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第14章 物理篇(3)

通过实验,赫兹确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并且实验了两列电磁波的干涉,同时证实了在直线传播时,电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加优美、对称,得出了麦克斯韦方程组的现代形式。

此外,赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,发现了光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现,后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。

1888年1月,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此取得了决定性的胜利。

1888年成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它证实了麦克斯韦发现的真理,更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。

85.斯泰因梅茨发明避雷器

19世纪末,最早使用的电能都是由刚发明不久的直流发电机产生的。但直流电有个很大的缺点,就是不能输送到较远的地方,这就使电业很难大面积普及。当时,“电学天才”斯泰因梅茨认为,这个问题可以通过改用交流电的方法来解决,即让电流在导线中来回流动,先朝一个方向,然后再朝另一个方向。当时没有人知道如何制造这种发电机,也不知如何生产输送交流电的导线,斯泰因梅茨将这些问题逐步解决了。

1894年,在斯泰因梅茨的指导下,美国总电器公司在尼亚加拉大瀑布建成了一个交流发电站,第一次将强大的电流输送到26英里之外的布法罗。从此,电就跨越整个大陆,造福民众。但是,新的问题随之产生:每次雷雨来临,都会造成进电事故,而闪电来临的时间又不可捉摸,常常使送电系统受损。

1920年夏季的一天,斯泰因梅茨建于湖边的一幢小木房被雷击中了。闪电撞上了木房门口的一棵树,又击破窗户射向室内一个金属灯具,再沿着电线穿过了墙壁,击破一面背后镀银的大穿衣镜。别人这种事遇到一定会惊恐不已,但斯泰因梅茨高兴极了。他对助手说:“这面镜子是我们最重要的线索。”

他搜寻玻璃的碎片,不厌其烦地将它们一块块对在一起。然后,他将对好的板块夹在两块玻璃之间,用带子把四周加固。镜子的背面立刻显示了闪电烙过的花纹。斯泰因梅茨根据从击点到熔带末端的距离,计算闪电的能量。

两年后,他研制出一架“奇怪”的机器——避雷器。它有两层楼高,有两个玻璃架搁,架搁上覆盖着金属薄片,旁边还有两个圆形铜帽准备接受喷发的闪电。他还请了爱迪生等人参观这个机器。

当他启动了电闸,搁板开始聚集电能,发出嗡嗡的叫声,客人们的神经有点紧张了。就在这时,一道耀眼的紫光在铜帽间突然而过,是人造闪电,接着便是轰击的雷声。斯泰因梅茨成功地造出了避雷器,这个机器使闪电可以无害地逸入地下而不进入供电系统。

86.居里夫人不被荣誉腐蚀

在科学史上,玛丽·居里是首位得到世界赞誉并被人们认可的女科学家,她是进入科研领域的女性先驱,为后来者奠定了基础。她对科学做出的巨大贡献,从她两次获得诺贝尔奖的事实中可见一斑。

玛丽·居里的丈夫皮埃尔居里也很迷恋科学研究。19世纪末,放射现象的发现引起了他们夫妇俩的兴趣。经过艰苦的研究,他们在1898年发现了放射性元素——钋。

钋的发现并没有使居里夫妇驻足,他们继续研究探索。4年后,他们发现了另一个具有更大放射性的元素——镭,并初步测出其原子量。钋和镭的发现在科学史上具有划时代的意义,宣告了新生学科放射学的诞生。尤其是镭的发现,为现在原子能事业的发展奠定了基础。

1903年,居里夫人以《放射性物质的研究》的论文获巴黎大学物理学博士学位,并成为该校有史以来第一位物理学女博士。同年,居里夫妇被授予科学界最高荣誉——诺贝尔奖。就当时的情况而言,如果他们申请专利,将获得一笔不菲的收入,但是他们却坦然放弃这一机会。居里夫人说:“镭不应该使任何人发财致富。镭是化学元素,应该属于整个世界。”

就在居里大妇的事业如日中天的时候,皮埃尔·居里因车祸不幸去世。巨大的打击没有使居里夫人屈服,她以顽强的毅力继续科研事业,同时接替皮埃尔·居里,成为巴黎大学第一位女教授。

1907年,居里夫人总结出放射性元素蜕变的系统关系,并且在无人帮助的情况下,完成氯化镭的提纯工作。1911年,为了表彰居里夫人取得的巨大科研成果,瑞典皇家科学院再次将诺贝尔奖颁给她。

居里夫人将自己的一生都献给了科研事业,而且从不曾被荣誉所累,正如爱因斯坦所说:“在所有著名人物中,居里夫人是唯一一个没有被荣誉所腐蚀的人。”

87.卢瑟福的感觉

欧内斯特·卢瑟福是近代自然科学革命的主要旗手之一。他是放射性元素衰变理论的主要提出者、原子物理和核物理的奠基者、加速器的开发者和原子嬗变与聚变的发现者。他以不懈的努力和卓著的贡献,从根本上改变了自德谟克利特以来两千多年的物质和自然观,提出了一整套关于物质微观组成的理论体系。

卢瑟福的感觉很敏锐,他的很多理论都是感觉出来的。一次,当他在思考a射线的本质时,他忽然想到,如果a射线的本性是氦原子核流的话,它的性质便很容易说明。虽然已是深夜,他却立即抓起电话,叫醒了他的助手,一口气把自己的想法告诉了助手。

深更半夜被喊了起来,助手有点不高兴,他反问:“为什么?”卢瑟福的回答却是:“理由还没有,只是个感觉。”后来,通过实验,卢瑟福证明了自己的感觉的确是真理。卢瑟福还建立了理论体系,说明自己感觉出来的真理。

卢瑟福对现代自然科学和自然哲学的发展产生了极其巨大的影响。1908年,他获得诺贝尔奖。

88.米利肯的油滴实验

很早以前,科学家就在研究电。1897年,英国物理学家J·J·托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。1909年,美国科学家罗伯特·米利肯开始测量电流的电荷。

米利肯用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别连接一个电池,让一边成为正电板,另一边成为负电板。当小油滴通过空气时,就会吸一些静电,油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来控制。

米利肯不断改变电压,仔细观察每一颗油滴的运动。经过反复试验,米利肯得出结论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量。

89.爱因斯坦创造奇迹

1879年,爱因斯坦出生在德国乌尔姆市一个犹太家庭。他不想绝大多数科学名人那样,被认为是天生的神童。相反,他童年时曾一度被认为比同龄人笨。但是,努力和勤奋最终使他成为颇负盛名的科学家。

1905年,爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。他利用在专利局每天8小时工作以外的业余时间,在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献——他发表了4篇重要的论文。

1905年3月,爱因斯坦将自己认为正确无误的论文送给了德国《物理年报》编辑部。他腼腆地对编辑说:“如果您能在你们的年报中找到篇幅为我刊出这篇论文,我将感到很愉快。”这篇“被不好意思”送出的论文名叫《关于光的产生和转化的一个推测性观点》。在这文章的结尾,他用光量子概念解释了经典物理学无法解释的光电效应,推导出光电子的最大能量同入射光的频率之间的关系。这一关系10年后才由密立根给予实验证实。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》,5月完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这是两篇关于布朗运动的研究的论文。爱因斯坦当时的目的是要通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动,来测定分子的实际大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。

3年后,法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测,从而无可非议的证明了原子和分子的客观存在。这使最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论的创始人奥斯特瓦尔德于1908年主动宣布:“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论。”

1905年6月,爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长论文《论运体的电动力学》,完整地提出了狭义相对论。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果,它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机,改变了牛顿力学的时空观念,揭露了物质和能量的相当性,推动了整个物理学理论的革命,创立了一个全新的物理学世界。

90.费曼画解剖图

美国物理学家费曼在物理学上做出了惊人的贡献。他在20世纪40年代发展了用路径积分表达量子振幅的方法,提出量子动力学新的理论形式,并提出了新的计算方法和研究方法,从而避免了量子动力学中的发散困难。由于这—贡献,他和美国的J·S·施温格、日本的朝永振一郎共同获得了1965年的诺贝尔物理学奖。但是,在普林斯顿大学读书的时候,费曼却对生物很感兴趣。

有一次,他与学生物的同学一起吃饭时,他们邀请他去听他们的细胞生物学这门课。费曼对生物并不陌生,但因为那是一门研究所的课程,因此,他有点信心不足,他心里暗想,“我行吗?教授会让我加入吗?”

这门课由牛顿·哈维讲师担任,他对发光细菌很有研究。经过学生们的请求后,哈维同意费曼可以加入这门特殊的高级课,但必须附带一个条件:费曼必须和其他所有人一样,要做全部的作业和上讲台报告。

在课堂上,哈维先生先在黑板上画了一幅巨大的细胞图,并标明细胞里所有的构造,然后再讲解。他所讲的内容费曼大部分都了解。上完课后,那些邀请费曼来听课的同学问道:“你喜欢这门课吗?”“还好,”费曼答道,“我唯一不了解的部分是卵磷脂,什么是卵磷脂?”没有人能回答他的问题,他只好自己从参考书里找答案。

和所有其他的学生一样,费曼也得上讲台报告,因为自己在这方面缺乏经验,所以在别人作报告的时候,他听得格外认真。

有一次,亚瑞恩和布朗克两人写了一篇关于动物神经的报告。他们用猫做了很多实验,来测量神经的电压。费曼读了这篇报告,报告中多次重复提到伸肌、屈肌等名词。有很多关于肌肉方面的名词,他并不清楚,比如在动物的哪个部位,和神经或者和猫的关系。因此,费曼决定去问生物研究所的图书管理员,询问是否能帮忙找到一张猫的解剖图。

“猫的解剖图?”她惊奇地问:“你是说动物的图表?”这简直是太奇怪,因为很少有人会想到找它,甚至画出动物的解剖图。从此以后,学校里开始流传着一个笑话:有个生物研究所的笨蛋在找一张猫的解剖图。

几天后,轮到费曼上台做报告了。他先在黑板上画了一个猫的大致模样,再把将各个肌肉的名称标出来,很快,一张猫的解剖图画好了。其他同学打断他说:“这些我们都知道了!”“嗯,是吗?”他回答:“那为什么你们画不出这张解剖图呢?”大家哑口无言。

其他学生只是简单地去背那些只需几分钟就可以查到的资料,而费曼的学习方法在于它的实际性,因而常能发现—些书本上见不到的东西,这也是他后来能成为一位著名的科学家的主要原因之一。

91.提倡“进攻”的温伯格

长久以来,物理学家都期望能找出简单而又普遍的规律来说明白然界各种各样的复杂现象。经过许多科学家的不断探索,发现了支配自然界一切物理过程的四种力:强力、电磁力、弱力和引力。但物理学家们感到自然力有四种,似乎太多了一点,能否设法统一这四种力呢?爱因斯坦用了他的后半生研究场论,虽然没有成功,但却为后人开辟了道路。

1964年,格拉索在总结前人工作的基础上,首先提出了一个弱电统一的理论。不过,他的理论还很不完善。几年之后,著名物理学家温伯格和巴基斯坦科学家萨拉姆沿着格拉索的道路作了进一步的探索,终于建立起一整套弱电统一的理论。但是,这套理论是否正确呢?只有通过实验进行检验,才能得出结论。要检验弱电统一理论的关键是什么呢?为什么以前的实验没有成功呢?

1971年,温伯格审查了以前做过的实验,发现这些实验按新的标准来讲做得太粗糙了,必须对探测仪和实验方法加以改进。两年后,物理学家终于在西欧核子研究中心证实了温伯格等的科学预言。不久,美国费米国立加速器实验室也做出了类似的发现。

1979年,诺贝尔奖金评委会将该年度的物理学奖金授予了格拉索、温伯格和萨拉姆。

获奖以后,在一次记者访问中,记者问温伯格:“你认为哪些是科学家必须具备的素质?”他回答说,很重要的一个素质是“进攻性”,不是人与人之间中的“进攻性”,而是对自然的“进攻性”,不要满足于接受书本上给的答案,要去尝试一下,尝试发现有什么与书本上不同的东西,才能走在科学的前列,有所发现,有所建树。

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