书城童书我的第一本物理探索发现全纪录
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第2章 物理科学家的故事(2)

朱棣文从20世纪80年代初开始致力于“冷却原子”的研究工作。十年后,获费萨尔国王国际科学奖,同年被选为美国科学院院士。1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布,本年度的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物理教授朱棣文、美国标准与技术研究所的菲利普斯和法国学者科昂·塔诺季,以表彰他们发明了用激光冷却进行低温下俘获原子的方法。

朱棣文能取得这样的成就和家族的影响分不开。他出生在美国密苏里州圣路易斯市一个学者之家。朱棣文的祖父朱祝年是江苏太仓城厢镇的一位读书人,十分重视培养后代。大姑妈朱汝昭早年曾留学日本;二姑妈朱汝华早年留学美国任芝加哥大学化学工程教授,是中国第一代化学家;三姑妈朱汝蓉,青年时留学美国攻读化学,也为一名化学教授。

朱棣文的父亲朱汝瑾毕业于清华大学化工系,留美就读于麻省理工学院,获该院化工博士,先后任美国圣路易、纽约及新泽西的3所大学教授,历任美国和欧洲六十多家石油、化学、导弹、核子工程及太空公司的顾问。其母李静贞出生于天津一名门之家,清华大学经济系毕业后去美国麻省理工学院攻读工商管理。朱棣文的外祖父李书田是20世纪20年代清华大学毕业生,公费留美,回国后投身教育事业,曾任国民政府教育部部长。据了解,朱棣文父兄辈中至少有12位拥有博士学位或大学教授职位。因此,朱棣文说,出身学术世家对他今天取得的成就有相当的影响,关键的是,没有他们,就根本不会有我。

朱棣文有一兄一弟。哥哥朱筑文是斯坦福大学医学院教授,专长DNA研究;弟弟朱钦文是南加州一家知名律师事务所的执业律师,都拥有博士学位。成长在一个传统的中国家庭里,朱棣文三兄弟从小就受到了东方文化的熏陶和培养。从父母身上他学会了刻苦、勤劳和谦逊,美国的开放式教育也造就了他的幽默、风趣和自信。

朱棣文非常感谢父母在学习上给了他们很大的自由度。升到中学后父母就很少再过问3个孩子的功课,而且,一直鼓励他们要以自己的兴趣为主来选择科系专业,一旦选定目标就要持之以恒不懈努力。朱棣文高中毕业时,父亲本不赞成他选择物理学,认为善于绘画的儿子应该去学建筑,因为物理学界高手太多,不易出成就,而且做实验是枯燥无味的,然而朱棣文却对物理学情有独钟,学问做得津津有味。

兴趣加不懈的努力,终于迎来了累累硕果。他获得纽约州罗彻斯特大学数学和物理双学士;28岁时,获得柏克莱大学物理学博士学位,并在该校从事两年的博士后研究;美国贝尔实验室电磁现象研究人员,因成绩显著并做得一手“漂亮实验”升任该实验室电子学研究部主任;任斯坦福大学物理学教授,并任该校物理系主任。

20世纪80年代初,朱棣文开始从事原子冷却技术的研究,两年后发表第一篇学术论文。他荣获诺贝尔奖的科研项目的主要工作是在斯坦福大学完成的。参加这项研究有很多科学家,对和他一起获诺贝尔物理奖的人,朱棣文说,虽然他们是单独工作的,但“各自从不同方面做成了这件事。虽然我们的具体目标不一样,但这是一个异曲同工的贡献,我们的工作将造福人类。”

在学生心目中,朱教授聪明非凡,谈吐风趣,是一个值得学习的楷模,他们认为朱教授口才非常好,能将一场学术性很强的演讲讲得十分生动,在学生讨论时听上两三句就能一针见血地指出问题的症结所在。朱棣文教授对学生要求极严,他经常会出其不意地跑到实验室看他的研究生们的实验进度如何,如果因不努力而进度落后了,他会毫不留情地批评。

已当选为美国科学院院士的朱棣文平时很少提及自己的研究成就,甚至在父母面前也从不提起。他的母亲说:以前他每次得奖从不告诉我们,都是我的朋友看到报道后,剪下来寄给我的。像获左根汉研究奖;获第一个国际大奖;获美国物理学会艺术奖等,他都没有表示出特别的兴奋。

1997年10月15日凌晨,睡梦中的朱棣文被一阵急促的电话铃声惊醒,他的研究生率先向他报告了获奖的消息,起初朱棣文还以为是学生在跟他开玩笑,随后,一个接一个探询和祝贺的电话不断打进来,朱棣文这才确信:“我是真的得奖了”。

兴奋之余朱棣文坦言:事先已有一些预感,觉得自己的研究“非常地疯狂”,所以得奖是“应该有一点机会的”。事实上,朱棣文从事该项研究已有14年,并且取得一定的成就——该项研究获费萨尔国王国际科学奖。

朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光制冷捕捉技术研究,有着非常广泛的实际用途,这项研究为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用,特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学中,研究气体的原子与分子相当困难,因为它们即使在室温下,也会以上百公里的速度朝四面八方移动,唯一可行的方法是冷却,然而,一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等3位学者则利用激光达到冷却气体的效果,即用激光束达到万分之一绝对温度,等于非常接近绝对零度。原子一旦陷入其中,速度将变得非常缓慢,而变得容易俘获。该技术可以用来做精确测量,特别是做“重力测量”;人们还可以利用此技术做成重力分析图,由此解开地球上的许多谜团:例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质,在生物科技上可以解读基因密码;科学家还可以借此研究“原子激光”,制造精密的电子元件;也可以测量万有引力,进一步发展太空宇航系统,进行准确的地面卫星定位。科学家们普遍认为,这的确是一个了不起的研究成果。这次获奖他仍然表示:“我还是我,跟昨天没有什么两样。”在获知得奖的当天,他仍平静如常地去上课。他说,“当我想到还有更多的优秀科学家,特别是比我强的科学家还没有获奖时,我自然就不应该把这项奖看得有多么重。”“我只是运气比较好。”

我们不可能每个人都能取得朱棣文那样的成就,但是,人这一生,总得制定一个自己想要达到的目标,在实现目标的过程中,肯定有艰难险阻,如果所有的困难一开始就排除得一干二净,便没有人愿意去尝试有意义的事情了。大目标要分成许多小目标,小目标就是实现大目标的阶梯,每一个小目标的实现都会令你有一种成就感,但你要知道,你的小目标只是一段乐章中的前奏,如果停留在那里而不前进,那庞大的乐章就失去了它原本的震撼力,为了达到大目标,就要像深谋远虑的将军一样,时常根据战局改变战略。你要一个一个地、脚踏实地地处理前进道路上的任何障碍,先努力取得那些微小的胜利,总有一天,你会到达人生的飞跃。

科学路上不畏艰难,勇往直前;荣誉面前,宠辱不惊,泰然处之。我们要学习的就是这种精神。

原子论的创始人德谟克利特

德谟克利特,公元前4世纪古希腊哲学家,原子唯物论的创立者之一。他爱好广泛,学术造诣极高。更可贵的是,他对事业有一种极为认真专注的精神。

德谟克利特出生于色斯雷的海滨城市阿布德拉。当时的阿布德拉是个大商埠,海外贸易发达,各地的商人往来频繁。德谟克利特从小就见多识广。小时候,他做过波斯术士和星象家的学生,接受了神学和天文学方面的知识,对东方文化有着浓厚的兴趣。他在学习和研究的时候非常地专心,经常把自己关在花园里的一间小屋里。一次,父亲从小屋里牵走了一头牛,他都没有察觉。他的想象力很丰富,并且刻意培养自己的想象力,有时他到荒凉的地方去,或者一个人呆在墓地里,以激发自己的想象。德谟克利特成人后,来到雅典学习哲学。后来又到埃及、巴比伦、印度等地游历,前后长达十几年。他在埃及居住了五年,向那里的数学家学了三年几何。他曾在尼罗河的上游逗留,研究过那里的灌溉系统。在巴比伦,他向僧侣学习如何观察星辰,推算日食发生的时间。回到故乡阿布德拉后,他担任过该城的执政官。在繁忙的政务之余,他始终没有放弃追求哲学和自然科学知识,并且在艺术方面也有了一定的造诣。

德谟克利特经常外出旅行,花费了父亲给他留下的绝大部分财产。他又整天写着“荒诞”的文章,在花园里解剖动物的尸体,以至族中有人认为他发了疯。有些人企图占有他剩下的财产,便控告他浪费祖产,对族中的事不加理会,把好好的园子变成了杂草丛生的荒地。根据该城的法律,犯了这种罪的人,要被剥夺一切权利并被驱逐出城外。但是,聪明且能言善辩的德谟克利特在法庭上据理力争,终于被判无罪。德谟克利特研究过天文、地质、数学、物理、生物等许多学科,提出了圆锥体、棱锥体、球体等体积的计算方法。他对逻辑学的发展也作出了重要的贡献。德谟克利特的著作涉及自然哲学、逻辑学、认识论、伦理学、心理学、政治、法律、天文、地理、生物和医学等许多方面,据说一共有52种之多,遗憾的是到今天大多数都散失或只剩下零散的残篇了。

德谟克利特在自然科学上最重要的贡献,是他继承和发展了生活于公元前500年前后的留基伯的原子论,为现代原子科学的发展奠定了基石。留基伯是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者。他首先提出物质构成的原子学说,认为原子是最小的、不可分割的物质粒子,原子之间存在着虚空,无数原子从古以来就存在于虚空之中,既不能创生,也不能毁灭,它们在无限的虚空中运动着构成万物。

德谟克利特是留基伯的学生,他继承并发展了留基伯的原子学说,指出宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。原子一直存在于宇宙之中,它们不能被从无中创生,也不能被消灭。任何变化都是它们引起的结合和分离。原子在数量上是无限的,在形式上是多样的。在原子的下落运动中,较快和较大的撞击着较小的,产生侧向运动和旋转运动,从而形成万物并发生着变化。一切物体的不同,都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。原子在本质上是相同的,它们没有“内部形态”,它们之间的作用通过碰撞挤压而传递。根据这样的理论,德谟克利特还提出了他的天体演化学说,即在一部分原子由于碰撞等原因形成的一个原始旋涡运动中,较大的原子被赶到旋涡的中心,较小的被赶到外围。中心的大原子相互聚集形成球状结合体,即地球。较小的水、气、火原子,则在空间产生一种环绕地球的旋转运动。地球外面的原子由于旋转而变得干燥,最后燃烧起来,变成各个天体。德谟克利特的原子论里没有神存在的空间,他认为原始人在残酷而奇妙的自然现象面前感到恐惧,再加上知识的匮乏,只有臆造出神来解释一切的未知。其实,除了永恒的原子和虚空外,从来就没有不死的神灵。他甚至认为,人的灵魂也是由最活跃、最精微的原子构成的,因此它也是一种物体。原子分离,物体消灭,灵魂当然也随之消灭。

德谟克利特发展了留基伯的学说,他的原子论后来又被伊壁鸠鲁和克莱修所继承,再后来被道尔顿所发展,从而形成了近代的科学原子论。但是,他在继承留基伯的原子说时,也延续了留基伯原子不可分的思想,从而留下了永久的遗憾。

德谟克利特是这样用原子论解释认识论问题的:从事物中不断流溢出来的原子形成了“影像”,而人的感觉和思想就是这种“影像”作用于感官和心灵而产生的。这就是他的“影像说”。他还区分了感性认识和理性认识。认为感性认识是认识的最初级阶段,人的感官并不能感知一切事物,例如原子和虚空就不能为感官所认识,当感性认识在最微小的领域内不能再看、再听、再嗅、再摸的时候,就需要理性认识来帮助,因为理性是一种更精致的工具。德谟克利特把理性认识称为“真理的认识”。因为在他看来,原子本身之间没有什么性质的不同,人们感觉所感知的各种事物的颜色、味道都是习惯,是人们主观的想法。德谟克利特的原子唯物论思想是古希腊唯物主义发展的最重要成果。列宁称他是古希腊唯物主义哲学路线的代表。

德谟克利特在很多方面取得了非凡的成就,马克思和恩格斯因此赞美他是古希腊人中“第一个百科全书式的学者”。

德谟克利特的原子论是古希腊唯物主义发展的最重要成果。列宁称他是古希腊唯物主义哲学路线的代表人物。他的故事告诉我们,无论做什么事,都要专注于你的目标,尽可能地把事情做到最好。

坚持真理的伽利略

伽利略,意大利物理学家、天文学家和哲学家,近代实验科学的先驱者。

16世纪末,伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验,从此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的学说,纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。

17世纪初,伽利略创制了天文望远镜(后被称为伽利略望远镜),并用来观测天体,他发现了月球表面的凹凸不平,并亲手绘制了第一幅月面图。不久,伽利略发现了木星的四颗卫星,为哥白尼学说找到了确凿的证据。借助于望远镜,伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动,以及银河是由无数恒星组成等。这些发现开辟了天文学的新时代。

为了这些科学研究,伽利略付出了巨大的代价。但是,在传统恶势力的压迫下,他不仅没有屈服,反而用自己的实际行动向人们呼吁真理的到来。

伽利略出生于意大利的比萨城。他的祖辈是佛罗伦萨的名门贵族,父亲是音乐家,作曲家,多才多艺,而且还擅长数学,可是他却不愿意自己的儿子将来成为一名数学家或音乐家,希望他能成为一位医生。伽利略11岁时,进入佛罗伦萨附近的法洛姆博罗莎经院学校,接受古典教育。孩提时代的伽利略,好奇心极强,喜欢与人辩论,从不满足别人告诉他的道理,而要自己去探索、去想象。他虽是一个音乐师的儿子,却从小就对“天空的音乐”感兴趣,他父亲说他是一个心不在焉的小星象家,说他常常眼里看见奇象,耳朵里听见异音。在学校里,当老师在解说拉丁文的介词,或意大利文的动词的重要性时,小伽利略的心早就随着父亲给他买的作为生日礼物的那只小气球飞到天外去了。他还喜欢制造机械玩具做游戏,他制作了各式各样的像车、风车、船之类的小玩意儿。

17岁时,伽利略进入了比萨大学学医。然而,在大学学习期间,他对医学兴味索然,却迷恋着数学,他深深感到:“数理科学是大自然的语言。”为了学好这种语言,他决意献出自己的一生。