物理学家的观察艺术

第四节　物理学家的观察艺术

物理学家历来十分重视物理观察，即使是并不直接从事物理观察和实验的理论物理学家，也同样十分关注物理观察的收获与动向。这是由于物理观察既决定着物理研究课题的选取，又决定着物理研究成果的检验，因而与物理学家的研究工作息息相关。物理学家们所作的许多重大科学发现，都直接或间接与物理观察有关。

在物理学发展的过程中，那些以观察和实验为主的杰出物理学家，历尽艰辛，不畏劳苦。在漫长的观察实践中，他们一方面积累了丰富的观察资料，为物理学发展做着基础性的工作；另一方面，通过物理观察直接导致了物理学上许多重大发现，推动了物理学科的发展；而更为重要的一方面，是他们对观察方法的不断改进，对观察工具的不断创新和对观察艺术的不断追求，使物理观察不断地发展、完善并且显示出其卓越的艺术价值。在这里，一代代物理学家前赴后继、不断探索，留下了一个又一个令人深思、催人奋进、充满着艺术魅力的故事。

伽利略发现摆的等时性

在我们日常生活中，许多极普通的现象往往蕴含着深刻的物理意义，或体现着特殊的物理规律。一般的人对于这些现象或是熟视无睹，或是不加深究；更有人认为“既然如此，则理应如此”。而那些有着敏锐观察力的物理学家，则能够处处留心，于普通的生活现象中发现物理学的基本规律。

据说1583年伽利略在比萨大学学医期间，有一次他到比萨教堂参加祈祷，碰巧有一位司事为一盏从教堂天花板上悬下来的吊灯加油，加足油后吊灯在空中来回地摆动。这一现象引起了伽利略的注意。当周围那些虔诚的礼拜者微闭双目、默默祈祷时，伽利略却瞪大双眼，紧紧地盯着吊灯，并且右手抓住左手腕，口中念念有词地数着数。伽利略发现吊灯的摆动节奏是有规律的，虽然吊灯摆动的幅度越来越小，但通过脉搏计数，每次往返所用的时间几乎是相同的。这种由于偶然观察所得到的结论究竟是否正确？

伽利略感到需要进一步观察验证。所以，他等不及祈祷的结束而立刻从跪着的地上站起来向门口走去，他的这一举动，在身后留下一片惊讶、唏嘘之声。

回到家之后，伽利略马上动手做实验。他找来两根同样长的绳子，各拴上相同重量的物体，然后把它们悬挂在屋子的横梁上。他把两个重物拉到不同的高度，然后同时释放。实验观察的结果是，两个摆的振幅虽然不同，但在相同的时间内摆动的次数是相同的。实验观察的结果证实了他在教堂中的观察结论，由此，伽利略发现了物理学上著名的单摆等时性原理。

伽利略的发现引起了同时代和后辈物理学家的关注，许多人对摆作了更深入的研究。其中，对摆的研究取得突出成果并把摆的等时性应用于计时而制成精密钟表的是惠更斯。

1673年，惠更斯出版了《摆式时钟》一书，对摆的研究作了理论概括，在书中，惠更斯导出了，单摆的周期公式式中：L为摆长，g为重力加速度，T为单摆的周期。

应用这一公式，惠更斯在测得一个周期为2秒的单摆摆长后，算出了巴黎的重力加速度约等于9.8米/秒2。惠更斯对摆的进一步研究，还导致了做圆周运动物体向心力公式的发现，这一发现为牛顿万有引力定律的发现作了理论准备。此外，精密摆钟的发明和应用，使人们发现了重量和质量概念之间的差异，并促使牛顿进一步发现了在同一地点质量和重量的正比例关系。

从以上的叙述中我们看到，摆的等时性原理的发现，导致了物理学上一系列重要发现和技术上的重要应用。这些发现对于牛顿力学体系的建立及物理学的发展都有十分重要的意义，这正是伟大的伽利略处处留心、善于观察的结果。

瑞利发现氩元素

在科学观察中，精细入微的工作作风是极其可贵的。科学的真理常常寓于一个微小的差别之中，抓住这个微小的差别深入地探究其根源，就可能导致有价值的科学发现。相反，由于粗枝大叶而没能发现这个业已存在的差别，或者认为差别太细微而加以忽略，都将失去发现真理的机会。杰出的物理学家在科学观察中的过人之处，往往就在于他们有着明察秋毫、精细入微的观察能力和心理品质。

1892年9月，英国《自然》杂志9月号上发表了瑞利写给杂志社主编洛克尔的一封信，其简短的内容是：

“今有一事特向贵刊和贵刊的读者求教。我最近多次用两种方法制取氮气，但它们的密度总是不一样。既是同一物为什么会有两种密度呢？”

原来瑞利从1882年起，就开始致力于研究各种气体的密度。这是物理学的一项基础性工作，是一个需要超人的细致与耐心的研究课题。而这一课题，正适合集精细与敏锐于一身的瑞利。10年来，瑞利先后精确地测定了氢气、氧气、氯气、二氧化碳等气体的密度。

1892年，瑞利开始测定氮气的密度。他先从空气中得到氮气，测定密度为1.2572克/升；后又用氨气制取氮气，测定其密度为1.2508克/升，二者相差0.0064克/升。这种发生在小数点后第三位数字上的微小差别，在一般人看来也许根本不去注意，更不去深究。然而，精细入微的瑞利却不这么看。他自信这种差别绝不会是由实验操作引起的误差；他更相信，这微小的差别中也许存在着一定的秘密。在经过一段时间的研究后，瑞利仍未解开这个误差之谜，所以他就把这一问题以读者来信的形式发表在《自然》杂志上，以寻求帮助和合作。

瑞利在《自然》杂志上发表的来信引起了化学家拉姆赛的注意。拉姆赛与瑞利取得了联系，并指出这个微小差别可能是因为从空气中得到的氮气不纯造成的。这一提醒使瑞利恍然大悟，并使他意识到氮气的不纯正说明空气中还有未被发现的新物质。

于是，瑞利展开了新的实验。他把由空气中得到的氮气在通电的条件下与氧气化合，最后得到一个不与氧气反应、无法去掉的“气泡”。瑞利感觉到这个气泡就是那个造成密度差别的神秘物质，并且他猜想这可能就是26年前让逊和洛克尔在太阳光谱中发现而直到现在在地球上还没找到的“氦”。通过分光镜的分析，瑞利发现这并不是氦，而是另一种未被发现的元素。瑞利给它起了个名字叫“氩”（Argon），即“懒惰”的意思。与此同时，拉姆赛也发现了氩。这时，已是1894年8月了。在发现氩的鼓励和启发下，拉姆赛又先后发现了氦、氪、氖和氙，使得门捷列夫元素周期表又增加了新的一族，这对物理学和化学的发展都是十分重要的。

查德威克发现中子

在科学观察中，当一个从未见过的新奇现象出现在视野中时，有的人由于缺少必要的警惕性而轻易地放过了，有的人则囿于成见轻率地将其归结到已知理论的框架中去，而那些具有高度警觉和心理准备的科学家，则能够抓住机遇，紧追不放，进而获得重大科学发现。

1930年，德国物理学家玻特和贝克尔用α粒子轰击铍时，观察到被轰击后的铍上发射出一种强度不大而穿透力极强的射线。玻特和贝克尔对这种射线作了进一步的研究，发现它在电场和磁场中都不发生偏转，在穿透2厘米厚的铅板后，强度只减弱13%。从电中性和穿透力这两个方面看，这种射线极像当时已为人们所知的γ射线。所以，经过很长时间的思索之后，在1931年苏黎世物理学家聚会上报道实验结果时，玻特还是称铍辐射可能是γ射线。

1931年底，法国物理学家约里奥·居里夫妇在知道了铍辐射后，重做了玻特和贝克尔的实验，得到了相同的结果。不过，约里奥·居里夫妇在进一步研究射线时采用了一些新的方法。他们把多种物质放在铍和测量仪器之间，结果使他们惊异地观察到，当把一块石蜡放在辐射经过的路径上时，仪器记录到的粒子数比不放石蜡时多得多。经过鉴定，从石蜡中飞出的竟是质子，这就是说，在铍射线的照射下，石蜡会发射出大量质子。

按照玻特的结论，铍射线是γ射线，γ射线由光子组成，而质量几乎为零的光子何以能将比自己质量大得多的质子从石蜡中打出来呢？显然，玻特的结论是不可靠的。如果约里奥·居里夫妇能够冷静地思考一下，也许就能作出重大发现了。但是，他们却先入为主地按照玻特的错误思路考虑下去。1932年1月18日，他们公布了实验结果，并认为发现了γ射线的一种新作用。

当约里奥·居里夫妇的文章传到英国卡文迪许实验室时，查德威克感到极为震惊，他无论如何也不能相信γ射线能从石蜡中打出质子来。他自然地想到，这种中性的铍辐射，很可能就是自己的老师卢瑟福几年前预言的中子。他意识到一个难得的机遇正向自己走来，一定要牢牢地抓住它。查德威克立即动手重做了玻特和贝克尔的实验，对铍射线进行了更细致的研究。首先，他把铍射线和γ射线作了对比，观察到通常的γ射线照射到物质上时，物质密度越大，对γ射线的吸收越厉害，而铍射线的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它；并且，γ射线的运动与光速相同，而他测得铍射线的速度不到光速的1/10。

据此，查德威克排除了铍射线是某种γ射线的可能。其次，查德威克决定证明铍射线是粒子流，即要确定粒子的质量。他让相同速率的中性粒子去轰击静止的含氢物质和含氮物质，假设是弹性碰撞，则由能量守恒和动量守恒定律，可以算出被轰出的氢核和氮核的速率

上面二式相除得

实验中，查德威克测得氢核的动能为4.7电子伏特（MeV）、氮核的动能为1.2电子伏特（MeV），氮核质量和氢核质量的比为14，这样可算出

由此得：m_中≈m_H，即中性粒子的质量与氢核近似相等。在得到这个基本结论后，查德威克又用别的物质代替氢和氮，重做上述实验，所得结果都说明这种粒子的质量与质子的质量差不多。这样，查德威克就发现了这种中性粒子，并采纳美国化学家哈金斯的建议，将这种新发现的中性粒子命名为“中子”。

中子的发现在物理学发展中具有极为重要的意义，在物理学的理论和应用两个方面都产生了深远的影响。中子的发现是人类继放射性现象之后，在探索原子奥秘的道路上的第二个重大发现，是人类继电子、光子、质子之后发现的第四种基本粒子。中子的发现使得物理学中的一些重大问题立即获得了解决。在中子发现不久，海森堡和伊凡宁柯就分别独立地提出原子核是由质子和中子组成的模型，正确地解决了原子核结构的基本问题。质子中子核模型的建立，使人们认识到有比电磁相互作用更强的核作用的存在，促使人们去研究核作用，从而开辟了粒子物理学的新领域。

中子的发现，使人们找到打开原子核大门的一把钥匙。由于中子不带电，更容易打入原子核而引起核反应，所以人们用它去轰击各种原子核，得到了许多放射性同位素，最终导致了铀裂变的发现、核反应堆的建立、原子弹的爆炸……可以毫不夸张地说，是中子为人类打开了进入原子能时代的大门！

约里奥·居里夫妇发现人工放射性

科学的道路从来就是不平坦的，科学家的每一次成功，都是在无数次失败的基础上取得的。一个优秀的科学家，绝不会在遭遇了几次失败后就灰心，就放弃自己的追求。他们与常人的不同之处就在于矢志不渝、坚持不懈，失败、失误和挫折只会激励他们的斗志，帮助他们寻找通向成功的正确道路。

1926年，距1896年贝克勒尔发现放射性现象已经过去整整30年了。这期间，放射性现象经过贝克勒尔、皮埃尔·居里夫妇、卢瑟福、索第、克鲁克斯等优秀科学家的研究，在放射性的规律、放射性的种类和本质、放射元素和衰变系列、人工核反应等方面都取得了突破性进展，系统的放射性理论已基本建立起来。

就在这时，一对年轻的夫妇——弗雷德里克·约里奥和伊伦娜·居里，决心致力于放射性的研究，他们要用自己的研究成果去完善和发展放射性理论。他们的志向受到一些朋友的劝阻，著名化学家德比恩就多少有点开玩笑地对约里奥说：“你现在才去研究放射性，未免太晚了，这些元素和衰变系列现在都已知道了。除了把它们的各种特性算到小数点后三位和四位以外，没有什么剩下可做的了。”然而，约里奥·居里夫妇却认为，放射性仍是一个充满活力的研究课题，需要探索和开拓的领域还很多，许多未知的奥秘等待着人们去发现。于是.他们义无反顾地踏上了放射性的探索之路。

约里奥·居里夫妇的科学探索之路并不顺利，他们曾几次走到了重大发现的边缘，但几次又都与重大发现失之交臂。1982年1月，他们在观察镀辐射时，由于受玻特已有思想的束缚，而失去了发现中子的机会，就连因发现中子而荣获诺贝尔奖的查德威克也诚恳地说：“约里奥先生及其夫人的非常卓越的实验，在发现中子的路上迈出了真正的第一步……”这一次的失误，使约里奥·居里夫妇十分后悔。但后悔归后悔，他们并没有停止探索的脚步。1932年8月，安德森将云室置于磁场中，观察宇宙射线穿过金属板后的情况，发现了一条奇特的径迹，它与电子的径迹相似，但偏转方向与电子相反，显示出带正电的特性。于是，安德森果断地判断这就是狄拉克1928年预言的正电子。

而在此之前，约里奥·居里夫妇也曾在云室观察中清楚地看到过正电子的径迹，遗憾的是他们又一次作出了错误的解释，又一次失误了。等到安德森发现正电子的报告公布后，他们才知道又一次失去了重大发现的机会。

两次的失败没有使约里奥·居里夫妇丧失信心，更没有动摇他们献身于放射性研究的志向。他们认真地总结了，以往的经验教训，开始了新的探索。

1933年，这对有着勇敢的献身精神、执著的追求意志和精湛的实验技术的科学夫妇，终于迎来收获的季节。这一年，他们重做了卢瑟夫曾做过的α粒子轰击铝的实验，结果发现，放射出来的粒子有质子、中子和正电子。当他们用一块铅板挡在α粒子源和铝片之间时，铝片不再发射质子和中子，这说明α粒子被铅板挡住后，它和铝原子核的反应随即停止；然而，奇怪的是，这时铝片仍有放射性，持续放射正电子达半小时左右才消失。

1934年1月，约里奥·居里夫妇继续观察α粒子轰击铝的实验。这一次他们发现，当把放射源撤走以后，仍能测到放射性，半衰期约为3分钟。通过化学分析，他们终于确认，这种新的放射性元素是天然不存在的元素磷30，它以放出正电子的形式进行β衰变而转化为稳定元素硅：

进一步改用硼和镁继续进行实验，观察表明也可以得到放射正电子的放射性氮和放射性硅。这一发现表明，放射性不仅来源于天然元素，而且可以用人工的方法制造出放射性元素。

1934年11月15日，约里奥·居里夫妇在法国科学院的会议上详细地介绍了实验观察的结果，与会者以热烈的掌声通过了他们的科学报告。他们的发现，拓宽了物理学的研究领域，加深了人们对放射性现象的认识，使放射性理论有了新的含义和内容。1935年，约里奥·居里夫妇由于发现人工放射性而荣获诺贝尔化学奖。