书城童书与科学家相约(科学知识大课堂)
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第14章 与物理学家相约(5)

伦琴三岁那年全家迁往荷兰的阿佩尔多恩,他就在那里上小学和中学。伦琴学习成绩一般,喜欢运动,动手能力强,有点淘气。1865年,伦琴进入瑞士苏黎世工业学院,攻读机械工艺。1868年毕业,获得机械工程学位。伦琴在苏黎世相继受到热力学创始人克劳修斯和著名物理学家孔特(1839~1894)的影响,走上了物理学研究的道路。1869年在孔特的指导下,他写出了第一篇物理学论文《气体的研究》,获得了苏黎世工业学院理学博士学位。1875年以后,他任霍恩海姆农学院物理学教授、斯特拉斯堡大学理论物理学副教授等职。1879年任吉森大学物理学教授。1889年任维尔茨堡大学物理学教授和物理研究所所长,1894年任校长。1896年成为柏林科学院和慕尼黑科学院的通讯院士。同年英国伦敦皇家学院授予他伦福德奖章。1900年美国哥伦比亚大学授予他巴纳德奖章。同年伦琴到慕尼黑大学就任物理学教授和物理研究所所长。

伦琴对物理学的最主要贡献,是发现了X射线,又叫做伦琴射线。

早在1836年,法拉第就发现在稀薄气体中放电会产生美丽的辉光。1876年德国物理学家哥尔德施泰因(1850~1931)正式称这种放电是“阴极射线”。当时欧洲学术界对“阴极射线究竟是什么”的问题展开了长期而激烈的争论,伦琴也卷了进去,进行了系统的研究。1895年11月15日,伦琴准备用克鲁克斯管作荧光实验,为了排除外界对放电的影响和避免管内光线外漏:特地用黑纸板做了一个套子,把放电管套起来。然后他在暗室里接通电源,检查放电管有无漏光。检查完毕,正要切断电源的时候,突然发现一米远的小实验台上有闪光。伦琴立即进行检查,查明这种闪光是从小实验台上一个荧光屏发出来的。他顾不得吃饭,立即重复上述实验,甚至把荧光屏放在两米远的地方还是能观察到闪光。他确信这个现象绝不是阴极射线造成的,因为它只能穿透几厘米厚的空气。他断定存在着一种新的射线。

为了验证自己的想法,年过半百的伦琴依靠他特有的毅力,吃、住在实验室,一连做了七个星期的秘密实验。试验过各种各样的材料,几千页的书,厚厚的玻璃板,二厘米厚的木板,几厘米厚的硬橡胶……这种新射线都能穿透。有一次,当伦琴把手放到放电管和荧光屏之间的时候惊呆了:他在屏上看到自己的手完全变了样,好像是拼凑起的几根黑糊糊的干树枝。当伦琴清醒地知道这干树枝就是手指骨骼的时候,他激动得几乎要跳起来。他立即回家把自己的发现告诉了妻子。据说当时妻子正在生他的气,责怪这么长时间不回家,说他有意编造“发现”骗她。于是伦琴把妻子带到实验室,请她帮忙做个实验。他让妻子把左手放到放电管前面,然后把用纸包好的照相底片放在她的手后面,过了十几分钟,把底片一冲洗,获得了一张手骨的照片——世界上第一张人类活体骨骼的照片。妻子不解地问:“这是怎么回事?”伦琴说:“这是一种穿透力很强的新射线作用的结果。”“这种新射线叫什么名字?”

伦琴摇了摇头回答说:“不知道,它是一个未知数,就叫它X射线吧。”

1895年12月28日,伦琴用《一种新的射线——初步报告》这个题目,向维尔茨堡物理学医学协会作了报告,宣布他发现了X射线,阐述这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。这一发现立即引起了强烈的反响。1896年1月4日柏林物理学会成立50周年纪念展览会上展出X射线照片;1月5日维也纳《新闻报》抢先作了报道;1月6日伦敦《每日纪事》向全世界发布消息,宣告发现X射线。这些宣传,轰动了当时国际学术界,论文《初步报告》在三个月之内就印刷了五次,立即被译成英、法、意、俄等国文字。一月中旬,伦琴应召到柏林皇宫,当着威廉皇帝和王公、大臣们的面作了演示。X射线作为世纪之交的三大发现之一,引起了学术界极大的研究热情,据统计,只是1896年一年,世界各国发表的有关论文就有一千多篇,有关的小册子达50种。

1896年3月,伦琴又发表了第二篇论文《一种新的射线(续篇)》。一年以后,发表了第三篇论文《关于X射线性质的进一步观察》,深入探讨了X射线的性质。伦琴的发现很快应用于医学、工业以及科学研究等方面。据说消息传到美国的第四天,美国人就用X射线发现了留在伤员腿里的子弹。

伦琴因为发现X射线,于1901年12月10日荣获诺贝尔物理学奖,成为世界上第一个获得诺贝尔奖的物理学家。伦琴对科学抱着老老实实的态度,为人谦虚,据说他把诺贝尔奖金全部捐献给维尔兹堡大学。

伦琴因患肠癌,于1923年2月10日去世,终年78岁。为了永久纪念这位伟大的物理学家,德国人民在柏林市的波茨坦桥上竖立起伦琴的青铜塑像。国际学术界还作出决定,用“伦琴”来命名X或γ射线的照射量单位。

被命名为频率单位的科学家赫兹

赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857~1894)是德国著名的物理学家,1857年2月22日诞生于德国汉堡的一个律师家庭。

赫兹从小受到父亲广博知识的熏陶,还喜欢动手制作木工,也喜欢画图。在中学上学的时候,他就一心想当工程师。1875年中学毕业后,在莱茵河畔的法兰克福设计局工作了一年,1876年春天去德累斯顿高等技术学院学工程学,秋天应召去柏林的铁道兵团服役。1877年退役,进慕尼黑工业学院学工程学,1878年转入柏林大学。在亥姆霍兹和基尔霍尔(1824~1887)名下学习。不久,亥姆霍兹发现了赫兹的才能,收他到自己的实验室当见习生。1879年赫兹在物理竞赛中成绩出众,荣获金质奖章;年底他完成了博士论文《论旋转体中的感应》,第二年获博士学位,当了亥姆霍兹的助手。1883年任基尔大学理论物理学副教授。1885年任卡尔斯鲁高等工业学院物理学教授。1889年接替克劳修斯任波恩大学理论物理学教授,同年当选为柏林科学院通讯院士。1890年被选为俄国莫斯科协会名誉会员。

赫兹在物理学上最主要的成就是用实验成功地证明了电磁波的存在,并且完善了麦克斯韦的电磁场理论。

1886年10月,赫兹在卡尔斯鲁高等工业学院的物理实验室用放电线圈做火花放电实验,偶然发现和放电线圈靠得很近的另一个开口的绝缘线圈中有电火花跳过。赫兹十分敏感,立即想起七年前未完成的物理竞赛题目,那是亥姆霍兹提出的一个用实验检验麦克斯韦理论正确性的难题。他向自己提出了一个新的任务:用实验检验是否存在麦克斯韦所预言的电磁波。从1886年10月25日起,赫兹开始有计划地进行实验。12月2日,他在感应圈的两根电极上各接一根0.305米长的铜棒,每根铜棒的一头接边长0.407米的正方形锌板。另一头接黄铜小球,两个黄铜小球互相对着,组成发生器。另外,赫兹用一根硬质铜导线弯成圆弧形,两端各接一个可以调节距离的黄铜小球,组成检波器。发生器和检波器相距10米。发生器通电后,赫兹在检波器的两个铜球间隙看到了电火花,实验成功了!这时候,赫兹的心激动得像电火花一样在欢快地跳跃。因为他的实验证明,发生器确实发出了电磁波,并且被检波器接收到了。

接着,赫兹测量了电磁波在真空中传播的速度,但是他计算到的数值是20万千米/秒,和麦克斯韦预言的不一致。因此,赫兹又花了好几个月的工夫,作了一系列检验性实验。检查实验结果是否可靠。其实实验毫无问题,是赫兹计算错了。后来物理学家本凯莱用赫兹的实验数据重新计算,得到电磁波速度是30万千米/秒。1887年11月5日,赫兹满怀信心地给亥姆霍兹寄去一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文,阐明实验证明了法拉第和麦克斯韦定论的正确性。亥姆霍兹看后十分高兴,当即用明信片告知赫兹:“手稿已收到。

好!星期四我就把手稿交付排印。”赫兹的论文一发表,顿时成了科学界轰动的人物。赫兹实验庄严地宣告:人类利用电磁波的春天来到了!

后来,赫兹又做了一系列的实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,首先发现了光电效应,也就是物质在光的照射下释放出电子的现象。这一发现,成了爱因斯坦建立光量子理论的实验基础。赫兹还通过实验确认电磁波是横波,具有直线传播、反射、折射和偏振等光学性质,并且实现了两列电磁波的干涉,从而全面验证了麦克斯韦光的电磁理论的正确性。1890年以后,赫兹花了比较多的时间和精力,整理了麦克斯韦的理论,进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加完美、对称,给出了麦克斯韦方程组的现代形式。

赫兹对人类文明作了很大的贡献,正当人们期望他再作贡献的时候,骨癌过早地夺去了他的生命。赫兹于1894年元旦去世,只活了37岁。他的导师亥姆霍兹赞扬赫兹“才气横溢,性格坚毅,用自己极短暂的一生解决了一个世纪以来许多科学家所没有解决的一系列重要的问题”。1896年3月24日,俄国著名物理学家波波夫(1859~1906)用“海因里希·鲁道夫·赫兹”这一串字母,拍发了世界上第一份电报。后人为纪念赫兹,用他的名字来命名频率的单位,简称“赫”。

普朗克与普朗克常数

普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858~1947)在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式,创立能量子概念。

普朗克是德国著名的物理学家,1858年4月23日诞生于德国基尔的一个高级知识分子家庭。

普朗克从小受到严格的正规教育。1867年普朗克跟随父亲来到慕尼黑,进入马克·辛密里恩大学预科学习。1874年考入慕尼黑大学,第二年因病中断学业。病愈后转入柏林大学。1879年普朗克回到慕尼黑大学,以题为《论热力学第二定律》的论文取得物理学博士学位。第二年取得讲授理论物理学的资格。1885年普朗克任基尔大学理论物理学非常任教授。1888年普朗克接替已去世的基尔霍夫,任柏林大学理论物理学教授,1892年晋升为终身教授。1894年当选为普鲁士科学院数理学部委员,1912年任普鲁士科学院常务院长。1918年荣获诺贝尔物理学奖。1926年当选为英国伦敦皇家学会外国会员。1930年被任命为柏林威廉皇家研究所所长。

19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。

虽然瑞利、金斯(1877~1946)和维恩(1864~1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。

从1896年开始,普朗克对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力,有时候甚至废寝忘食,终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子辐射频率,是v的能量的最小数值E=hv。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,现在叫做普朗克常数。

普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。

普朗克走上研究自然科学的道路,在很大程度上应该归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐,又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事:一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上,工匠做的功并没有消失,而是变成能量贮存下来了;一旦砖块因为风化松动掉下来,砸在别人头上或者东西上面,能量又会被释放出来。这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象,不但使他的爱好转向自然科学,而且成为他以后研究工作的基础之一。

普朗克进入科学殿堂以后,无论遇到什么困难,都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸:1909年妻子去世,1916年儿子在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个女儿先后都死于难产,1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作来抑制自己的感情和悲痛,为科学做出了一个又一个重要的贡献。

普朗克为人谦虚,作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上,普朗克致答词说:“试想有一位矿工,他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探,有一次他找到了天然金矿脉,而且在进一步研究中发现它是无价之宝,比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏,那么无疑地,他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话才道出了问题的本质。他说:“我们一定不要忘记,这样灵感观念的好运气,只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”

1947年10月3日,普朗克在哥根廷病逝,终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家,把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。

第一个两次荣获诺贝尔奖的科学家居里夫人

玛丽·居里(Marie Sklodowska Curie,1867~1934)是法国著名的物理学家和化学家。玛丽原籍波兰,姓斯可罗多夫斯卡,成名后,大家都亲切地称呼她为居里夫人。

1867年11月7日玛丽诞生在波兰华沙的一个名门家庭。