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第11章 皮埃尔·居里传(3)

让皮埃尔·居里念念不忘的这种对称原理是重大的原理之一,这些原理数量虽然不多,但指导着物理研究,它们扎根于由实验所提供的概念之中,但又逐渐从中摆脱出来,获得一种越来越普遍、越来越完美的形式。因此,热当量和功当量的概念便补充进动能和潜能的当量概念中来,使得使用非常普遍的能的保存原理得以建立。同样,质量保存的原理也从以化学为基础的拉乌瓦齐埃的实验中渐渐地得出来了。通过这两种原理的聚合,一种令人赞叹的综合最近得以达到一个更高的普遍性的程度,因为已经证明一个物体的质量与其内在的能成正比。对电现象的研究使得里普曼提出了电的保存的普遍原理;根据生热装置的运作构思产生的卡尔诺原理也具有了一种极其普遍的意义,使它能够预见各种物质系统自发变化的最有可能的方向。

对称原理提供了一种可比变化的榜样。对称概念一开始就能通过对大自然的观察来进行验证:如果是晶体化了的矿物质,规律性则更加完美。我们可以看到大自然为我们提供了对称面和对称轴的概念。如果对称面把物体分成两个部分,而每个部分又可以被看作是这个面里所反映的另一部分的形象(如同在一面镜子里那样)的话,那么这个物体就具有一个对称面或蜃景面。这几乎就是人和许多动物的外表形象所产生的那样。如果将一个物体沿某一轴线旋转,转到一周的几分之一,这时物体恢复到原来的形状,我们就会说这个物体有一个几阶的对称轴线。例如一个整齐的四瓣花朵,就有一个四阶对称轴线,或四阶轴线。像岩盐或明矾这样的晶体就具有好几个对称面和好几个不同序的对称轴。

几何学教会我们研究一种被限定的形象(譬如多面体)的对称因子和在这些因子中间发现的使它们聚集成堆的一些必不可少的关系。了解这些堆体非常有利于把晶体形式合理地排列成一个数量不多的系,其中每个系都是从一个简单的几何形式变来的。因此,正八面体就属于与立方体同样的系,因为由对称轴和对称面所组成的堆体在两种情况之下都是相同的。

在对晶体物质的物理属性的研究中,必须考虑这种物质的对称性。这种物质通常都是各向异性的,也就是说,当介质(譬如玻璃或水)是各向同性的(因为在这种情况下,各个方向都是相等的)时,它在各个方向中就没有相同的特性。对光学的研究首先指出了光在一个晶体里的传播,依据的是这个晶体的对称因子。对于导热性或导电性、对于磁化、对于极化等来说,也都是一样的。

正是在思考关系到这些现象的因果关系时,皮埃尔·居里被引导去补足和扩展对称的概念,他认为这种概念对于一个现象出现于其中的介质来说是一种特有的空间状态。为了确定这一状态,必须要考虑介质的构成,还要考虑它的运动状态和它所从属的物理因子。因此,一个直圆柱体就具有垂直于它在其介质中的轴的一个对称面以及通过这个轴的无穷的对称面。如果这同一个圆柱体围绕着它的轴旋转的话,第一对称面就存在,但其他的就全都被取消了;如果这个圆柱体还被一股电流纵向通过的话,那任何对称面都保存不住了。

对于任何现象来说,有必要确定与它的存在相容的那些对称因子:这些因子中的有一些可以与某些现象共存,但它们并不是不可或缺的。必需的则是,它们中间的某些并不存在。是不对称在产生现象。当好几个现象重叠在同一个系中时,不对称就自行增多(见皮埃尔·居里《论文集》)。

正如上述结论所说的那样,皮埃尔·居里阐释了一种普遍原理,其《论文集》在对这一普遍原理的研究上,达到其普遍性和抽象性的巅峰。如此得来的综合似乎是决定性的,似乎剩下的只是由此而去推论出它所包含的全部发展。

为此,应该确定每个现象的独特的对称,并把那些对称群分门别类地分开。质量、电荷、温度有着同样的称之为“标量”的对称,也就是圆球形对称。水流或单向电流属于矢量对称性,属于“极矢量”一类。正圆柱体的对称则属于“张量”一类。所有晶体物理学研究都可以按这种方法加以归类,但在这种方法中,无须指定所研究的现象的具体情形,而只需观察它们的各物理量在几何和解析上的因果关系就可以了。

因此,对电场所产生的极化效应的研究也就等于是在研究两个矢量之间的关系,并列出一组含有九个系数的线性方程式。这种方程式中的各个系数的意义在于,对它们加以修改即可用来表示导体中的电流与电场的关系,或热流与温度梯度的关系。同样,在研究矢量与张量间的普遍性关系时,可以显示出压电现象的各种特性。另外,凡是属于晶体弹性的种种现象也都可以通过两组张量间的关系来决定。不过,这些张量通常需要三十六个系数才能表述出来。

通过这一简单阐述,我们可以了解到自然现象中所有的对称性在理论上的极大的重要性,而皮埃尔·居里以一种明白无误的方式表述了其深刻的意义。有必要在此提及,巴斯德也曾用同样的观点来观察生命,他说:“宇宙是一个不对称的整体,因此我相信我们所见到的生命应该是受到宇宙不对称作用影响的,或者说我们的生命是不对称性所产生的结果。”

随着他在学校里的工作逐渐进入有序状态,皮埃尔可以考虑重新进行自己的实验研究了。但实验研究的条件并不理想,他没有自己专用的实验室,也没有一间空屋可以利用,而且研究经费也毫无着落。只是在学校工作了好几年之后,多亏舒赞贝格的支持,他才每年获得一小笔研究经费。另外,也是因为校长开恩,他所需要的实验器材可以从学校教学实验室的日常开支中划拨,而那所谓的日常开支经费实际上也少得可怜。

至于实验场所,他只能占用一点点。他的一些实验是在学生们的大课堂里做的。不过,最经常的是他在楼梯底下或学生实验室里去做自己的实验。他漫长而卓有成效的磁学研究就是在这种条件之下完成的。

这种不正常的而且明显有损于皮埃尔的科学研究的状况,倒也至少是有其有利的一面,他正好可以更多地接触学生,学生们有时候也能参加他的科学研究。

皮埃尔重新开始实验研究的目标主要是针对“直接称量最微小量的精密天平”这一高深的研究的。那是1889年、1890年、1891年间的事。这种天平摒弃了小砝码,代之以一个测微计,装在天平一臂的顶端,通过显微镜来读数。这种天平装有空气阻尼器,能使天平两臂的摆动迅速停止,然后便可立即读数了。它比旧天平大有改进,尤其是它的称量极快速,而在化学分析实验中称量的快慢直接影响到其精确性。因此,这种新式天平在化学分析实验室里颇受青睐,可以说,皮埃尔发明的这种天平的确是开创了天平制造业的新纪元。它的发明并不完全是靠经验,而是他先对阻尼运动进行了一番研究,在一些学生的帮助之下,绘制出一些曲线图表,证实了他的推论之后才获得成功的。

1891年前后,皮埃尔·居里开始对物体的磁性与温度(从常温到1400℃)之间的关系进行了几年的系统研究。研究的结果于1895年在巴黎大学的教师会议上以博士论文的形式宣读。皮埃尔以明确、简洁的语言叙述了他的研究目的及其结果。文章中写道:

根据其磁性,物体可明确地分为三类:抗磁性物体、弱磁性物体、顺磁性物体[顺磁体的磁化作用与铁相似,或为极强的磁化(铁磁化),或为较弱的磁化。抗磁体系指物体的磁化作用极其微弱,并且与铁在同样的磁场中的磁化极性相反。——原注]。乍看上去,这三类截然不同。该项研究的主要目的就是在于探究这三种状态之间是否存在着一种过渡,能不能让某种物质顺序经过这些不同的状态。为此,我研究了不同温度和磁场下的许多物质,并观察、测量它们的磁性。

我在实验中未能证实抗磁性物质与顺磁性物质在性质上有什么关系,但实验的结果却证实了磁性与抗磁性是由一些不同性质的原因造成的。相反,铁磁性物质和弱磁性物质的性质却有着密切的关系。

这项研究呈现出大量实验方面的困难,因为实验要求在温度达到1400℃左右的装置里测量出极微小的力(仅百分之一毫克的重量)。

正如皮埃尔·居里十分清楚的那样,他所取得的结果从理论上看具有极大的重要性。他从中得出“居里定律”,根据这一定律,物体的磁化系数与它的绝对温度成反比,该定律极其简单,完全可以与盖·吕萨克的“理想气体的密度与其温度成反比”的定律相媲美。1905年,保尔·朗之万所发表的著名的磁学理论就采用了皮埃尔·居里的这一定律,并且从理论上进一步证实了抗磁性与顺磁性的不同起因。朗之万的研究,以及后来的P.魏斯的重要研究都完全证明了皮埃尔·居里所得到的结果是十分精确的。皮埃尔还在磁化强度与流体密度之间看出了相似状态,因为物质处于顺磁化状态可以与气态相比较,而铁磁化状态则可与凝聚状态相比较。

皮埃尔在这项研究工作中,尽力去探求尚不为人所知的新现象,认为这些新现象并非没有可能存在。他忙着寻找一种很强的抗磁性物质,但并未成功。他还在探究是否有一些能传导磁性的物质,是否磁性能像电荷一样呈自由状态存在。在这方面,他也未见到肯定的结果。他从未就这些研究发表过什么,因为他习惯如此这般地投入对现象的追踪里去,往往无功而返,但他就是喜欢探寻意外的东西,从不考虑是否要著书立说。

这种对科学研究完全无私的激情使他并不专门想要利用自己最初的研究成果去写一篇博士论文。当他决心把刚完成的磁性研究方面的颇有见解的成果汇聚起来作为博士论文时,他已是三十五岁的中年人了。

我对他在进行博士论文答辩时的情景记忆犹新。我俩当时已友谊甚笃,所以他邀请我去参加他的答辩。评委会由布蒂教授、里普曼教授和奥特弗耶教授组成。旁听者有他的朋友们以及他的老父亲。他父亲为自己儿子所取得的成就高兴异常。我记得皮埃尔答辩时既简洁又明确,有条有理,深得评委们的赞赏。当评委们同皮埃尔交流沟通时,我恍若在参加一个物理学的讨论会。那天,小教室里似乎是在颂扬人类的崇高理想,这深深地打动了我。在忆及1883年至1895年间皮埃尔·居里一生中的这一时期时,我们可以看到他作为实验室主任在学术上取得的成就。这几年中,他成功地把实验室组织成为一个全新的教学单位,发表了一系列重要的理论性文章和一流的实验研究报告,还制作了一些十分精确的新仪器,而所有这一切都是在设备不完善、经费不足的情况下完成的。因此,我们可以认为他克服了青少年时期的怀疑与犹豫,规范了自己的研究方法,充分地调动了自己非凡的才能。

他在国内外已经声誉日增。在物理学会、矿物学会、电气工程师学会等学术团体的会议上,他常常把自己的研究成果拿出来与他人交流,并在各种科学问题的讨论中积极发表自己的看法,到会者无不洗耳恭听。

在这一时期高度评价他的外国科学家中,首先可以举出英国著名的物理学家开尔文爵士,他在一次科学讨论会上与皮埃尔进行了交流,自此,他就一直对皮埃尔既赏识又亲切。开尔文爵士在他的一次巴黎之行期间,参加了物理学会的一次会议,会上,皮埃尔谈到带有保护环的标准电容器的构造和使用。皮埃尔主张把保护环里的中央圆板用电池充电,而保护环则与地面连接,这样就可以用另一块电板上所感应的电荷作为计量。尽管这种构造使电线的空间分布十分复杂,但它的感应电荷却可以用静电学中的定理加以计算。所运用的公式与普通电容器在均匀电场中所运用的公式同样简单。另外,照皮埃尔的办法,电容器的绝缘性能更佳。一开始,开尔文认为皮埃尔的推论不精确,但是,第二天,他不顾自己的高龄,礼贤下士亲自来到皮埃尔的实验室里拜访这位年轻的实验室主任,同皮埃尔在黑板上展开了讨论。后来,他完全信服了,并且很高兴地称赞皮埃尔的推论之正确。

著名的英国物理学家开尔文在访法期间给皮埃尔写了一封信,摘要如下:

亲爱的居里先生:

非常感谢您周六的来信,我对信的内容十分感兴趣。如果明天上午11点我到贵实验室拜访,您该不会不在吧?我有两三件事情想与您讨论讨论,我还想看看您所绘制的不同温度下铁的磁化带曲线图。

顺致

敬意

开尔文

1893年10月

令我们感到惊讶的是,皮埃尔·居里尽管成绩斐然,但十二年间一直担任着一个小小的实验室主任。这无疑是因为但凡无人举荐、无人关照、没有有权有势者的帮助的人,是很容易被人遗忘的。还因为他深恶痛绝为了升迁而四处奔走,求人帮忙。他素来性格独立,光明磊落,让他为了升迁而去活动,他是绝对做不出来的。因此,他只能屈就此职,每月拿三百法郎,与一个体力劳动者相差无几,勉强可以维持简单的生活而已。尽管处境如此不佳,他始终没有放弃自己的研究工作。就这一问题,他曾在给我的一封信中写道:

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