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§二震惊世界的新发现（第1页）

§二、震惊世界的新发现

发现X射线

最先打破物理学界美好图景的正是1895年X射线的发现。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。1901年，首届诺贝尔物理学奖就授予了它的发现者德国物理学家伦琴（Wilhelm　rad　Rotgen，1845—1923）。伦琴1845年3月27日生于德国莱茵省的雷内普（Lennep），他是纺织商人的独生子，童年时代大部分是在母亲的故乡荷兰渡过的。1868年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。1869年，获哲学博士学位。受老师昆特教授的影响，转而从事物理学的研究。

伦琴发现X射线时，已经是五十岁的人了。当时他已担任维尔茨堡大学校长和该校物理研究所所长，是一位造诣很深，有丰硕研究成果的物理学教授。在这之前，他已经发表了几篇科学论文，其中包括热电、压电、电解质的电磁现象、介电常数、物性学以及晶体方面的研究。他治学严谨、观察细致，并有熟练的实验技巧，仪器装置多为自制，实验工作很少靠助手。他对待实验结果毫无偏见，作结论时谨慎周密。特别是他的正直、谦逊的态度，专心致志于科学工作的精神，深受同行和学生们的敬佩。19世纪末，阴极射线研究是物理学的热门课题，许多物理实验室都致力于这方面的研究，伦琴也对这个问题感兴趣。

1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一个偶然事件引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起到一定的阻挡作用。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到过的射线，它具有特别强的穿透力。于是立刻集中全部精力进行彻底的研究。他一连许多天把自己关在实验室里，连自己的助手和家人都没告诉。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况。他深深地沉浸在这一新奇现象的探讨中，达到了废寝忘食的地步。平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线。才告诉自己的亲人。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片。1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众，题为《一种新射线（初步通信）》。因为他当时无法确定这一新射线的本质，伦琴在他的通信中把这一新射线称为X射线。发现X射线的消息很快传遍全球，并引起了人们极大的兴趣。X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。许多科学家投身于X射线和阴极射线的研究，从而导致了放射性、电子以及α、β射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。

伦琴对科学有着崇高的献身精神。他无条件地把X射线的发现奉献给全人类，自己没有申请专利。伦琴还很谦虚，即使当首届诺贝尔物理学奖授给他时，他也没有在颁奖大会上发表演说。他不愿在公共场合露面，更不愿意接受人们的赞扬和吹捧。为了避开人们的访问和庆贺，他多次远离柏林，躲到乡下去生活。

居里夫人和镭

X射线的发现，引起了更多的科学家投入到这项新发现的研究。不久，法国物理学家贝克勒尔发现了铀的天然放射性，从根本上动摇了经典物理学的“原子学说”。而将放射性的研究推向一个高度的是女科学家居里夫人，她发现了镭。居里夫人，原名玛丽·斯可罗多夫斯卡（Marie　Sklodowska，1867—1934），生于波兰华沙，她是家中最小的孩子。她的父亲是一位收入十分有限的中学教师。她中学毕业时获得金质奖章，已经掌握了英、德、俄、法、波兰等五国语言。1891年、她进入巴黎大学理学院学习。1893年，她获得了巴黎大学物理学硕士学位，次年，又获得数学硕士学位。后来在巴黎与皮埃尔·居里（Pierre　Curie，1859—1906，法国著名物理学家）相识相爱而结合。

居里夫人注意到法国物理学家贝克勒尔的研究工作，自从伦琴发现X射线之后，贝克勒尔在检查一种稀有矿物质铀盐时，又发现了一种铀射线，朋友们都叫它贝克勒尔射线。贝克勒尔发现的射线，引起了居里夫人极大兴趣，射线放射出来的力量是从哪里来的？居里夫人看到当时欧洲所有的实验室还没有人对铀射线进行过深刻研究，于是博士研究阶段即进入这个领域。居里夫人进行博士论文答辩时，她的论文题目叫做《放射性物质的研究》。从1897年选定这个研究题目，到1903年完成论文并获博士学位，一共花了5年多的时间。

铀射线的研究工作开始后，居里夫人细心地测试各种不同的化合物。在测量中，出现了一个十分意外的情况：在一种沥青铀矿中，居里夫人测得的放射性强度，比预计的强度要大得多。经过反复考虑，她认为这种反常现象只有一种合理的解释，那就是：沥青铀矿石中，一定含有一种未知的放射性更强的元素。这时候，皮埃尔已经感觉到夫人的研究太重要了，他毅然停下自己关于结晶体的研究，和妻子一起研究这种新元素。1898年7月，他们终于发现了一种新的放射性元素。为了纪念居里夫人的祖国波兰，他们把这新发现的元索取名为“钋”。这年年底，他们又发现了一种放射性极强的未知元素，把它定名为“镭”。

可是，当时谁也不能确认他们的发现，因为按化学界的传统，一个科学家在宣布他发现新元素的时候，必须拿到实物，并精确地测定出它的原子量，而居里夫人的报告中却没有钋和镭的原子量，手头也没有镭的样品。居里夫妇决定拿出实物来证明。当时藏有钋和镭的沥青铀矿，是一种很昂贵的矿物，而且其中镭的含量极微，许多吨矿石仅能艰难的分离出一克的极小分数的镭盐。后来他们想到从矿物残渣中提取，这样会经济很多，经过无数次的周折，奥地利政府决定馈赠一吨废矿渣给居里夫妇，并答应若他们将来还需要大量的矿渣，可以在最优惠的条件下供应。经过夜以继日的努力工作，1902年底，居里夫人已经提炼出0.12克极纯净的氯化镭。在光谱分析中，它清楚地显示出镭的特有的谱线，与已知的任何元素的谱线都不相同，居里夫人还第一次测出它的原子量是225，放射性比铀强200万倍。

1903年，居里夫人和丈夫及贝克勒尔共同分享了诺贝尔物理学奖。可是，他们夫妇太累了，没有力气亲自去领奖。1911年，她因发现两种新元素获得诺贝尔化学奖。她成为第一位两次获得诺贝尔奖殊荣的人物。但是，巨大的荣誉并没有改变她一贯的平易的作风。第一次世界大战期间，她亲自驾驶一辆战地救护车，做人道主义救护工作。由于长期受放射性的照射，居里夫人不幸染上了白血病，1934午7月4日在法国去世。居里夫人给后人留下的不仅是科学上的伟大成就，她的高尚道德品质更值得人们永远学习。

电子的发现

X射线的发现，导致了放射性物质的发现，使得阴极射线的本性问题在物理学界争论已久。德国物理学家大多认为是一种以太波，英国人则认为是一种带电粒子流，这就促进了电子的发现。

汤姆逊（Thomson，JosephJohn。1856—1940）出生于英国，14岁时进入曼彻斯特大学学习。1876年，20岁的汤姆逊被保送到剑桥大学深造，成为知名教授路兹的得意门生，27岁时被选为皇家物理学会会员，伦琴射线的发现吸引了汤姆逊。1897年，他在“克鲁克斯管”的两旁加了电场，发现阴极射线在电场和磁场作用下均可以发生偏转、其偏转方式与带负电粒子相同，这就证明了阴极射线确实是一种带负电的粒子流。汤姆逊还测出了这种粒子流的质量与电荷的比，其值只有氢离子的千分之一。1898年，汤姆逊又进一步证明了该粒子流所带电荷与氧离子属于同一量级，这就表明，其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将之命名为“微粒”，后来又称“电子”，意思是说它是电荷的最小单位。汤姆逊指出，电子比原子更小，是一切化学原子的共同组分。

1903年，汤姆逊提出原子结构模型好似实心小球的西瓜，电子是瓜子，带负电；带正电的物质是西瓜瓤，均匀地分布在原子内，带正电的物质的体积几乎是整个原子的体积。电子在球体中游动，在静电力的作用下，电子被吸收到中心，它们又互相排斥，从而达到稳定状态。

汤姆逊一生兢兢业业，奋斗不止。吉德勋爵夫妇的掌上明珠露丝小姐，早在剑桥上学时就爱上了汤姆逊，等了多年不见回音，就提笔给他写了情书：“现在，你是年轻的皇家学会会员，最崇高的汤姆逊教授，亲爱的，我们该结婚了吧？”汤姆逊壮志未酬是不愿意结婚的，回信安慰心爱的人说：“再等一等，等我获得亚当斯物理学奖时咱们再结婚，那样，你不会觉得更光荣，更幸福吗？”1890年元旦，汤姆逊获得了亚当斯物理奖。获奖的第二天，34岁的汤姆逊怀着胜利的喜悦与幸福的心情和露丝小姐结为百年之好，一时成为剑桥大学的美谈。

电子的发现，揭示出了电的本质，打破了几千年来人们认为原子不可再分的陈旧观念，证实了原子还有其自身的结构，揭开了人类向原子世界进军的序幕，也为以后的科学研究开辟了新的道路。世纪之交的另一革命理论电子力学就是在原子物理学的基础上建立起来的。

爱因斯坦和相对论

牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，是经典物理学最重要的内容和基础。但是，这两个学说却在以太问题上遇到了根本性的困难。第一，按照麦克斯韦的理论，电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太无处不在，例如，太阳光之所以能传到地球，就是因为在太阳到地球的空间充满着以太；第二，按照牛顿力学，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种物体的运动都可以看作是相对以太进行的，第三，从上面两个理论得出结论，处于以太海洋中的地球要绕太阳运行，如果以太是静止的而不能被地球带动，那么，地球就会在以太中以每秒30万千米的速度运动，地球上的人会感到有每秒30万千米的“以太风”迎面吹来。但是人们在日常生活中并没有感受到以太风。“以太”是笛卡儿从古希腊哲学中引入科学的一个概念，用来代表一种充满宇宙，能够传递力的特殊的没有重量的物质。但是“以太”到底是什么，这一直是一个科学之谜。19世纪的物理学家们为了探索以太问题进行了大量的实验和观测。然而，所有这些实验和观测都不能证实以太和以太风的存在。

19世纪到20世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦（1879—1955）创立了具有划时代意义的相对论学说。

爱因斯坦（Albert　Einstein，1879—1955）1879年生于德国，父母是犹太人。1933年，因受纳粹政权迫害，迁居美国。他从小对音乐有着特别的爱好，6岁开始就迷上了小提琴。爱因斯坦性情孤僻，不喜欢同人交往，也并不显得聪明，似乎没有超人之处，从小学到大学没有哪位老师特别宠爱他。他大学一毕业就失业了，做过家庭教师，后来才在伯尔尼瑞士专利局找到了技术员的固定职业。然而，爱因斯坦在年轻时就自学了几何、微积分和康德的哲学著作，善于独立思考，有强烈的批判精神。他在中学的时候就曾设想，倘若一个人以光的速度跟着光波跑是否会处于一个不随时间而改变的波场中。在大学学习物理的4年中，他大部分时间花在实验中并自学著名物理学家基尔霍夫、赫尔姆霍茨、赫兹、马赫和麦克斯韦等人的著作。爱因斯坦熟知经典物理学遇到的困难和洛伦兹、彭加勒等人为摆脱困境所做的努力。

1905年，爱因斯坦经过不懈的努力在德国《物理学年鉴》上发表了创立狭义相对的30页论文《论动体的电动力学》。同年，又在该杂志上发表《物体的惯性同它所包含的能量有关吗》，对相对论做了重要补充。

狭义相对论的两条基本原理即相对性原理和光速不变原理。相对性原理指出，物理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的，即所有的惯性系是等价的，不存在特殊的惯性系。光速不变原理指出，在所有惯性系内，真空中的光速具有相同的定值。

从古至今，人们都认为空间就是容器里面的虚空，时间跟流水一样不停地流逝，时间和空间没有任何关系。而从狭义相对论的角度来看，时间、空间、物质并不是相互独立存在的，而是紧紧地联系在一起，离开了物质或时间谈空间是没有意义的；同样地，离开了空间或物质谈时间也是没有意义的。狭义相对论认为，运动使时间变长，使空间变小。比如说，如果你坐上高速运动的宇宙飞船，飞行10年后回到地球，也许你会发现地球上已经过了20年；或者你去测量高速运动的物体，你会发现它比静止的同样物体小。这很像中国古代神话传说里的描写，竟然在这里得到了印证。

狭义相对论诞生之后，很少受到物理学界的重视，据说全世界只有12个人理解他的理论。在绝大多数物理学家还根本不能接受这个新理论时，爱因斯坦就已积极地把这一理论继续向前推进了。1907年，他把研究的兴趣从狭义相对论转向它的推广。因为狭义相对论的使用范围仅局限于匀速直线运动体系，还不能解释加速运动体系和万有引力问题。

1912年，狭义相对论已经在科学界赢得声誉，爱因斯坦回到母校苏黎世工业专科学校任教后，在他的老同学、该校数学教授格罗斯曼的协助下，找到了“黎曼几何”强有力的数学工具。1915年3月，爱因斯坦在普鲁士学院宣布了他们找到的引力场方程。1916年正式发表了《广义相对论原理》这篇著名论文，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布，现实存在的空间不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间，空间的曲率体现着引力场的强度。1919年，爱因斯坦在介绍相对论时说：“相对论有点像两层的建筑，这两层就是狭义相对论和广义相对论。狭义相对论适用于除了引力以外的一切物理现象；广义相对论则提供了引力定律以及它与自然界别种力的关系。”

爱因斯坦根据新的科学实验事实，对牛顿经典力学做了深刻的反思，吸收世纪之交的科学新思想，发挥创造天才，经过十年深思创立了狭义相对论，又经过十年钻研创立了广义相对论。他说：“相对论的兴起是由于实际需要，是出于旧理论中的严重和深刻的矛盾已经无法避免了。新理论的力量在于仅用几个非常令人信服的假定，就一致而简单地解决了所有这些困难。”爱因斯坦成名后，得到了全世界的热烈赞扬和尊重。对此，他深感不安，他说：“我的政治理想是民主主义。让每一个人都作为个人而受到尊重，而不让任何人成为被崇拜的偶像。我自己受到了人们过分的赞扬和尊敬，这不是由于我自己的过错，也不是由于我自己的功劳，而实在是一种命运的嘲弄。”

爱因斯坦创立的相对论毫无疑问具有创时代的深远意义，它引起了古老物理学的彻底革命，并进一步奠定了日后物理学发展的基石，更是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦一生孤独，有一次他和喜剧大师卓别林一道参加一个庆祝会，受到当地人民的热烈欢迎。卓别林开玩笑地说：“他们欢迎我是因为他们能理解我，而他们欢迎你是由于他们不理解你。”

量子力学的建立

在19世纪中叶，就有一些物理学家开始关注热辐射问题，由于各种物体辐射能量按波长的分布不仅与物体的湿度有关，而且也与物体表面材料的性质有关，为了简化问题的处理，德国物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）提出用绝对黑体（简称黑体）作为研究热辐射的理想化对象。1893年，德国物理学家维恩（W.Wien，1864—1928）根据实验数据，得出了以他名字命名的维恩位移定律。这个定律表明，随着黑体温度的升高，对应着它所发射的光线的最大亮度的波长将变短，即向光谱的紫色区移动。虽然维恩位移公式所表述的规律在短波部分与实验曲线符合得比较好，但在长波部分却低于实验值。

1900年，英国物理学家瑞利（J.Rayleigh，1842—1919）从经典理论推导出一个与维恩公式不同的黑体辐射公式，这个公式的主体部分在长波段与实验吻合较好，但在短波（即紫外线）段却是发散的。瑞利当时为了克服这一缺陷，人为地设置了一个负指数项以消除这个效应。当年10月，富有创见的德国物理学家普朗克（Max.Planck，1858—1947）获悉了瑞利的结果，他采用数学上的内插法，从维恩公式和瑞利公式得出了一个新的能量分布公式。这个公式与实验结果符合得非常好。但令人不解的是，这个公式却不能从经典理论中推导出来。普朗克为了寻求隐藏在这个公式后面的物理意义，进行了艰苦的理论研究工作，提出了量子概念。

然而，普朗克的量子概念在当时并没有引起科学家们的太多注意，连他自己也没有认识到这个概念深远的革命意义，只是把它当成是一个不得已而为之的“形式上的假说”，甚至试图把量子概念重新纳入经典物理学的轨道。1905年，英国物理学家金斯（J.H.Jeans，1887—1946）仍然沿着瑞利的思路继续研究，用经典物理学理论严格推导出了一个辐射能量密度分布公式，得出一个后来被称为瑞利-金斯公式的表达式。这个公式在光谱的长波（红光区）部分与实验很符合，而在短波部分却偏离实验结果，以致在紫外光区域导致发散的结果，即据此求出的能量密度为无限大，这显然是荒唐的，但这个结果开始引起一些物理学家对经典物理学理论解决黑体辐射问题能力的怀疑，这一实验结果被称为经典物理学的“紫外灾难”。

普朗克的量子理论，还是得到了目光敏锐的科学家们的支持，首先就是爱因斯坦。他意识到量子论将带来科学的根本变革。他在1905年3月在德国权威的物理学杂志《物理学年鉴》上发表了一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，全文共分9个部分，其中一个部分涉及到光电效应问题。他在这篇论文中成功地运用普朗克的量子概念解决了包括光电效应在内的一系列光的产生与转化问题；而且首次提出了光既有波动性，又有粒子性的观点，也即光具有“波粒二象性”。他指出：对于统计的平均现象，它表现为波动性；对于瞬时的涨落现象，它表现为粒子性。从而结束了从惠更斯和牛顿以来关于光的本性的长期争论，把波动说与粒子说统一起来了。

爱因斯坦提出光量子理论以后，量子理论引起了越来越多物理学家的重视，并得到了广泛的传播。不仅有许多欧洲一流的物理学家和化学家转而接受量子概念，而且还吸引了大批年轻的科学工作者投身于解开量子之谜和把量子理论应用到更多领域的研究，玻尔（N.Bohr，1885—1962）就用量子理论解决了卢瑟福（Erherford，1871—1937））模型的困难。从普朗克的量子假说到玻尔的原子结构理论，量子概念已经从一个仅仅说明与辐射问题有关的形式上的假说，发展成为说明微观现象本质的必不可少的概念。因此，玻尔原子结构理论的建立，在量子论发展史上具有里程碑的重要意义。

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