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第2章 诺贝尔物理学奖(1)

威尔逊

大家所熟知的英国物理学家汤姆生教授,在卡文迪许研究所从事物理教学和研究时,曾经培养了几百位世界闻名的科学家,除了他本人和他的儿子外,还有8位学生赢得了科学界的最高荣誉——诺贝尔奖金。查尔斯·T·R·威尔逊就是8个人中出色的一个。

1869年2月14日,查尔斯·T·R·威尔逊生于苏格兰南部锡格伦科斯附近。他的父亲是一位农民,由于在牧羊业方面进行的新实验而在苏格兰享有名声。威尔逊是弟兄八人中最小的一个。

从小就顽皮好动的威尔逊,坐不稳、立不安,仿佛永远也没有安静的时刻。

因此,他的父母很不喜欢他,认为他做什么也没有恒心,将来一定是一个没有出息、游手好闲的废物。这时,恰巧有一位有学问的牧师路过他家,当他了解了威尔逊的表现后,便劝他的父母不必过于焦虑,他说:“那些特别聪明的孩子,在小的时候,由于他的志向未定而往往显得出奇的顽皮。他一旦有了自己的兴趣和爱好以后,就不会这样顽皮淘气下去了。”这一番劝告可救了威尔逊,他的父母决心给他以求学深造的机会。

威尔逊最初曾就读于曼彻斯特的格林海斯学校,但是直到他15岁进人曼彻斯特的欧文斯学院时,才真正发觉自己原来对物理有着浓厚的兴趣,于是他下定决心做一名物理学家。1888年他获得剑桥大学所颁发的奖学金后,就成为这所大学的一名物理系的研究生。研究生毕业接受学位以后,他的哥哥威廉便去世了。从此,家庭生活的重担落到了他一个人身上。他一方面需要供养母亲,另一方面又要为自己筹措学费。因此,他到约克郡的布雷德福中学任教,然后,又到剑桥大学从事实验工作,以此维持家庭生活和自己的学习费用。

1901年,他以优异的成绩被锡德克·苏塞克斯学院选中为研究人员,并被任命为大学的讲师和实验教师。到这时,他的经济状况才有所好转。

威尔逊一生的贡献很多,但是最主要的是发明了雾室。此事说来话长,那是由他的老师汤姆生的一番谈话引起的。有一天汤姆生向威尔逊提起,说他需要一种特别的仪器,这种仪器要能够显示出各个电子经由空气时所走路线的痕迹。威尔逊把老师的话牢牢记在心里,决心把这一设想变成现实。从此,他一心扑在制造这种仪器的工作上。

为了设计出这种仪器,他经常爬到苏格兰最高峰那维斯峰顶上的天文台去观察和研究云雾现象,据此威尔逊于1900年发表了一篇观察、研究结果的论文,说明空气中常有一些离子产生。这引起了科学界的重视。此后,他更全力研究空气的放电现象(特别是在雨雪中的放射性),计算空气中所放电的电量。

经过长期的锻炼,威尔逊炼出了一双特别灵巧的手。他善于做各种实验。

据说,当时的剑桥大学,没有一个人能做出比他更出色的实验。所有这些都为他后来发明雾室创造了有利条件。

雾室到底是怎么一回事呢?它有哪些作用?雾室里一个具有窗口的盒子,在它的下面有一个可动的活塞。把饱和水蒸气的空气从一边的窗口引进盒子,当活塞向下移动时,盒子里的空气马上就扩散冷却下来,使部分蒸气凝结而形成轻巧的云雾。就像天上云里的水汽碰上灰尘粒子或带电荷的空气分子时,容易冷凝成液体一样,雾室的水蒸气也有这种现象发生。利用这个原理,人们只要把一束从外面电子源射出来的电子流引进盒子里的另一个窗口,这些电子进入雾室后,就会将空气分子游离成离子。当湿气的小雾滴围绕在离子的四周时,它们即因电子的行进轨道而伸展成一条狭长的条纹,用肉眼可以看见。如将这薄薄的一层雾所形成的条纹拍摄下来,则电子行经空气的线路就会在照片上显示出来。

不只是电子,其他只要是能够游离气体的任何一种运动粒子,都可以在雾室里留下一道痕迹。利用这个原理,即使是那些小得无法直接摄影的粒子人们也都可以看见了。不只是这些线路,而且那些高速粒子发生碰撞使路径突然改变的情形,也可通过摄影得知。这种雾室是研究α粒子的一种非常有用的工具。后来发现的正电子和介子,也是通过拍摄它行经雾室的线路而得到线索的。

经过多年的悉心研究,威尔逊终于从水蒸气凝结在离子上的现象中,发现了一种跟踪离子轨迹的方法即雾室,从而把幻想变成了现实。1911他亲自看到了带电粒子的轨迹。康普顿效应的理论发表后不久,威尔逊又进行了一系列的云迹观察,从实验上证实了这个理论,从而为爱因斯坦的光子学说提供了实验依据。1927年他和美国的阿瑟·荷里·康普顿共同荣获了诺贝尔物理学奖金。

威尔逊还对空气电导率进行过深入的研究。1900年,他在使用绝缘良好的验电器进行实验时,发现无论是在日光下或在黑暗中,也无论是对正电荷或负电荷进行试验时,发现总有残留漏电的现象。这是什么原因?威尔逊阐述说:“目前进行的实验,只是为了试验无尘空气中离子的产生,是否由于大气外某种辐射源的辐射所致?这种射线也许类似伦琴射线或阴极射线,但它具有非常巨大的穿透本领。”这一创造性的假设,终于在1915年为维克托·赫斯所验证。赫斯把一个验电器安装在气球上,从而发现了空气的电导率在起初下降之后便随高度而增加,赫斯据此提出了存在“宇宙辐射”的假设。

威尔逊的一生除了荣获诺贝尔奖金外,还获得过许多其他荣誉。譬如,1900年,他被选为英国皇家学会的会员;1911年被授予休斯勋章;1922年被授予皇室勋章;1935年被授予柯普莱勋章;1937年,又由女王指定为勋爵,并在阿伯丁、格拉斯哥、曼彻斯特、利物浦、伦敦和剑桥享有荣誉学位。

威尔逊虽然贡献颇多,然而为人非常和蔼可亲,平易近人,从不以学者权威自居。他特别喜欢接近青年,尤其是那些事业心不强的学生。他同他们聊天,参加他们的活动,利用一切可以利用的机会来启发他们思考,鼓励他们上进。所以在他那漫长的教书生涯里,一直得到学生们的衷心爱戴。

理查森

在美国富有盛名的普林斯顿大学久仰理查森对热离子学有很深的造诣,便于1906年聘请他去从事教学和研究工作。这是理查森生平第一次赴美。校方知道他的船期,便派人前往码头迎接,然而直到船上的旅客都走光了,接船的人也没看见一位教授模样的英国人,只好扫兴回校。谁知理查森早已抵达学校。因为他看上去一点都不像个教授,倒像个实验室里打杂的工人,所以,没有引起人们的注意。他在普林斯顿工作达七年之久,几乎只去过两个地方:一个是他的研究所,另一个便是教室。他三度去纽约,三度在纽约市区里迷路,所以他发誓再也不去那个“迷魂阵”了。

理查森为人朴质,平易近人。青年时期,几乎一天到晚穿着电机实验室的工作服。每逢星期天上教堂做礼拜,才穿得整齐些。后来做了大学教授,他上教堂穿的那件惟一的“礼服”,还是他入大学那年,母亲送给他的礼物。

他很爱惜东西,他的一件衣服能穿十几年,一点儿都没有破,只是颜色褪了,式样旧了而已。有一次,理查森听说皇家物理研究院一个工友的老母病重,他就把自己在研究院应得的年俸,都赠给这个人去替老母医治。

理查森工作认真,勤勤恳恳,很少见他休息。当人们见到他在幽静的旷野散步的时候,多半是因为学术上遇到什么疑难问题,一时得不到解答的缘故。

理查森是热离子学的奠基人之一。他做了大量的实验,证实在高温下的物质及受到紫外光作用的金属都能发出电子。他最先详细地研究了电子在真空里从热体逃逸的现象,并给以完整的说明。同时,他在光致发射方面的研究也有助于解释物质与辐射间的相互作用。他还研究了和化学作用有关的电子发射,对于填补紫外线光谱和X射线光谱之间的缺隙也有重要的贡献。他发现了热离子学的基本定律——理查森定律,从而获得了1928年度诺贝尔物理学奖金。

1879年4月26日,理查森出生于英国约克郡的杜斯堡。他是乔舒亚·亨利和夏洛特·玛丽亚·理查森仅有的一个儿子。

1897年,理查森进入剑桥大学读书。他在自然科学考试中成绩优异,尤以物理和化学最为出色。他在那个学术气氛上相当浓厚的环境里潜心攻读,给以后的事业打下了坚实的基础。

他从剑桥大学毕业之后,来到卡文迪许实验室进行热体电发射的研究工作。他一向对自己从事的研究充满信心。他曾在剑桥大学讲授过电学,那个时候他对热离子学就有了独到的见解,可是青年学生前所未闻,对他这些奇特的设想莫名其妙,对于其中的奥秘不感兴趣,对他也不太尊重。后来,他授课的时间逐渐减少,别人或以为侮,而他却安之若素,对于自己的研究毫无松懈。他常对挚友表示,学术从萌芽到普及,往往不是在一个人的寿命里可见分晓的。他举例说:“当初哥伦布宣称发现了新大陆,谁信他的见解正确?”

理查森先后被选为美国哲学学会、英国皇家学会的会员。曾任英国伦敦大学物理学教授,担任过伦敦皇家物理学会主席。他的主要著作有:《物质的电子理论》、《热体的电发射》、《分子氢及其光谱》等等。

他一生结过两次婚,1906年他与利莲·莫德·威尔逊结婚。她是理查森在剑桥时的同学,著名物理学家H·A·威尔逊的妹妹。他们有两个儿子和一个女儿。由于妻子在1945年去世,后来他又与物理学家亨利埃特·鲁普成婚。

理查森于1959年逝世,终年80岁。

德·布罗格利

世界著名的物理学家——路易·维克多·德·布罗格利,作为物质波理论的创始人荣获1929年度的诺贝尔物理奖金。

1892年,德·布罗格利出生于第厄普的一个名门之家。他的祖宗是一个小侯国的王族,历代先辈有的是当时著名武将,曾立赫赫战功,有的官至内阁总理、驻外使节,飞黄腾达,官运亨通。到了他的祖父这代,由于承袭了父亲一辈的爵位,坐享荣华富贵,便无所建树,毕生默默无闻。

维克多·德·布罗格利虽然出身于贵族世家,但并无纨绔子弟的习气。

在少年时代,谁也未曾料到他将来会在自然科学上一举成名。在中学读书时,他的兴趣是文科,18岁就取得了历史学学士学位。接着他又学了一年法律,并研究过18世纪法国的国内政策。直到20岁时,在长兄的启发下,他的志趣才突然转向自然科学。由于长兄莫里斯·德·布罗格利的具体指导,他仅用了两年的时间,就学完了自然科学的基本课程,这段时间他还兼任哥哥的物理实验助手。

维克多·德·布罗格利的治学原则是:广见闻,多阅览,勤实验。他认为环境和出身不能决定一个人的志向,重要的是在学术上要善于独立思考,不迷信权威名流。就是对那位比他大17岁的哥哥,只要在学术上发生了争论,他也不留一点情面,有时竟弄得哥哥面红耳赤。

在他刚着手从事辐射现象的研究时,很多科学家都劝他不要去碰这个棘手的课题。这位初出茅庐的后生,不怕高峰险阻,对这个屡攻不克的顽固堡垒毅然进行了公开宣战。

但好事终需多磨,正当他埋头于自己的研究课题时,第一次世界大战爆发了,法国被转入战争漩涡。德·布罗格利只好投笔从戎。大战期间,他在费里埃将军手下服役,分管设在巴黎埃菲尔大铁塔上的无线电报站的工作。但就是在战时,他也没有放弃自己的奋斗目标,尽可能地利用当时的条件加深对无线电波的认识和了解。复员后,他立即返回实验室,同大哥共同从事X射线摄谱技术的研究,探索证实物质原子结构的有效手段。

他在科学上的不朽功勋,就是于1924年提出的描述微观粒子波动性的物质波理论。

早在19世纪初叶,菲涅尔等人就论证过光的波动性,大大冲击了牛顿经典物理学中有关光学的理论。1865年,麦克斯韦又创建了著名的电磁理论,使人们对波的解释产生了一次飞跃。后来亨利希·鲁道夫·赫兹于1887年发现了光电效应现象,他指出物质和光之间的能量转换,并不是随意和连续的。

爱因斯坦于1903年曾指出:光电效应说明过去的粒子学说是正确的。但他并没有阐明为什么有些现象符合波动学说,而在另一些场合中,粒子学说又占了上风。正是在这些光学和力学的有关原理启示下,德·布罗格利提出:有可能用一种新的理论,把这两种表面截然不同的现象——波动和粒子统一起来。

从1922年开始,他在法国科学院的《波动力学》杂志上,连续发表了几篇有关这方面的论文。两年后,在其博士论文中,他又一次精确地阐述了自己具有独特见解的理论。他设想任何运动着的粒子都必定伴随着波。其波长和发出波的粒子的质量及速度有关。它们之间的关系可借助普朗克恒量,用一个简单的公式来表示,它就是E=hν后来人们称这为德·布罗格利公式。

公式表明:知道波长,就可以了解粒子的运动。这样一来,人们不仅可以解释可见光,而且可以正确地说明为什么一束粒子同一束可见光一样会出现衍射现象。

德·布罗格利的理论无疑是一个大胆的创造,轰动了当时整个学术界。

经典物理学的卫道士们对此惊讶不解,其他大多数学者对这个新理论也持怀疑态度。连这篇论文评审委员会的主持人也不肯表态。当有人问他对这位青年的新理论有什么看法时,他只是说:“对这个问题我所能回答的,只是德·布罗格利肯定是一个很聪明的人。”洛伦兹甚至断言德·布罗格利误入了歧途。当时,只有他的长兄相信他是正确的,利用一切机会发表文章来鼓吹和介绍德·布罗格利的学说。可是他的好心却徒劳无益,因为他越是想详尽地阐述,人们越是感到糊涂难解。

直到德·布罗格利的论文公布于世三年以后,美国人戴维森和格默,英国人乔治·P·汤姆生先后成功地通过晶体薄片,使电子产生了衍射现象,才有力地验证了电子的波粒二重性。在铁的事实面前,怀疑派不得不承认他的理论的正确性,因而他也才被授予了1929年的诺贝尔物理学奖金。1928年他开始主持隶属于巴黎大学的亨利——普安卡雷研究院。1932年,又主持巴黎大学理学院物理讲座,并成为自然科学院院士。1944年,他又被选为法兰西科学院院士。

从此,德·布罗格利的理论成了许多学者专攻的课题。奥地利物理学家施罗丁格正是在这一理论基础上建立了波动力学。

波动理论的问世,还大大地促进了电子光学的发展,电子显微镜的出现就是其中的一例。反过来,电子光学仪器又大大地推动了人们对微观世界的认识。

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