球，光约走 １．２５ 秒，地球上红光一闪，一颗炸弹爆 炸，在月球上的宇航员比地球上的人要晚看到 １．２５ 秒。我们平时总觉得同 时、同时，那是因为光速太快，这种误差根本觉不出来。所以爱因斯坦在给 人讲相对论时常先在黑板上划一条白线，幽默地说：“请你们想象这是宇宙 中的一条线，在这条线的每一个点上都挂着一块表”。他讲到高兴时常常过 了点，便问前擀的人现在几点，然后抱歉地说：“对不起，我给宇宙里的每 一处都挂上一块表，可是没有能给自己口袋里挂一块表。” 在确定了光速不变，抛弃了牛顿的绝对时空观后，爱因斯坦得出这样几 个重要结论。 第一，便是看来很不可信的“钟慢尺缩”。就是说在运动中的钟会比静 止时走得慢，尺子也会缩短。我们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但 是如果以每秒 ２６ 万公里的速度运动时，一米的尺子的就会缩成半米，地上过 了一小时，运动中的时钟却才走了半小时。一个人要是坐上光子火箭到宇宙 里去旅行，当他归来时会奇怪地发现，儿子已白发苍苍，而自己却还那样年 轻。这样的试验我们当然还不能做，但是同样道理的实验却完全可以证明运 动中的钟确实会变慢。前几回我们讲到原子的放射性时，已经知道了什么叫 “半衰期”。某一种基本粒子的半衰期是固定不变的，因此我们可以把它看 成是一个“钟”。根据相对论，从粒了出速器里出来的以接近光速的速度运 动的粒子比其它静止的粒子确是衰变得慢。 相对论的第二个结论是揭示了质量和速度的关系，运动中的物体比静止 质量增加。第三个结论是讲质量和能量的关系，这就是那个极其著名的爱因 斯坦方程： Ｅ＝ｍＣ２ 过去我们讲过质量守恒定律和能量守恒定律，而爱因斯坦现在却把两个 定律统一在一个公式里了。Ｅ 是能量，Ｍ 是质量，Ｃ 是光速。从公式中可以看 出，每一点物质，只要它有质量（这是当然的），那怕是石块、木棍、尘埃 都含有极大的能量，因为光速是一个很大的数字。比如 １ 公斤煤，完全燃烧 后只能放出 ８ 千千卡的热，这只是它所蕴藏的极小的一部分能量，如果能把 它的全部能量都释放出来就有 ２１ 万 ６ 千亿千卡。 这相当于一个大城市几年消 耗的电力。而每克物质所含的能量就有 ２０ 多万亿卡。可惜我们现在还没办法 将它们全部释放出来。 好，办不到的事我们先不去说它，但是自然界切实存在的事却可以来验 证这个公式。很久以来人们一直不理解太阳为什么能如此长期地燃烧而不 灭。开始人们解释说太阳就象一块大煤在持续燃烧，可是一算这块煤顶多够 烧 １５００ 年，而太阳系已存在了几十亿年了。放射性发现后人们又猜测太阳是 一块大铀在不断地衰变而放出能量，这样倒真可以持续几十亿年。但是，很 可惜太阳不是铀构成的，正好相反它是氢、氮这类的轻元素构成的。到本世 纪的二、三十年代，人们用爱因斯坦的公式来解释太阳聚变释放能量的过程 才圆满地回答了这个问题。这样，爱因斯坦的这个质能等价定律使经典物理 学中不能称重的能量也变成可以称一称了。 现在我们已经可以算出一个 １０ 瓦的灯泡每分钟发身的光轻于 ７×１０－１２ 克，但是每天太阳放出辐射能，其损失的质量将达 ４×１０１１ 吨。电磁场也可以称量， 一个 １ 米直径的铜球充电到 １０００ 伏的电势时， 它周围的场重 ２×１０－２２ “克，一个普通实验室里的磁场重 １０－１５‘’克。热能也可以称量，一公升水 在 １００℃时比同样数量的冷水重 １０－２０ 克，一个两万吨级的原子弹所释放的总 能量约重 １ 克。 各位读者，这个爱因斯坦真正是不简单，我们平时谁曾想到光、热、电、 磁是可以称出重量的呢？而他想到了，并且还找到了切切实实的换算办法。 人们过去对能量守恒和质量守恒的研究，就如在一座大山的两头挖着隧洞， 两条洞就要衔接了，可是彼此谁也不知道。这时爱因斯坦走来举起镐头轻轻 这么一镐，两洞之间的隔壁就轰然倒塌，质能之间有了一条可以随意畅行的 坦途。这就是科学研究的突破，这就是飞跃。凡科学伟人都是善于找见这个 问题与那个问题，这个领域与那个领域之间的结合部、联系点，从而打出一 个新的天地，或者将过去人们在向科学进军中建立的分散根据地沟通联成一 片。科学成果的取得象我们政权的取得一样，也是这样由小到大，由分散到 统一。我们回想一下前面讲过的几个科学伟人，牛顿对比了月亮、苹果之间 的重力联系，创立了万有引力；法拉第找见了电磁间的联系，使磁变成了电； 麦克斯韦弄清了电场磁场间的联系，创立了电磁场理论。现在爱因斯坦又找 见了质能之间的联系，创立了相对论。人类在征服自然中就是这样步步登高， 视野愈来愈宽阔。治学之大敌是甘做井底之蛙，只见头上的一眼蓝天而不知 世界之在。 这个道理说来容易，但为什么总是只有少数伟人才能做到这点呢？自然 那牛顿、法拉第、麦克斯韦各有其长，而爱因斯坦更有他的特殊之处。 爱因斯坦 １８７９ 年 ３ 月 １４ 日生于德国南部的乌尔姆小镇。这个小镇就是 当年笛卡儿在梦中发现坐标系的地方， １８７９ 年又正是麦克斯韦完成了他在 而 人世间的伟业后开始长眠之时。真是天将降大任于斯人而精心选择了此时此 地。他并不象其他科学家那样小时候就聪慧早熟，四、五岁时还不大会说话， 以至于父母真怕这孩子会痴傻，中学毕业时又没拿到毕业证。但是他却很喜 欢抽象的思维，刚上中学时领到一本新几何课本，他立即被那里面严密的逻 辑证明迷住了，以至于老师还没有正式开课，他早把这本书自学完了。他喜 欢自己学习、思考，他讨厌学校那种强制性的教学法，他说：“依我看，学 校若主要靠恫吓、威胁和人为的权威教学，那是最坏的。这种教学方法摧残 了学生们的健康感情、诚恳正直和信心，培养出来的是唯唯诺诺的庸碌之 辈。”爱因斯坦是一个天生不愿受任何约束的人，他大学毕业后在伯尔尼专 利局当一名审查专利的小职员，这给他提供了一个自由的环境。他与其他三 个青年人组织起来成立了自己的“奥林匹亚科学院”，经常东南西北地乱扯 闲谈，从物理到哲学无所不包，而新思想就在这种碰撞中闪出了火花。大凡 一种新科学思想的产生，一是要有充分的外部自由，没有什么旁加的干涉和 硬派定的题目，纯出于研究者自觉的兴趣，自由地干他所想干的事，如牛顿 在家乡躲瘟疫而发现万有引力，如孟德尔在修道院发现遗传规律，如卡文迪 许把自己关在房里发现氧气。二是要敢想，如哥白尼敢把旧天文学倒转过来， 如赫胥黎敢想象人是猴子变的，如普朗克敢把连续的辐射想象成不连续的能 量子。爱因斯坦就具备了这两条。他还是一个 １６ 岁的中学生时，就想：要是 人和光速一样快地运动，会是什么样子。他 ２６ 岁时在专利局作着小职员，听 到了迈克尔逊的一系列实验和洛伦兹修修补补的解释，便大笔一挥连续写了 三篇论文，提出了上面我们谈到的那些别人无论如何也不敢想的问题。就是那个为相对论扫清了道路的迈克尔逊，至死也不敢相信相对论的原理。１９３１ 年，当他 ７９ 岁第一次见到爱因斯坦时，这位老前辈遗憾地说： “我真没想到， 我的实验反倒促成了相对论这样一个怪物的诞生。” 这个“怪物”是在 １９０５ 年诞生的。爱因斯坦天马行空般的思维，捕捉到 了这种绝妙的构思，于是一挥而就，给当时的权威杂志《物理学纪年》写去 一篇只有三页的论文。论文中他没有引用任何一个权威人物的结论，全是自 己的语言，自己的思想。这篇东西在当时并未引起多大反响，因为它实在太 怪了，爱因斯坦自己也说：“推断非常诱人，然而上帝是否在笑我，在骗我， 目前还不得而知。”但是以后随着实验的不断验证，这篇论文都变得价值连 城。后来，１９３６ 年，美国一支志愿军要出发去支援西班牙的反法西斯战争， 但是苦于没有军费。他们就派代表去会见爱因斯坦。爱因斯坦说：“我能给 你们帮什么忙呢？” “我们只要您 １９０５ 年的那篇论文手稿。” “这对战斗有什么用呢？” “先生，您的这篇手稿现在可以拍卖 ４００ 万美元，这正是目前我们最缺 少的东西。” “噢， 原来是这样。 可惜手稿早已散失， 不过我可以找来杂志重抄一份。 ” 爱因斯坦找来那本《纪年》，花了一个晚上将论文重抄了一份，真的靠 它武装了一支军队。不但是论文手稿，后来只要爱因斯坦到一个地方讲学， 他写过公式的那块黑板，也常常是听课人的必争之物，他们视为最珍贵的纪 念。这是后话。 再说，当 １９０５ 年载有爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》一文的黄色 封面的《纪年》送到普朗克教授手里时，他正躺在柏林医院里治病。这篇文 章就象一支强心针一样使他猛然起身下床，大喊一声：“一个新的哥白尼出 现了！”然后立即喊家人拿纸笔来给爱因斯坦写信，“先生，您的这篇文章 将会在世界上引起一场什么样的战斗啊！您知道吗？这只有为哥白尼世界观 的传播而进行的斗争才能与之相比。可惜我们未曾悟面，我也是第一次拜读 大作。请告诉我，您现在哪里工作，我能为您做点什么？” 爱因斯坦回信说：“我现在是专利局的一个三级职员，不过最近他们准 备提升我为二级，这样生活问题也可能会好一些。” 普朗克火了，想不到对方竟连个大学的教职也没有得到，他的这些研究 是在什么条件下完成的啊。 他又立即提笔给伯尔尼的格鲁涅尔教授写信： “我 向您推荐一位青年，他是我们当代最伟大的物理学家之一，他就是阿尔伯 特?爱因斯坦，请您能帮助他在大学里得到一个教授职务。” 格鲁涅尔拿到信立即找到爱因斯坦，请他送一篇论文来，爱因斯坦送上 自己关于相对论的那篇论文，格鲁涅尔自己拿不准，又请搞实验物理的福尔 斯特教授来审读。几天后论文退了回来，上面批着：“读过了。然而不知道 在说些什么。” 因为爱因斯坦发明了一个出一般人思维水平的怪理论，所以他尽管得到 普朗克等少数物理学家的赏识，但还是在本地找不到一个好工作。直到 １９０９ 年他的母校苏黎世大学才聘他为副教授，后来又到布拉格工作几年，再回苏 黎世。而普朗克总不死心，他认为柏林这个欧洲物理学的中心不能没有爱因 斯坦，决心要把他挖来。 １９１３ 年夏天，一辆火车驶进苏黎世车站。车上下来两个年过半百的学者，瘦一点的是普朗克，那个矮胖子是能斯特。他们今天是专来游说爱因斯 坦去柏林的。爱因斯坦手捧一束鲜花早就在车站恭候。自从上次索尔维会议 之后他们已结为忘年之交。 普朗克一下车就和这位 ３４ 岁的青年物理学家热情拥抱， 象对自己的孩子 那样亲热。接着他们边走边谈。能言善辩的能斯特立即摆出爱因斯坦到柏林 后的优惠条件：“知道您是一个喜欢自由的人，但是我们也不能不给您一点 荣誉和职务。第一，任威廉皇帝物理研究所所长；第二，任柏林大学的教授； 第三，任普鲁士科学院的院士。不过当所长可以不管事，当教授可以不教书， 时间全由您支配。另外，其他院士只是名誉，您这个院士却是实任，每月薪 水 １ 万 ２ 千马克。” 爱因斯坦哈哈笑道：“您可真会做买卖，把我作为一只良种母鸡，舍得 花大价钱去好为你们下蛋。可是我自己还不知道能不能再下蛋呢。去不去柏 林，容我再作几天的考虑。” 这次普朗克和能斯特到底能不能把爱因斯坦请去，且听下回分解。第六十二回： 太阳作证　　相对论颠扑不破 纳粹逞凶　　科学家流落异邦 ――广义相对论的创立 　　 上回说到普朗克和能斯特专程到苏黎世劝说爱因斯坦到柏林来工作。盛 情难却， 爱因斯坦便于 １９１４ 年 ４ 月走马上任， 从此在柏林度过了十九个年头。 爱因斯坦刚到柏林不久就遇到两件大事，一是爆发了第一次世界大战； 二是他的妻子米列娃与他分居，带着两个孩子回苏黎世去了。米列娃是他大 学时的同学，俄国血统，性格倔强，她总认为自己也是很有科学天才的，而 爱因斯坦这样把孩子和家务都压在她身上，耽误了她的成就，便决定分手。 好不聪明的女人！其实，这样一个世界伟人整个都是属于你的，他与你已溶 为一体，复又何求呢？纵然不能如玛丽与居里那样比翼齐飞，就如爱玛与达 尔文那样红花绿叶，也同样会家庭幸福，有功于世，何必要单枪匹马自闯江 湖呢？青年读者中或许从这三个科学家的家庭组合中能悟出一点道理。不过 这是说书人的闲话暂且不表。 再说 １９１４ 年米列娃带着孩子走后，第二年九月，爱因斯坦想子心切，又 回苏黎世探亲一次，顺便拜访了正住在日内瓦附近的法国大作家罗曼?罗兰。 幸好这个大作家在他的日记里为我们留下一幅爱因斯坦的素描像，而我们只 顾讲他的理论，却倒忘了介绍他的外貌，现正好录存于下： 爱因斯坦依旧是个年轻人（他当时 ３６ 岁），个子不高，长方脸，深黑的、 略微夹杂着几根灰白的头发，长而且密，卷曲着耸在高高的眉毛之上，他的 鼻多肉且凸，他的嘴小而唇厚。双颊丰满，下巴圆润，留下一小撮剪得短短 的胡子。一口生硬的法语，不时穿插一两句德语。他活泼，富有朝气，喜欢 笑。不时在最严肃的思想（交换）中，夹杂着几句俏皮话。 ……没有任何德国人的言行能象他这样自由自在。换一个人也许会在去 年这一可怕的时期里深受孤立的折磨，但他却毫不如此。他大笑。他发现在 战时仍有可能撰写自己最重要的科学著作。 罗曼?罗兰这里说到爱因斯坦一到德国就受“孤立的折磨”又说他在写 重要著作，是怎么一回事呢？ 原来大战一爆发，在“保卫祖国”的幌子下德国军队疯狂地向外侵略， 国内实行总动员，许多科学家也穿上军装。而当时最著名的学者文人联合发 表了一个为德国扩张政策辩护的声明，说：“要不是由于德国的赫赫武功， 德国文化早就荡然无存了。”这个声明共有 ９３ 人签名，学术界的显要人物几 乎全包括在内，连普朗克、伦琴的名字也赫然其上，这就是历史上有名的 “９３ 人宣言”，它使一些科学家留下了终生遗憾的污点。声明起草者也找到爱因 斯坦，他虽然新来乍到，却义正辞严地宣布：“我是和平主义者，我反对一 切战争！”接着他也出面起草了一份与 “９３ 人宣言”对抗的 “告欧洲人民书” ， 但是除他一人签名外，其余只有三个人，都没有什么名气，一时他确很孤立。 爱因斯坦就在这样孤立的情况下写他的科学著作，这回是一枚重量级的 炸弹――广义相对论。 问题还是从一般人认为最平常、最不注意的地方提出的。 牛顿第一定律即惯性定律告诉我们，在作匀速直线运动的惯性系中，物 体在不受外力的情况下或者静止或者作匀速直线运动，这早已是一条检验过无数次的真理。假如现在我们坐在一个匀速直线运动的火车上，拉紧窗帘， 你感觉不出车在动，你自己坐得很稳，地板上放一个小球，也稳稳地停在那 里，就是说都保持一个静止状态。这时突然来一个急刹车，你向前跌了一下， 球也向前滚去。你和球都没有受到什么外力呀，为什么会改变这种静止状态 呢？难道牛顿的惯性定律不适用了吗？对，就是不适用了，牛顿这条定律只 适用于匀速直线运动的惯性系，刚才火车一加速，参照系已经变成非惯性系 了。这就象我们在前面讲过的“黑体辐射”问题一样，瑞利公式只适用于较 长的波长、较高的温度，反之就立即失灵，现在惯性定律一到非惯性系也就 立即失灵了。那么能不能象普朗克导出一个两全其美的公式那样，也有一个 既适应惯性系又适应非惯性系的办法呢？爱因斯坦正是想到了这一点，于是 他要把适用于匀速直线运动的相对论推广到在非惯性系也能适用，这就是广 义相对原理。 狭义相对论是从人们习以为常的“同时”，即绝对时间观上找见突破口 的，广义相对论也在一个人们司空见惯的问题上找见了突破口。比如手里拿 着一粒石子，一松手，石子直线下落。这可以有两个解释，一是地球的吸引， 就是说石子有引力质量；二是石子自由落体，有惯性质量。这在牛顿定律里 分成两条来表达，但是这两个质量怎么这样一致呢？看来它们的效果是一样 的，这就是“等效原理”。 说起这个原理还有一段故事。 １９１３ 年夏天爱因斯坦邀请居里夫人到瑞士 来度暑假。他们带着两家人的孩子高高兴兴地登上了阿尔卑斯山。脚下白云 缭绕，深谷千仞，孩子们高兴地喊着、叫着。突然，爱因斯坦一把抓住居里 夫人的手臂说道：“要是我们坐着升降机从山谷底上来，突然吊索断了，会 有什么感觉呢？” 居里夫人先是吃了一惊，然后笑道：“我想您不会让我们现在就来亲身 试验一下吧。” 爱因斯坦笑了，孩子们也都哈哈大笑起来。这就是那个有名的“爱因斯 坦升降机”实验，虽没有谁亲身去试，但是其中的道理却完全能想得出来。 假如有一个升降机处在宇宙空间，你站在里面就会失重，身体飘在空中。这 时升降机开始以刚好等于地面重力加速度的 ９．８ 米／秒 ２ 匀速直线上升，你 就会恢复重量，重新站在了地板上。换一个方法，升降机下降，降到地面时 你也会恢复重量，站在地板上。前一种情况人受到惯性力，后一种情况人受 到引力，只要加速系的加速度等于引力场强度（都是 ９．８ 米／秒 ２）惯性力 场就等于引力场，也就是说是等效的。因为人被关在升降机里是根本区分不 出是那种力产生作用的。根据同样的道理，这个升降机里不是坐着人，而是 一粒向斜上方抛出的匀速直线运动的石子，那么这石子也会改变方向而成抛 物线弯曲下落。如果是一条平行射入的光线，这光线也会弯曲向下。 好了，爱因斯坦那天马行空般的思维立即又推出下一步极重要的结论。 既然惯性力场和引力场是等效的，那么我这个实验就不必非在加速的升降机 里做不可了，在任何引力场中都会发生这种光线弯曲的现象，既然星球有引 力能使周围的光线、空间、时间弯曲，那就可以直接表述为星球的质量使周 围的时空弯曲，连“引力”这个概念也不必要了。――好个爱因斯坦，他在 狭义相对论里开除了“以太”，在在广义相对论里又要开除“引力”，将牛 顿时空观、经典力学彻底改造了。他解释道，地球绕太阳转动不是引力，是 因为太阳巨大的质量使周围时空弯曲，地球只能按曲线运动。同样，开普勒给众星制定的那些轨道也都能这样解释，牛顿万有引力公式作的那些计算也 都可以用这个理论去解释。 难怪波恩称广义相对论是：“认识自然的人类思维最伟大的成就，哲学 的深奥、物理学的洞察力和数学的技巧最惊人的结合。” 这个伟大的理论是爱因斯坦在研究完狭义相对论后又经过十年的思考于 １９１６ 年最后完成并公布的。与实验物理学家在实验室里具体操作不同，爱因 斯坦是做着“思维实验”。对他来说宇宙是一个实验室，那些星球简直如伽 利略手中的一粒石子，如法拉第手中的一块磁铁，他将以往别人都认为是正 确的最不怀疑的结论一起拿到这个最广大的实验室里一一验证。他不用象玛 丽?居里那样去在烟熏火燎中炼镭，也不用象卢瑟福那样去费力地打碎原子， 他将自己关在书房里，展开思想的翅膀，尽情地想着“爱因斯坦升降机”的 运动。这正中}