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二十世纪重大科技谋略



二十世纪重大科技谋略

希尔伯特善提问数学王国领风骚


  1900 年,第二届国际数学家大会在巴黎召开,德国数学家希尔伯特受邀 在大会上发言。这是个崇高的荣誉,它在一定程度上确认了希尔伯特在数学 界的领导地位。发什么言好呢?他曾经想到作一个为纯粹数学辩护的演讲, 以冲淡由于第一届大会上法国数学家庞加莱过份强调应用数学而造成的某种 不协调气氛,但他更强烈地感到,在世纪之初,“最有意义的题材莫过于展 望未来,提出新世纪里数学所需解决的问题。”于是,他把演讲主题改为对 新世纪数学发展方向的探讨。为了准备讲稿,希尔伯特足足花了半年多的时 间。8 月 8 日,这位 38 岁的演讲者以十分高昂的姿态作了数学史上著名的《数 学问题》的报告。在报告中,他共提出了 23 个数学问题,后来统称为希尔伯 特问题,它指出了未来数学的发展方向。围绕着这些问题的解决形成了许多 新的数学分支,对 20 世纪的数学研究产生了极其重大而深远的影响。
  1 希尔伯特在学术生涯中迈出的第一步是彻底解决了数学上的果尔丹问 题。
  果尔丹问题的一般叙述为:是否存在一组基(即一组个数有限的不变 量),使得其他所有的不变量(尽管它们的个数有无穷多)都能够用这组基 的有理整式表示出来?一个更简捷的叙述是:任何给定次数的 n 元型的基(或 有限完备系)的存在性。
1868 年,果尔丹曾经解决了二元型不变式有限基的存在性。当时他为此
获得了一个“不变量之王”的雅称。在嗣后的 20 年间,果尔丹的结果虽得到 各种推广,但要彻底解决问题还有很大的距离。
从撰写博士论文起,希尔伯特对不变量理论就已经熟悉,其中的果尔丹
问题引起了他的极大兴趣。1888 年夏,在听了果尔丹本人的讲述后,他似乎 体验到了一种前所未有的新境界。果尔丹问题唤起了他那丰富的想象力。他 决定向果尔丹问题发起进攻。这是值得的,因为它具备一个重大而富有意义 的数学问题应有的全部特点:清晰、易懂、困难、有意义。就在他告别果尔 丹,途经哥廷根返回哥尼斯堡的时候,经过一个短时期的努力,他已经把果 尔丹对二元型情况的证明大大地作了改进。虽只是一个前哨战,但已使人们 惊叹不已。果尔丹用了大半生努力证明的问题,竟被希尔伯特在一两个月的 时间里,用四页纸的另一个证明所代替,这怎能不令人振奋呢?就是希尔伯 特自己也很欢欣鼓舞,他看到了攻克一般果尔丹问题的曙光。
1888 年 9 月 6 日,希尔伯特给哥廷根科学会会刊寄出一份不长的论文摘
要,宣布任意元代数形式(型)的果尔丹问题已经彻底解决。这简直令人难 以置信。前几天还使人不敢问津的世界难题,怎么一下子就解决了呢?但事 实确实如此。就像玩“哥伦布鸡蛋”那样,希尔伯特改变了解决问题的思路, 他不去循那条由果尔丹开辟的老路,一个一个地去构造有限基,而是证明有 限基的存在,因为问题也只需要证明它存在就可以了。这样,希尔伯特证明 的意义就不仅在于解决了问题,而且使人从昏睡的迷茫中惊醒——看到了一 条证明存在性定理的崭新之路。
  也有不少人反对希尔伯特的做法。果尔丹不用说,就连希尔伯特博士论 文的导师林德曼也觉得他的证明方法“古怪”得“有害”。在寥寥无几的最 早支持者中,克莱因宣称这个方法“非常简单,在逻辑上是不可抗拒的”。 但两年后的情况就不同了,一些人慢慢地意识到数学之路毕竟不是唯一的,
  
完全没有必要如此保守。果尔丹还特意写信给希尔伯特,向他表示敬意,称 赞他的证明“完全正确”,并说如果不是这样,果尔丹问题也许根本就不可 能解决。有意思的是,就在果尔丹承认存在性证明的时候,希尔伯特却一头 扎进了构造性证明的思考之中。
  比起存在性证明来,数学家的天性似乎更喜欢构造,因为它能给人以看 得见摸得着的具体形象,而不是从矛盾中产生信念(如反证法)。1890 年以 后,希尔伯特一直试图寻找一个构造性的方法来证明不变系基的有限性。1892 年,希尔伯特终于在由克罗内克所发展的导致构造的习用的标准方程式中, 找到了解决问题的关键,拿出了一组完全整基。这样,通过发展新概念和引 入新方法,不仅由不变式生成的函数域理论的最主要目的已经达到,而且把 克罗内克和戴德金所开创的代数学提高到了一个新的水平。
  1893 年,在美国芝加哥大学校庆之际,举行了“国际数学大会”。希尔 伯特又向大会提交了一篇关于不变量理论的总结性论文。这个带有宣判性的 总结,表明不变量理论由于希尔伯特的工作已经基本完成,作为一个单独的 理论已经枯萎。尽管这个结论是冷色调的,但仍然鼓舞人心。文章同时表明 希尔伯特已经开始向新的领域挺进。
  代数数域论是希尔伯特挺进的第二个数学领地。这个领域是 40 多年前由 狄里克雷对单元群的分析以及库曼、戴德金和克罗内克引入理想、除子等概 念而打下基础的。希尔伯特在与胡尔维茨一起散步时,曾经讨论过代数数域 问题,当时他们都感到库曼、戴德金等人的工作虽富有创造性,但论证方法 太烦。所以在慕尼黑数学会年会之前,他先对由戴德金和克罗内克用不同方 法证明过的代数数论基本定理——每一个理想可以唯一分解为素理想,给出 了崭新的证明。文章一出笼,便受到高度评价。在慕尼黑会议上,数学家们 一致认为,虽然希尔伯特在代数数域论方面还是新手,但他的能力表明,不 久他将成为这个领域的开路先锋。会议公推希尔伯特和闵可夫斯基在两年内 提交一篇关于数论的报告,透彻而又简明、清晰地介绍近半个世纪来数论的 发展状况。
1895 年,希尔伯特带着尚未完成的数论报告赴哥廷根任教。为了做好这
项工作,一年多来希尔伯特详细地阅读了自高斯以来所有的数论著作。对一 切已有的定理证明,都仔细地进行思考以分辨优劣,给予必要的修补、扩充 和整理。1896 年初,希尔伯特所承担的那部分——代数数论已接近尾声,但 闵可夫斯基的那部分——有理数论还差得很远,经两人商量,决定希尔伯特 的那部分先发表。
  两年的功夫没有白费。希尔伯特又向数学界献上一份开创性的成果。在 报告中,希尔伯特用统一的观点和一种新的形式,把以往的代数数论知识加 以整理,归纳成一个体系,为仍在修建中的类域论大厦奠定了基础。报告以
《代数数域理论》为题目在德国数学会 1896 年年刊上发表后,受到很高评 价,被誉为是“一篇令人振奋的艺术佳作”,“数学文献宝库中一件真正的 珍品”。有人甚至断言,在清晰性和推理的细致方面,没有一篇数学综述性 论文能与之相媲美。报告还提出了许多重要的猜想,特别对类域论具有重大 意义,在以后的二三十年间成为不少人集中研究的对象。如冯特万格勒、高 木贞治、哈塞、阿廷、薛瓦莱等的许多成就都是围绕着证明这些猜想而取得 的。
除了数论报告以外,希尔伯特在数论上取得的重大成就还有:1893 年给

出е与π超越性的一个非常简捷的证明和 1909 年解决华林猜想。后一篇论文 是希尔伯特最富有创造性的论文之一,它大大促进了数论在英国的发展。
  在数论报告完成后的一段日子里,希尔伯特进行了对古典互反律的研 究。他应用在准备数论报告时所积累的“既精湛又全面”的知识,以一种简 明、优美的形式将高斯的二次互反律从复整数域推广到了代数数域,1898 年 发表的《相对阿贝尔域理论》是他在这方面工作的顶点。
像 1893 年希尔伯特突然结束不变量理论的研究转向代数数域论一样,
1898 年他再一次突然结束在代数数域论里的工作,把研究的方向转到了几何 基础上。这是希尔伯特科学活动中有别于他人的一大特点。他认为既然在这 个领域里他的主要工作已经结束,该贡献的已经贡献,留下的细节那就应该 由后人去完成了,只有这样,才能把精力投注于更重大的战役,作出新的开 创性贡献。
  尽管学生们对三年多来只谈数域的希尔伯特突然转向感到有些吃惊,但 就他自己来说这种转变还是有思想基础的。早在 1891 年,希尔伯特在听了赫 尔曼·维纳关于几何基础的讲演后,对改造欧几里得几何体系的设想就产生 了兴趣。后来一个偶然的机会,听人介绍了德国数学家弗列德里希·舒尔的 几何基础方面的工作,尤其是舒尔碰到的无法克服的困难,引起了他的注意。 不久,他就开始了对几何基础的研究。
数学界在几何基础方面的工作是从对欧几里得几何定义和公理的批判开
始的。从古希腊亚历山大时期的帕普斯、普罗克拉斯起就不断有人提到欧几 里得《原理》中,诸如定义含糊其辞,随便使用重合法证明;偷偷地使用假 定以及证明中的错误等等。然而,在 19 世纪 70 年代之前,所有的这类批判 都没有引起重视,流传也不广。
19 世纪下半叶出现的非欧几何运动,使人们的几何观发生了根本变革。
人们认识到几何是人为的结构,它虽与物理空间有关,但未必就是它的确切 的理想化。非欧几何创始者们处理平行公理的方法,也促使了数学中相容性 或无矛盾性概念的萌发。这就为消除欧氏几何逻辑缺陷,进行几何基础大改 造奠定了思想基础。
第一个改革者是德国数学家莫里茨·巴士,他在 1882 年出版的《新几何
学讲义》中,将几何学归结为纯粹的逻辑关系,以此来避免对那些以直觉为 基础的假设的不自觉依赖。对于公理,巴士认为公理决不是不证自明的真理, 而只是几何定理的一些假定;他还揭示出次序公理,为射影几何方法上的明 晰性构造了演绎系统。此后,意大利的一批数学家对射影几何基础做了大量 重要工作。皮亚诺、皮埃里、伏隆耐斯分别在严格的公理基础上讨论了射影 几何学原理,还给出了欧几里得几何的公理集。
  然而,在欧几里得的所有公理系统中,希尔伯特的概念最准确,陈述最 筒练,方法最接近于欧几里得,他给出的公理集最受人们欢迎。
  1899 年,希尔伯特又一部经典著作《几何基础》完成。希尔伯特指出: “这是一部批判性地探究几何原理的著作??其中,对几何学的探究试图回 答这样的问题:什么样的公理、假定或手段在证明初等几何真理时是必需 的。”《几何基础》为人们展示了一个证明公理系统的无矛盾性和独立性的 方法,同时也教给人们如何去公理化以及用公理系统去做什么。
  与意大利人采取的在形式上完全偏离欧几里得的那种纯粹抽象的符号化 倾向不同,希尔伯特力图保持欧几里得几何的形式和内容:三类无定义元素
  
——点、线、面以及它们之间的关联关系、顺序关系、线段和角的合同关系。 然后给这些形式和内容赋予新的意义。就如希尔伯特所说,几何中点、线、 面的定义,在数学上其实并不重要。它们成为讨论的中心,仅仅是由于它们 同所选择的诸公理的关系。换句话说,不论是称它们为点、线、面,还是桌 子、椅子、啤酒杯,它们都能成为这样一种对象:对它们而言,公理所表述 的关系都成立。在这一含义下,公理当然不是不证自明的真理,而仅仅是人 为的一种选择。由公理推得的定理的意义也完全取决于人为的解释。在《几 何基础》里,希尔伯特提出了一个由五组公理(关联公理、顺序公理、叠合 公理、平行公理、连续公理)所组成的既完备又相客的公理集。运用这个公 理集,他很容易地就证明了欧几里得几何中的全部定理。
  希尔伯特详细地讨论了公理之间的关系,公理的相容性、完备性和公理 组之间的无关性。他采用建立代数模型方法证明了公理的相容性。由于希尔 伯特选择的公理组互相独立,所以即使是按照自然方式划分公理系统而成的 公理组,依然能够组成几何学,并可发现其究竟能展开到何种程度。例如, 仅采用希尔伯特的前四个公理组,即放弃连续公理(或称阿基米德公理), 便可以得出所谓非阿基米德几何。这种几何具有许多奇妙的性质,如存在这 样两条线段,其中一条的任何整数倍都不超过另外一条线段。如果放弃平行 公理,用罗巴切夫斯基——波耶公理代替,而其余公理保持不变,那么就可 以得到双曲型非欧几何。同样,经过适当的调整也可以建立单重的或双重的 椭圆几何。这个事实清楚地表明欧氏几何与非欧几何在真理面前的平等性, 对于确立非欧几何的坚实的地位具有不容忽视的影响。
《几何基础》一出版,就成了最畅销的数学书,它重新激起人们对几何
基础研究的热潮。许多人采用不同的不定义元素集或公理的各种变种建立起 相应的几何体系。这不仅有力地推动了几何学的发展,而且促进了 20 世纪数 学公理化运动的形成。希尔伯特自己则成了数学基础中现代公理化方法的奠 基人。
1900 年以后的三四十年间,希尔伯特连续不断地在数学基础方面进行着
积极的工作,其中主要包括:直到 1930 年的 7 个版本的《几何基础》;1904 年在海德堡国际数学家大会上的讲演——《论逻辑及算术的基础》:1928 年 在意大利波洛那国际数学家大会上的讲演——《数学基础问题》;1934 年、
1939 年出版的《数学基础》以及在此之前的许多这方面的论文。这些都体现
了希尔伯特的形式主义主张和为坚持这个主张所作的顽强努力。希尔伯特认 为,无论是数学的公理系统还是逻辑的公理系统,其中基本概念都是没有意 义的,其公理也只是一行行的符号,无所谓真假,只要能够证明该公理是相 容的,互不矛盾,该公理系统便获得承认,它便代表一种真理。
  希尔伯特几乎是马不停蹄地从一个领域转向另一个领域。1899 年夏,就 在《几何基础》出版不久,他又把思想航标转向了狄里克雷原理。
  这是半个多世纪以前的老问题了。当时,高斯、狄里克雷、黎曼等老哥 廷根数学家曾注意到这样一个事实:拉普拉斯方程的边值问题总存在着一个 解。高斯甚至发现这个解就是使得某个二重积分达到极小的函数。直观上的 可信性,使黎曼相信这个函数一定存在。1851 年,黎曼在他的博士论文中明 确地提出了这个思想。由于黎曼的思想来自于他老师狄里克雷的启发,所以 黎曼把它冠以狄里克雷的名字。后来,黎曼在复变函数论中利用狄里克雷原 理导出许多重要结果。然而,结论的广泛应用性,并不能代替它在数学上的
  
正确性。数学上的正确性需要逻辑保证,需经证明来确立。就在人们寻求狄 里克雷原理的逻辑保证的时候,1870 年外尔斯托拉斯却通过反例宣判了狄里 克雷原理的死刑。这是数学史上最令人扫兴的事例之一。当希尔伯特开始注 意狄里克雷原理时,数学家们已开始对它心灰意冷。希尔伯特却丝毫不悲观, 他从原理的广泛可应用性和诱人的简明性中看到了内在真实性,他相信狄里 克雷原理是可以挽救的。希尔伯特向德国数学会提交了“狄里克雷原理复活 的尝试”的论文。他在文章中指出,只要对曲线和边界值的性质加以某些限 制,就可以消除外尔斯托拉斯的质疑,使黎曼的理论恢复它原有的简明和优 美。1904 年,希尔伯特再次给出了一个证明。
  希尔伯特的妙手回春使人惊讶不已,人们看到了一位站在新世纪起跑线 上的带头人。毫无疑问,数学需要这样的无畏探索者,数学界需要这样挺进 不止的领袖。
  在召开巴黎数学家大会的那年冬天,希尔伯特又迷上了积分方程。他清 楚地意识到,积分方程对于定积分理论、任意函数的级数展开、线性微分方 程论、位势理论和变分法都具有重要意义。在此之前,希尔伯特已着手对变 分法研究。他感到积分方程的工作比他在变分法方面的工作更接近于他所追 求的目标——从方法论的角度达到处理分析数学问题的统一途径,因此他毫 不犹豫地放弃了原来的计划,以更大的热情投入到积分方程之中。
从 1904 年到 1910 年,希尔伯特先后在《哥廷根自然科学皇家学会报告》
发表了 6 篇积分方程的论文。1912 年,他出版《线性积分方程一般理论的原 理》一书。这些成果给整个分析数学带来了可观的变化:泛函分析随着希尔 伯特空间的建立而诞生;希尔伯特的算子谱理论创立。由于希尔伯特在研究 积分方程中取得的成就,使得围绕着他的年轻数学家形成了一个颇有影响的 学术派别;积分方程也成了当时最时髦的数学分支,以致在相当长的一段时 间内,亦形成世界性的研究热潮。
德国《自然》杂志在评价希尔伯特时,曾这样说,在 20 世纪难得有一位
数学家的工作不是以某种途径源于希尔伯特的。这种评价是有一定道理的。 希尔伯特是本世纪上半叶德国乃至全世界最伟大的数学家,是现代数学的主 要开拓者。他的着眼点不在于固守某一领域取得的成就,或充实、完善自己 建立的理论,而在于不断开辟新的领域,作出创造性的贡献。因此,在他横 跨两个世纪的 60 年研究生涯中,几乎遍及了现代数学所有的前沿阵地,从而 把他的思想深深地渗透进整个现代数学之中。
1910 年前后,希尔伯特甚至对物理学产生了浓厚的兴趣。他认为仅仅由
物理学家来搞物理是太困难了、而数学家要在这一领域作出贡献也必须有物 理学家的指点。于是,他找来了老朋友、物理学家索未菲给他介绍物理学新 成果,又请索末菲的学生当他的助手。他先后在气体分子运动论、辐射体公 理化以及相对论方面取得了成就。他甚至还比爱因斯坦早五天提出“广义相 对论”,然而在他与爱因斯坦之间并没有难堪的优先权争议。希尔伯特认为 广义相对论的思想应属于爱因斯坦。因为后者的表达形式比他合理和令人信 服。在 1915 年颁发第三次波耶奖时他还主动推荐了爱因斯坦,“因为在他的 一切成就中体现了高度的数学精神”。
  希尔伯特能够在众多领域作出成绩,关键的一点是他重视并且善于提出 问题,不断寻找解决问题的方法和途径。他说过:“问题对于一般数学进展 的深远意义以及它们在研究者个人工作中所起的重要作用是不可否认的。只
  
要一门科学分支中存在大量问题,它就充满生命力,而缺少问题则意味着独 立发展的衰亡或终止。”所以在他看来,问题是数学发展的内在因素,数学 家就是在解决问题中推动数学发展的。他在 1900 年世纪之交举行的国际数学 会议上提出 23 个数学问题。虽然他本人没有解决这些问题,但是这些问题却 强烈地吸引着后人去探索和研究,推动着本世纪数学的进步。

敢破敢立卢瑟福慧眼巧识原子核


  1906 年英国曼彻斯特大学物理学教授舒斯特请卢瑟福作为他的接班 人。曼彻斯特大学具有设备先进的物理实验室,并许诺为卢瑟福提供优越的 科研条件。而且,在英国可以同欧洲的科学界保持密切接触。从曼彻斯特出 发,只需几小时就可以到达英国各个著名的学术中心。此外,他还能出席伦 敦皇家学会的各种会议,在牛津或剑桥大学讲课。上述种种条件足以弥补这 座北方工业城市的污浊空气和漫天尘埃所造成的缺陷。卢瑟福决心重返英 国。1907 年 5 月他离开加拿大麦克吉尔,来到曼彻斯特,踏上了新的人生旅 程。
  卢瑟福在加拿大麦克吉尔大学 9 年间所获得的科学成果是重大的,许多 成果带有突破性。他第一次揭示出放射性元素是自发转变的,原子不再是不 可分、不可变的,而且原子内部有复杂结构,蕴藏着巨大的能量并且能够通 过放射线释放出来,利用这种能量有可能进一步揭示原子的内部结构。这完 全突破了古原子论和道尔顿原子论的观点,为现代原子科学的诞生打下了重 要基础。
  对放射性的研究,使卢瑟福成了这个领域的权威,并于 1908 年获得了诺 贝尔化学奖。各国有志于研究原子奥秘的优秀青年纷纷云集曼彻斯特大学, 在他的指导下向原子物理学的高峰发起新的冲击。
在曼彻斯特大学,卢瑟福最重要的成就是提出α大角空散射实验与原子
育核结构学说。
  1906 年,卢瑟福不但发现了α射线小角度散射现象,求出α粒子能够打 入原子的最低临界速度,而且认识到α粒子通过靶原子的偏斜度是探索原子 内部电场的重要方法。
1907—1908 年间英国物理学家布拉格发现了α射线的反常现象。即以α
粒子轰击原子时,出现了“径迹急转弯”的现象。而且,马斯登也曾偶然观 察到了α粒子有时并非沿直线或近似直线前进,而是被物质偏转,并且偏转 角度相当大。这些现象已经将原子内部结构的某些信息泄露了出来。敏感的 卢瑟福决定抓住这个契机,深入研究。
要进行α粒子的大角度散射实验,必须有能观测到大角度散射的实验仪
器。盖勒和马斯登立即在原来的计数器上作了改进,设计制造出α粒子大角 度散射实验的装置。该装置的特点是安装了一个可旋转 360°的带荧光屏的 显微镜,这就可以观察到任意大角度的散射情况。实验的结果使卢瑟福大为

惊讶,以铂箔作为反射物时,约有 1
8000

的入射粒子被反射,平均反射角为

90°,这犹如一颗炮弹射到一张纸上,由于某种原因,弹头竟能完全弹回来。 盖勒和马斯登对这一实验结果感到不可思议,而要进行深入的研究又力 不从心,于是只好放弃,回过头去做小角度实验。卢瑟福却不然,他以深邃 洞察力和科学直觉,敏锐观察到这种“异常”背后定会大有文章,可能是一 个重要的突破口!他立即用α粒子大角度散射的行径和当时占统治地位的汤 姆逊著名的“葡萄干·布丁”原子模型进行了比较研究。发现与汤姆逊的理 论相互矛盾,假若α粒子与汤姆逊模型上比它小几千倍的电子碰撞,无论如
何都不可能产生这种漫反射现象。 汤姆逊为了拯救他的原子模型,顺利解释大角度散射现象,又提出了所

谓“小角度倍加散射”的解释,并让他的学生克劳塞做实验予以证明。克劳 塞居然拼凑出了与老师理论相符的实验,一时名声大振,一些人甚至称之为 汤姆逊原子模型的“判决性实验”。但卢瑟福坚持从实验事实及基本理论出 发,指出克劳塞的实验部分是编造出来的,是一种科学想象。同时,他谨慎 地批判了老师的原子模型。卢瑟福这种不迷信权威、实事求是的科学态度, 使他敢于创新,提出崭新的原子模型。
  1910 年底,卢瑟福根据粒子的碰撞理论和引力理论。计算出原子中心应 有一个强电场的作用,并假设这个中心带负电。1911 年 5 月,他纠正了这一 假说,认为原子中心是一个带正电的核。这样就使原子的中心电荷与外围电 子的数量取得平衡,说明了原子的电中性。1912 年他又进一步指出这一中心 应称为“原子核”。原子有核结构模型揭开了原子科学新的一页。
  卢瑟福原子有核理论的建立并非一帆风顺。一方面,它缺乏强有力的多 种实验验证;另一方面,它与经典电磁理论相背离。它不能解释电子在既定 轨道上连续旋转必然要不断放射出能量而最终会陨落到核上,而事实上原子 是十分稳定的矛盾。
  1912 年前后,盖勒和马斯登对卢瑟福原子有核模型又作了大量的实验验 证,其中包括散射随角度,材料厚度,不同原子量的材料以及入射速度的不 同的变化,通过既定角度的α粒子的绝对数量等,从各方面证实原子核的存 在。原子不稳定问题则由玻尔于 1913 年发表的“三步曲”即《论原子和分子 的组成》,合理地给予解释。
在这段时期及以后,卢瑟福还领导莫斯莱、拉塞尔、法詹斯、郝维希、
玻尔等,对原子序数、同位素和位移定律、原子和原子核的大小做了大量深 入细致的研究工作,使原子有核结构的理论在许多方面获得了更加充分的说 明。
俄国化学家门捷列夫于 1809 年制成的化学元素同期表指出,化学元素的
性质随原子量的增加呈周期性变化。它反映了一定的逻辑顺序,从科学史看 是一个伟大的发现。然而这只是一种表象的排列。它既不能说明这种规律性 的内在机制,也说明不了这种排列的充分合理性。
1913 年,在卢瑟福指导下;莫斯莱做了非常巧妙的实验,发现周期表中
的各种元素的 X 射线的频率,按原子序数(即原子中心正电核上的电荷)而 定量增加,揭示了周期律和原子序数的内在联系,说明了元素的物理和化学 性质不再是表面上所依赖的原子量,而是取决于核的电荷,或取决于核外的 电子系统。这对于人们从更深层次上认识元素的物理和化学性质是有帮助 的。
  至于同位素,卢瑟福与索迪在加拿大时早已做过大量工作,并对同位素 下过定义,认为同位素是指在周期表中占同一位置的、化学性质相同、原子 量接近但却有差异的元素。
  在研究放射性元素的过程中,他们发现了一个有趣的现象,即当放射性 元素放射α和β粒子时,它在周期表中的位置分别提前二位和倒退一位。这 很快由郝维希和拉塞尔用化学实验进一步予以证实。
  发现原子的有核结构以后,卢瑟福试图计算原子及其核的大小。为了力 学上的计算方便,他曾把原子核的大小视为集中在一个点上的中心电荷,后 来进一步作了修改。他估算的结果,认为重元素的中心核占有 1~1.5×l0-
12 厘米,原子半径则为 10-8 厘米。虽然由于原子的不同,原子核及原子尺

寸大小有所差异,但总的数量至今仍然是正确的。当时进行这项工作难度极 大,然而卢瑟福却得到了如此精确的数据,这是十分不易的。从此原子不再 是虚无缥缈的概念,它作为一个实体,进入了科学家的操作领域。
  正当卢瑟福在研究原子核及原子有核结构方面不断取得重要成果,新的 科学发现有如“雪崩”式地涌现时,第一次世界大战爆发了。以海军立国的 英国不断遭到德国的袭击,损失惨重。卢瑟福主动接受了发明和研究局的任 务,研制一种可监视德国潜艇方位和深度的仪器,以便海军能随时将其击沉。 卢瑟福的弟子各自返回保卫他们的祖国去了。他的实验室空空荡荡,昔日的 繁忙已经见不到了。卢瑟福一方面要教课,另一面要完成科研任务,忙得不 可开交。
  虽然卢瑟福要探索的是他完全不熟悉的军事科学领域,但他以雄厚的科 学基础,聪颖的智慧,使研制潜艇监测仪器的科研课题很快取得了突破性进 展。经过分析,他认识了作为捕获对象的潜艇有四大特征:产生声音、发出 热量、在地球磁场中引起电磁扰动和类似光所产生的可见性。他提出、潜艇 发出的这些信息,如果能捕捉到并转化为人能识别的信号,击沉德军潜艇就 并非难事了。卢瑟福决定采用声测法。研制潜艇监测仪器。他还想出屏蔽水 听器的一面,以准确测定潜艇的运动方向。后来他又作了进一步的改进,研 制出主动回声监测仪器,即后来的声纳,克服了原来被动接受声音方法的缺 陷。
虽然卢瑟福发明的压电石英潜艇探索器对战争的胜利起了重要作用,但
英国将这项发明作为军事机密,长期秘而不宣,世人并不知道卢瑟福的贡献。 法国科学家郎之万也独立发明了类似的仪器,所以一般人只知道郎之万发明 了声纳而不知道卢瑟福的贡献。战后一些人曾建议卢瑟福公开宣布他就是代 号为 ASDIC 的发明人时,卢瑟福回答说:“如果郎之万说他首先发明了它, 对公众来说就够好了,让郎之万具有这个荣誉吧!”这表现了卢瑟福在荣誉 面前一贯的谦逊。
在此期间,卢瑟福放慢了研究原子结构的速度,但是他总是见缝插针地
进行有夫原子结构的研究,使它不致中断。特别使卢瑟福念念不忘的是马斯 登在 1914 年初曾用速度很高的α粒子轰击氢气,得到了某种速度更快、穿透 力更强的“新物质”。马斯登当时由于要去新西兰作教授,来不及深究,只 能匆忙写成论文报告了这一现象。卢瑟福分析这种新的带电荷的氢原子可能 就是“氢的原子核”,即后来由他命名的“质子”。在战争结束时,他又投 身于原子结构研究,主要是围绕着马斯登实验中出现的异常情况而进行的。
1917 年 11 月,卢瑟福用核蜕变装置观察到氮的分裂,即氮原子被α粒子轰 击后分裂出氢核,这是科学史上的一次重大突破,是世界上第一次用人工的 方法分裂出的一个原子,分裂出氢核后的氮变成了另一种元素。1919 年 6 月 他发表了 4 篇重要论文,说明氢到氮都可以经α粒子轰击而打出氢核,而且 从元素演化论的观点预言了当时人们根本不知道的原子量为 2 或 3 的元素存 在,即后来被发现的氘和氚。
  卢瑟福坚持实事求是的科学态度,从不迷信权威,在科学研究中具有惊 人的洞察力。正是因为如此,他能从α粒子大角度散射实验入手,提出著名 的原子有核结构学说。
  在其学说提出之前,人们已发现,用α粒子轰击原子时会出现径迹急转 弯现象。根据当时占统治地位的汤姆逊“葡萄干·布丁”原子结构模型理论,
  
人们认为α粒子轰击原子时应沿直线或近似直线前进,不应出现大角度散射 现象。只有卢瑟福抓住了这一意外发现,并进行深入研究。当实验以铂箔作

为靶,以α粒子轰击时发现有 1
8000

的入射α粒子被反射,平均反射角为 90

°的实验结果。这与汤氏模型相矛盾,许多科学家对此不可理解,然而卢瑟 福却大胆地提出了原子有核结构理论。在汤氏模型下,比α粒子小几千倍的 电子(原子中的葡萄干)无论如何都不可能使其径迹反射偏转,而只有认为 原子中有一核心存在,它的质量比α粒子大得多,才能圆满解释大角度散射 现象。这便构成了卢瑟福原子有核结构学说。
  卢瑟福在曼彻斯特大学前后工作了 12 年,这是他一生中成就最大的时 期。从 1907 年至 1919 年,他先后发表了论文 166 篇,最多时一年发表 15~
16 篇,科研成果皆属世界科学前沿。其中,主要发现有:α散射实验中原子 有核结构,原子和原子核的大小,原子序数,同位素和位移定律。人工打破 原子核和实现元素嬗变。这些重要发现构成了 20 世纪初期原子科学的丰碑。 更重要的是卢瑟福在这一阶段形成了独具特色的科学思想、研究方法和组织 领导科研集体的领导艺术。对整个 20 世纪的科研组织和方法发生了重要影
响。

拼合大陆之板块猜想海陆的起源


  1910 年初,德国气象学家魏格纳因病住院,一连躺了好几天,觉得有些 无聊,于是就抬头看对面墙壁上挂着的一幅世界地图,看着看着,他的头脑 中突然产生了一个奇妙的问题:为什么大西洋两岸大陆的弯曲形状竟如此相 似呢?沿着北美洲的东海岸到特立尼达和多巴哥的凹形地带,恰好能镶嵌欧 洲西海岸到非洲西海岸的凸形大陆,巴西的亚马逊河口大陆突出的部分刚好 可以填入非洲西海岸的几内亚湾。细看一下,巴西海岸每有一个海湾,非洲 就有一个相应的突出部分。难道世界的各大洲原来是一整块的原始大陆,以 后由于种种原因,才破裂了,经过长期的漂移而形成今天的样子?不,不可 能,这或许是一种巧合。魏格纳随即丢开了在他当时看来“并不认为有什么 重大意义”的念头。1911 年秋,一个偶然的机会,魏格纳在一本论文集中读 到这样一句话:根据古生物的证据,巴西与非洲间曾经有过陆地相连接。这 段文字记载促使魏格纳去证实自己最初的“直觉的闪光”,从大地测量与古 生物学的范围研究地壳构造和运动,进而提出大陆漂移的假说,引发了一场 被誉为“对地质学的影响可以和达尔文在一个世纪前对生物学产生的影响相 比拟”的地球科学革命。
在魏格纳之前和与他同时代的许多学者,也曾同样由于看地图或其他原
因产生过类似的想法。例如,17 世纪培根和普莱赛特论述过新大陆和旧大陆 曾经连接的可能性;18 世纪布丰根据大西洋两岸生物的亲缘关系,认为两岸 的大陆原来是拼合在一起的;19 世纪佩利格里尼、考斯渥则、南森、贝汉诺 夫、洪堡和修斯都提出过大陆漂移、地壳大规模水平运动的想法。
尽管如此,却没有任何一个人把它作为科学问题进行系统的研究和论
证。当魏格纳怀着激动的心情把这一大胆的想法告诉自己的恩师柯彭教授 时,却被教授打断:“你对地质学是没有发言权的,还是把精力放在自己的 本行气象学研究上吧!”作为汉堡大学的著名气象学家,柯彭教授对与气象 学关系较为密切的地质学也颇有研究。他很清楚,在地质学领域中,历来占 统治地位的是海陆固定学说。按照这种学说,地壳分为两个基本构造单元, 活动性强的地带叫地槽,比较稳定的叫地台。地壳运动以垂直升降为主。各 地段虽然可以上升为陆或下降为海,但它的位置基本上固定不变,没有大规 模的水平运动。由活动性强的地槽转化为比较稳定的地台,是地壳运动的普 遍规律。一百多年来,这种固定的地球观垄断着地球科学领域,成为束缚人 们思想的强大的传统势力。
  柯彭教授本想以此打消魏格纳的猜想,没想到却使他更受激励,因为他 的性格就是一旦认准目标,便勇往直前,即使要冒离经叛道的风险,也决不 回头。从 1911 年秋冬开始,魏格纳在继续从事气象学研究的同时,又以极大 的热忱投身到还很陌生的地学领域的研究。他穷搜博览,从各大洲之间以及 全球范围的联系中进行考察和追索,在浩繁的地学资料整理和对比中寻找大 陆漂移的重要证据。在这个过程中,柯彭教授虽然仍批评他“不务正业”, 但却不断地为他搜集资料提供方便。
  1912 年 1 月 6 日,在法兰克福举行的地质学会上,魏格纳作了题为“从 地球物理学的基础上论地壳轮廓(大陆与海洋)的生成”的讲演,提出了大 陆漂移的假说。4 天以后,他又应邀在马尔堡科学协会作了题为“大陆的水 平位移”的讲演,进一步阐明了这种新的活动的地球观念:在古生代地球表
  
面只有一个统一的大陆,叫泛大陆。在它的周围是广阔的海洋,叫泛大洋。
自 2.25 亿年前的中生代以来,由于太阳与月亮的引力和地球自转产生的离心 力的作用,原始的泛大陆分裂成几块,并作水平漂移,逐渐形成现在的海陆 面貌。
  魏格纳的讲演犹如平静的湖面激起了一阵狂澜,立即引起了德国地质学 界的震动。在那段时期,几乎所有的地质学者都在议论这一假说,有人振奋, 有人惶恐,有人赞同,有人责难。为了给大陆漂移说寻找更有力的证据,魏 格纳于 1912 年至 1913 年第二次作横跨格陵兰岛探险,并苦苦思索许多理论 问题。
  从格陵兰回来不久,第一次世界大战爆发了。魏格纳应征入伍,他的研 究计划也被迫中断。也许是命运之神的安排,魏格纳在作战中受了重伤,回 到后方疗养,大陆漂移这项伟大的研究又回到了他的身边。1915 年,世界大 战的炮声尚未停息,震惊全球的不朽之作《海陆的起源》问世了。
  在书中,魏格纳从不同学科的角度,综合了地貌学、地质学、地球物理 学、古生物学、古气候学等方面的知识和事实,系统地论述了关于大陆漂移 的观点和论据,形成了较完整的理论体系。
  魏格纳引用地球物理学重力测定的结果和地震波传播速度在大陆与洋底 的明显差别,指出洋底下面的岩石要比陆地下面的岩石要重得多,进而得出 大陆与洋底具有不同性质的结论。
大西洋边缘的正相吻合是魏格纳提出大陆漂移说的出发点。为了解释这
种吻合,魏格纳曾经打了一个比方,就好像把一张报纸撕成两半,然后再把 参差不齐的边缘拼台起来一样,如果在撕破边缘印刷的文字行列也能吻合, 成为通顺的句子,而且意思上也能讲得通,那么,撕开的两半报纸原来是一 张就毫无疑问了。对于大陆来说,地质构造就相当于印刷文字的行列。如果 大西洋两岸边缘以往真的是曾经连接在一起的,那么其地质结构就必然是相 连接的,这些“印刷”在大陆上的“文字行列”也应当是吻合的。为了证明 这种吻合,魏格纳对大西洋两岸的地质结构进行了仔细的比较,发现其岩石 地层和褶皱结构确实是一脉相承的。而且在印度、马达加斯加、非洲之间, 以及澳大利亚与南极洲之间地层构造中也找到了相似的对应关系。在魏格纳 描绘的一幅大陆漂移模式图中,有一块“联合古陆”,它恰好把今天的南北 美洲、欧洲、亚洲、非洲、南极洲和澳洲加上印度古陆,统一在一个整体之 中。由于这些大陆在分裂时发生的大规模玄武岩浆喷射,形成了不少独具特 色的金属成矿带。例如,今天非洲的安哥拉和南美巴西的成矿带,要把它们 拼起来,那就都在一个个条带上。总之,这种地质构造的一致性不是局部的、 偶然的存在,而是全球性的,普遍的存在。
  最有说服力的证据,则是古气候的资料。20 世纪初,无论是在澳洲、印 度,还是在南非洲和南美洲,都发现了大约 3 亿年前古冰川的遗迹,就连南 极洲也发现了类似的古冰川泥砾。假如把这些今天看来分散在四面八方的古 冰川遗迹放在这张“联合古陆”的拼图上,就会发现它们竟然会集中在一个 不大的地区。原来,当时这个地区就是寒冷的极区,而那时的欧洲气候却比 较温暖。古代气候和今日气候相比是如此不同,这只有从大陆漂移的假说中 才能找到合理的答案。
  以前大陆之间的直接连接在生物学方面的证据极多,大陆漂移说最初就 是从古生物学的事实中受到启发的。一切生物都生活在它所适应的特定环境
  
中,因此,可以通过古生物化石来了解过去存在过的地理环境条件。例如, 从古珊瑚礁的分布情况可以知道在 3.5 亿年以前,在北美洲东部和欧洲西部 曾经存在过完全相同的具体环境。令人惊奇的是,这两个大陆的珊瑚礁中, 不但含有完全相同的珊瑚种,而且所含有的其他海洋生物和江河生物的种类 也完全相同。这一事实说明这两个浅海区在过去是直接相连的。早在 19 世纪 末,博物学家们就已经发现各洲大量具有相同的化石种属的实例,并据此作 出结论,认为在美洲、非洲、印度、大洋洲和南极洲之间,在很长的地质时 期中存在过非常广泛的陆地联系。
  作为新地球观的经典之作,《海陆的起源》一出版就轰动了德国和欧美 地区。它以惊世骇俗的观点,从根本上改变了 100 多年来人类对地球表面海 陆分布与起源的认识。短短的几年间,这本书便被翻译成英、俄、日等多种 文字,传遍了全世界。十多年中,几乎所有的地学会议、报章、杂志,都在 传播、议论这一学说。一些明智的学者已经敏锐地洞察到它的伟大意义,认 为“这一理论一经证实,它在思想上引起的革命堪与哥白尼时代天文学的革 命相媲美”。
  然而正如英国著名地质学家赖尔所说的那样,地质学研究每向正确的理 论前进一步,都要和强有力的先人偏见作斗争。魏格纳的大陆漂移说刚问世, 自然就立即遭到持海陆固定说的权威们的猛烈攻击。他们利用各种场合,贬 低魏格纳的学说,把它斥为“玩弄儿童七巧板的游戏”,是一种“说得有声 有色的最轻率的狂想曲”。他们危言耸听地宣称:“这是大地构造学中形式 主义和形而上学倾向的进一步深化。”
也应当指出,人们不肯接受这个学说的一个重要原因是它自身还不完
善,还存在着严重的缺陷。它当时还不能令人信服地解释大陆漂移的机制和 动力。人们根据已有的知识和经验,认为大陆漂移是不可想象的,因为大陆 和洋底毕竟是由极其坚硬的岩石构成的。即使最小的一块大陆(如大洋洲的 重量可能有 5×l018 公斤,通过洋底移动到现在的位置所需要的力也是非常 巨大的。魏格纳曾经用地球自转的离心力而产生的离极力来解释大陆向赤道 的漂移。但是一些科学家经过计算,认为离极力是非常小的,要使大陆移动 必须要有大于离极力 100 万倍以上的力。假如离极力能够移动大陆,但对于 形成褶皱山来说还显得太小。魏格纳用潮汐力来解释大陆块的向西漂移,但 是一位英国地球物理学家从理论上证明这是不可能的。大陆漂移的机制和动 力问题成了严重的障碍,大多数地球物理学家都抛弃了魏格纳的学说。
1928 年在纽约由美国地质协会主持举行了一次重要会议,讨论大陆漂移
说。在会议上发言的 14 位地质学家中,有 5 位积极支持大陆漂移说,2 人有 保留地支持,7 人反对。反对的理由除漂移的动力之外,还有地壳和地幔的 刚性问题。有人指出,根据魏格纳的观点,地幔是固体,但在重力长期作用 下,地壳能够部分沉入其中,并可在其中航行,这样说来地壳比地幔硬。但 是,魏格纳又说漂移的大陆块体遇到地幔的阻力会褶皱成山脉,这样说来, 似乎地幔又比地壳硬。那么地壳和地幔到底谁更坚硬?会议主席对讨论做了 比较全面的总结,认为解释古生物分布之谜,大陆漂移说比陆桥说好;虽然 漂移的机制还未找到,将来也许会找到。纽约会议进一步推动了对大陆漂移 动力的探讨。
  为了从大地测量学角度寻找大陆漂移的新证据,魏格纳于 1930 年第三次 踏上格陵兰岛作横跨探险。9 月 21 日,他冒着强大暴风雪的袭击,在零下 65
  
℃的严寒中,由海岸基地向中部的爱斯密特基地进发,经过 100 英里的艰难 跋涉,许多追随者在险恶环境下纷纷退缩掉队。10 月 30 日,他在顶风冒雪 奔赴海岸基地的途中,终因过度劳累,导致心力衰竭倒在雪地里,为捍卫和 证实大陆漂移学说,为探求科学真理贡献出了宝贵的生命,而此时他还正值
50 岁的盛年之际。 魏格纳的早逝,使大陆漂移说失去了最有力的倡导者,致使该学说在 30
年代开始逐渐消沉,甚至在大学的讲义中也很少提到。但是,自然界的客观 真理不会永远被历史的尘埃掩埋。大陆漂移说在经受了公正的时间考验之 后,终于显示出强大的生命力。50 年代后期以来,随着科学技术的发展,特 别是地质、地震、地磁、地热、海洋钻探、古生物、地球物理和地球化学等 学科的综合研究,给大陆漂移说提供了新的更具说服力的证据。例如,1962 年英国地球物理学家布拉德用电子计算机对大西洋两岸做了几乎完全的拼 合;美国国家航空和航天局在 1984 年 5 月 21 日宣布,利用卫星首次测出大 陆漂移;英国科学家利用地球物理卫星,成功地测到地球上的大陆随板块缓 慢地漂移的速度和方向:夏威夷与南北美洲每年以 5.1 厘米的速度靠近,澳 大利亚与北美洲每年以 1 厘米的速度分离,大西洋每年约以 1.5 厘米的速度 扩张。科学研究所取得的一系列进展,使得已经沉寂了 20 年的大陆漂移说获 得了新生,并发展形成为当代最盛行的大陆构造理论——板块构造学说。
迄今为止,地球仍然是人类赖以生存的唯一场所,它给人类提供了生存
和发展所必需的物质条件。然而人类对它却知之甚少。20 世纪初,魏格纳冲 破重重阻力,创立大陆漂移说,由此引发的现代地学革命,揭开了地球科学 的新篇章。旧的固定的地球观逐渐被新的活动的地球观所取代,不仅加深了 人类对地球历史变迁的认识,而且有助于对地球未来命运的把握,也有利于 人类对于地球资源的开发利用。值得注意的是,许多人都曾看到大西洋两岸 能很好地拼合的现象,产生过大陆漂移的猜想,但是未能把这种想法转变为 科学问题。魏格纳这样做了。这正是他科学创造能力——想象力、洞察力、 判断力和预见性的集中表现。在论证自己提出的假说时,他善于综合一系列 相关学科研究成果,把理论建立在大量事实的基础上,进行了出色的论证, 充分体现了科学思维,特别是注意事物普遍联系和相互作用的整体思维的特 征。而他敢于冲破传统,选择新的学术方向,百折不挠,不惜牺牲生命,表 明了他志向远大、追求执著和献身科学的崇高精神。今天,魏格纳的气象著 作已被人们遗忘,但是,他提出的大陆漂移学说,他的《海陆的起源》著作, 却永远为世人敬重。

卡文迪许实验室人才辈出结硕果


  1919 年卢瑟福 48 岁了。正当他踌躇满志地想把曼彻斯特物理实验室发 展成为世界核物理的研究中心时,忽然接到老师汤姆逊先后四封热情洋溢的 邀请信,请他出任第四任卡文迪许实验室主任。卢瑟福又一次处在人生的重 要转折点。
卡文迪许实验室是英国第一个公立的近代物理实验室。它是为振兴英国
19 世纪后的物理学,为纪念剑桥第七代德文郡公爵卡文迪许而创办的。经过 三任主任:麦克斯韦、瑞利勋爵和汤姆逊的苦心经营,成了当时世界上实验 室设备精良,人才济济的第一流物理实验室。
  1894 年,卢瑟福在新西兰坎特伯雷学院获得了数学、物理两个学科的第 一名(这在该学院历史上是空前的),并获得了文学硕士学位。并且经过自 己一年的潜心努力,又获得了该学院理学学士学位。学习期间,他在毕克顿 教授指导下,从事交变磁场下铁的磁化及制造高效检波器的研究。赫兹于
1887 年证实了电磁波的存在,并发现了电磁波的反射、折射、衍射和偏振, 这个发现引起了国际上的轰动。由于发射电波的仪器制作比较容易,而接收 电波的检波器制作却相对困难,因此制作高效检波器就成了当时物理学界必 须攻克的难关。毕克顿指导他从事这项研究是极具眼光的。然而,要做这样 的实验,他们既没有豪华先进的实验大楼,更没有充足完备的仪器设施。到 哪里去做这样的实验呢?面对困难,富于创造力的卢瑟福并没有气馁。他多 方寻觅,终于找到了一间阴暗狭小、霉气潮湿的地下室。由于有毕克顿教授 的精心指导,以及从祖父和父亲那里继承下来的精湛的手工工艺,加上他超 人的智慧和力量。他终于用铜丝绕成线圈,做成了一个比传统金属检波器更 灵敏的优质检波器。他用自制的发射器和检波器能隔墙在 60 英尺范围内收发 电报,这成为新西兰的第一份无线电报。1894 年 11 月卢瑟福宣读了他的第 一篇论文“高频放电使铁磁化”,论文后来发表在新西兰研究所会报上。而 马可尼的无线电信号通讯和波波夫的 600 码无线电发送,都在卢瑟福发明无 线电通讯后的一年即 1895 年才完成。卢瑟福很快成为世界瞩目的青年科学家 之一。
1895 年 4 月卢瑟福由于创造性的实验,获 1851 英国大博览会奖学金赴
英深造。这项奖学金设立于 1851 年,专门奖掖那些有创造才智的大学生,继 续他们的研究。卢瑟福到英国后,进入剑桥大学卡文迪许实验室,在汤姆逊 教授指导下工作。进入这样新型的实验室使卢瑟福如鱼得水,聪明才智得以 充分发挥。汤姆逊很重视他,让他报告研究工作并为他申请了奖学全。仅仅 几个星期,汤姆逊就看出了卢瑟福在选题和实验技巧方面的卓越才能,他写 道:“关于在实验室承担的研究课题种类,他不像大多数研究生那样需要任 何建议。他带着自己的问题,??这就是检测无线电的一种仪器。”“在我 开始相信他是一个出色的、有能力的和个性强的物理学家时,他来实验室才 几个星期。”
  在卡文迪许实验室期间,卢瑟福在新西兰研究工作的基础上,制造了更 灵敏的检波器,接收距离达半公里以上,创当时的世界纪录。卢瑟福继而又 想到假若能将这项发明扩展到距离 16 公里以上都能接收到信号,就可使灯塔 和船上的信号灯在任何时间与条件下都可与岸上联系,从而解决航海的通讯 难题,这对经常雾雨濛濛的英国具有更大的意义。于是卢瑟福制作了长度 1
  
厘米、直径 0.07 毫米的细钢针,放入检波器中,结果使用效果非常好。汤姆 逊立即让他写成论文“电磁波检波器及其某些应用”,送《皇家学会报》发 表。1896 年 6 月 18 日,卢瑟福以卡文迪许实验室第一批试点的博士生(当 时共 4 名)资格,首次登上皇家学会讲坛,宣读了他的论文,并当场作了示 范表演,赢得了与会者的交口称赞。他的研究至此获得了巨大的成功。之后 许多大学纷纷效法,很快推广了博士研究生制度。
  自从发现χ射线及镭的放射现象后,对神秘莫测的放射性的研究一下子 吸引了当时一大批优秀科学家。卢瑟福在汤姆逊指导下从此开始了对政射性 的毕生的研究。
  卢瑟福在剑桥期间从事的上述关于检波器和放射性的研究工作,取得了 开创性的巨大成就,成为早于马可尼发明无线电的先驱者之一,并与法国科 学家维拉德共同发现γ射线,从而在科学前沿崭露头角。1898 年卢瑟福以突 出的贡献取得了博士学位。汤姆逊给他写了一封推荐信,信中是这样写的: “在独创性的科学中,我从未见过有比卢瑟福先生更加热情和干练有为的学 生。??我认为不论哪个大学请到卢瑟福先生去担任物理学教授,都将是十 分幸运的。”凭着这封推荐信,28 岁的卢瑟福被聘为加拿大麦克吉尔大学教 授。
一方面恩师的盛情难却;另一方面继物理大师麦克斯韦、瑞利勋爵和汤
姆逊之后,担任世界上最卓越的物理实验室主任是给予他的崇高荣誉。卢瑟 福考虑再三后应允了。但是事情并不那么简单,卡文迪许实验室经过汤姆逊
30 年的苦心经营和大刀阔斧的改革,成了世界一流水平的实验室。虽然汤姆
逊担任剑桥大学三一学院院长后,不再负责实验室,但他的势力还在,并不 情愿全部交出权力。卢瑟福对这点是一清二楚的。不事先挑明,保留一个“超 级领导”,既妨碍独立工作,将来出现种种矛盾又势必影响师生情谊。他坦 率陈言:“我感到如果没有关于实验室和研究安排的相互之间的明确了解, 就没有一个有利的地位能补偿对我们长期持续友谊的任何干扰,或补偿不论 公开或潜在发生的任何摩擦。”汤姆逊体谅他的一番苦心,慨然允诺,保证 卢瑟福在管理上拥有绝对自主权。但汤姆逊并不甘心退出实验室的舞台,他 要保留自己的房间、实验室、助手,掌握部分经费和研究生。卢瑟福则态度 鲜明、毫不妥胁。双方经过认真谈判,反复磋商,最后卢瑟福取得了对实验 室完全独立的领导,当然对老师也作了一些照顾。卢瑟福坚持原则,保证对 卡文迪许实验室的独立领导至关重要,否则,不可能迎来卡文迪许实验室更 加美好的第四个春天,也不能保持两位科学家长期的友谊。
  卢瑟福到卡文迪许实验室后,这里成了他人生旅途的最后归宿,在这里, 他完成了自己科学研究的最后冲刺。
  在此期间,卢瑟福除了继续在科学上取得巨大成就外,还成功地领导了 科学研究集体,培养了大批科学人才。他深深懂得,科学的发展,取决于科 学家们共同的创造和努力。他认为“科学家并非依赖于单个人的思想,而是 取决于综合数以千计的人们的智慧,所有的人想一个问题,并且每一个人做 其中部分的工作,添增到正在建造的知识大厦中去。”所以,他很注意将自 己的科学才能和思想与他所领导的科研人员的集体智慧很好地结合起来,不 断地向科学高峰挺进;同时,他还重视发挥青年科学家的才能和作用,倡导 学术民主,营造良好的科学研究环境,促使全心全意投入工作,多出成果, 快出成果。
  
  卢瑟福一方面以自己的科研才能、品德威望和组织管理能力赢得大家的 尊敬和爱戴;另一方面又注意向学生学习新的思路、新的成果,从每个点滴 中,寻找灵感。卢瑟福的一些重大成果来源于学生的意外发现,不少思想火 花也启迪于助手间的自由漫谈和讨论,许多新的发现是通过助手和学生使之 条理化、理论化或实验验证的。他和他领导的研究集体相得益彰,互补互利, 既创造了大量世界一流的科研成果,又培养了大批优秀人才。
  他还倡导了每天午后喝茶交流科研思想的办法,以活跃气氛、放松思想、 相互启迪、激发创造力。他自己经常带头贡献新思想和新方法,甚至将发现 的细节全盘托出,边喝茶边演示。常常有这种情况,某人的思想刚好被另一 个人的研究用上,另一个人的实验恰恰又补充、印证、发展了某人的发明创 造。正是这种智慧火花的碰撞和卢瑟福的关心指导,使这个研究集体永远在 科学前沿阵地拼搏。取长补短、共同奋进成了卢瑟福领导下的研究集体的学 风。这里充满了欢声笑语,富有创造性的劳动,没有“地下的隆隆声”和背 后的窃窃私语。
  卢瑟福深知,只有鼓励开创性研究,使实验室永远处于科学发展的前沿, 不断开拓重大的新领域,才能保持队伍的高昂斗志和不断吸引优秀人才。他 领导和管理科研集体的成功经验之一是出好科研题目,使学生能得到有科学 意义、有重大前景并且能丰产的题目,保证他们在 1—2 年内作出成绩,鼓励 助手和学生千方百计地进行创造性研究,出新思想、新方法,绝不让他们从 事没有价值的研究。
为了让自己在这个科学领域的领导地位名符其实,卢瑟福十分注意不断
更新知识和观念,跟上世界科学的潮流,不断进行科学研究的转移,纵横驰 骋,指导自如。他研究了放射性、同位素、位移定律,α、β、γ射线的性 质,原子核结构,打碎原子实现人工嬗变,预言中子、质子,创造加速器, 进而研究大气电现象、强磁场及低温物理。
更可贵的是,他不拘泥于自己擅长的领域,而竭尽全力鼓励青年科学家
的自由创造。他认为这是科学研究取得重大成果的前提,是不断开辟科学研 究新领域的根本保证。卡文迪许实验室是以研究核物理为中心的,但他却鼓 励有才能的卡皮查去研究强电磁场、低温物理,让初露头角的阿普顿去研究 大气电现象。正是由于他善于引导和发挥青年科学家的创造性,开辟新领域, 抢占制高点,尽快实现科学转移,因而保证了科研集体的勃勃生机和活力。 因此,20 世纪初许多重要的物理发现都诞生于卡文迪许实验室就不足为怪 了。
  卢瑟福认为,学术带头人不仅要经过严格的科学理论和方法的训练,有 卓越的能力,带头在科研前沿拼搏,不断出优秀成果,还应善于组织和激励 研究人员沿着易于取得科研成果的路线前进。管理者要了解科研人员特殊的 研究方法、思想感情和工作条件,不仅对研究成果的取得给予承认和鼓励, 而且对研究工作存在的问题给予妥善解决;不仅提供装备良好的实验室,还 要为具体的研究工作准备条件,甚至包括薪金待遇。只有这样,“我们才能 指望得到思维敏捷和有进取心的人们的集体服务,而且有可能和有希望进一 步使专业知识深化。”
  他特别重视对学生创造能力的培养,反对学生跟着他的思想亦步亦趋。 一旦发现了学生某方面的才华,他就尽力帮助,使学生的才华充分显露出来, 成为一流科学家。平时他既要求学生准确地进行实验,更要求他们勤于思考、
  
善于思考,在“巧”字上狠下功夫,以最小的代价取得最大的成果。他要求 研究集体的每个成员必须有自己的新思想、新发现、新见解。在这点上,他 绝不含糊,若没有新意,他就拒绝和你讨论下去。这样,久而久之,就推动 了研究集体的成员人人注意新发现,以新的观点审视过去的一切,培养了他 们的独创能力。他还以其独有的乐观、善良、勤奋、高效和献身科学的精神 感染学生。“在他周围逐渐形成了一种气氛,学生们不仅向他学习原理和方 法,而且还学习他那作为科学家最需要的毅力和坚定性。他们逐渐发展成为 一个最大和最成功的研究集体。”由他直接培养的科学家获诺贝尔奖的多达
11 人,他们是索迪(1921)、哈恩(1944)、玻尔(1922)、郝维希(1943)、 查德成克(1935)、阿普顿(1947)、鲍威尔(1950)、考克饶夫和沃尔顿
(1950)、布莱克特(1948)和卡皮查(1978)。此外还有大批活跃在原子 能、核物理、宇宙学、大气物理、超导、量子物理等方面的一流专家,这在 科学史上也是绝无仅有的。
  卢瑟福来自英国的殖民地国家新西兰,因而他对殖民地来的学生特别关 注,悉心培养,使他们的才能充分发挥,即使是来自敌国的学生也不嫌弃, 只要是人才他都精心培养。第一次大战期间,他的学生盖革返回德国后不得 不服兵役上前线。战后,盖革以一个老学生的身份给卢瑟福写信,重温旧日 师生情谊。卢瑟福对这个曾在战场上与英军作战的老学生不计前嫌,仍热情 欢迎。
他对苏联优秀科学家卡皮查的关怀和负责到底的精神更是感人至深。
1921 年卡皮查随团赴英购买科学仪器设备而滞留英伦,后经苏联政府同意作 了卢瑟福的研究生。卡皮查才华出众,勤奋好学,富有创造性,深得卢瑟福 赏识。他冲破英国传统势力的反对、很快提拔卡皮查任实验室的副主任,成 了自己得力的左右手。他还筹措了 1.5 万英镑,为卡皮查修建新实验室。1929 年经卢瑟福鼎力推荐,卡皮查当选为皇家学会会员。卡皮查在剑桥创立了强 磁场理论和低温物理,在卡文迪许实验室大放异彩。1934 年卡皮查回国被 扣,不得返英,卢瑟福大力相助,自动充当秘密外交家,为争取卡皮查重返 卡文迪许实验室尽力交涉。当得知卡皮查返英无望后,为了不使这位天才被 埋没,能继续从事科学研究,他将全部卡皮查的强磁场和低温设备运往苏联 作价处理,并派优秀科学家考克饶夫亲自负责安装。卡皮查由于妻儿全在国 外,国内人事关系不好,研究所建立后无事可作达三年之久,心情忧郁。卢 瑟福坚持每月写信安慰他,鼓起他的勇气和信心。后来,卡皮查在苏联对液 氦环境下的超导性、等离子物理方面作出重大贡献,获得诺贝尔奖。世人不 知,这里面凝结了卢瑟福多少的关心和爱护!从卡皮查身上,明显地体现出 卢瑟福在培养人才上打破社会制度、民族界限和信仰的民主学风和优良品 德。卢瑟福热爱科学、珍视人才的精神是他能造就那么多优秀人才的重要原 因之一。
  卢瑟福是一位伟大的科学家、教师和杰出的科研工作组织者和领导者, 开辟原子时代的旗手,为现代科学的发展奠定了重要的基础。他一生从事放 射性实验和理论、原子物理和核物理的研究,是原子有核结构、原子核、原 子能、放射性衰变理论和规律、人工核嬗变和元素的人工转变、质子、势垒、 聚变和氚的发现者,氘、氚、氮 3、中子和正电子的预言者。
  在现代科学史上,卢瑟福培养人才和组织科学研究方面取得的成就和经 验,与他在科学发现上的贡献有同样重要的意义。他适应现代科学日益精深、
  
实验设备精密而复杂和学科相互渗透的特点,继承了从麦克斯韦时起形成的 卡文迪许实验室的传统和学风,以准确的实验和严谨的治学为基础,重视集 体智慧的发挥,民主讨论,尊重人的志趣和特长及提倡各学科合作。他把纯 朴、忠诚、正直和善良,贯穿在人际关系中。每到一处,在自己周围形成一 个和谐的科研集体,齐心协力进行科学研究。在他领导培育下,一大批诺贝 尔奖获得者和优秀科学家成长起来,这批人后来散居世界各地,成为本世纪 科学前沿的开路先锋。
  卢瑟福伟大的人格还体现在第二次世界大战前夕希特勒迫害德国的犹太 科学家时,他毅然站出来,于 1933 年组织学术救授委员会并任主席,积极筹
集 100 万英镑来援助逃亡的德国知识分子。他认为在这种特殊情况下,必须 有效地挽救和保存这批具有学术水平和熟练经验的人,否则将给世界造成巨 大损失。他四处奔走呼号,前后救援了 1100 余人,占被德国驱逐教授和学者
1600 人的 3/4 左右,其中包括著名科学家爱因斯坦和玻恩等。他的这种拯救 科学和科学家的行动在世界上产生了重要影响,后来丹麦的玻尔以他为榜样 建立了救援委员会,救助从德国逃亡出来的科学家。这批德国科学家不少在 二次世界大战及战后的科学、经济发展中都曾作出过重要贡献。
  诺贝尔奖获得者、苏联优秀科学家、卢瑟福的弟子卡皮查说得好:“卢 瑟福不仅是一位伟大的科学家,而且也是一位伟大的导师。??科学史告诉 我们,一位杰出的科学家不一定是一位伟人,而一位伟大的导师则必须是伟 人。”
  
建原子模型创量子力学


  19 世纪末到 20 世纪初,以牛顿力学为代表的经典物理学面临乌云密布 的危机,这些危机终于酿成了一场空前的物理大革命,而相对论和量子理论 就是这场物理革命的最主要成果。创立相对论的历史重任落在爱因斯坦的身 上。而玻尔则肩负起了创建量子理论的使命。“如果没有他的贡献,要建立 起令人赞叹的现代量子物理学大厦,该是不可思议的”。由于他创立的量子 理论以及后来发展成为的量子力学,人类揭开了微观世界的秘密,开辟了物 理学的新纪元,改变了世界科学史的进程。
  自从 19 世纪末期发现电子以后,人们已经不再按其原义(不可分割之 物)来理解“原子”一词了。但是,无论如何必须承认,自然界中的原子是 非常牢固的,是十分难以分割的。例如,在气体中,原子(分子)之间不断 地进行着激烈的碰撞,但是原子被碰碎或被碰得”变了形”的情况即使存在 也是很少见的,不然的话,人们思想中就根本不会有“原子”这个概念了。 然而,当时没有任何一种原子模型能够反映这样的稳定性。
  在卢瑟福发现了原子核以后,人们开始把原子设想成或多或少和太阳系 相似的微观结构。但是事实上这种体系至少在两个方面和太阳系有着本质的 不同。
第一,如果太阳系受到一个外来天体的碰撞,系内各行星的运动就必然
发生显著的变化,而且当外来天体已经离去以后,太阳系也不会完全不走样 地回返到碰撞以前的状态。换句话说,服从经典力学规律的行星系并不具备 实在原子所表现出来的那种力学稳定性。
第二,在太阳系中起主导作用的是万有引力,而在原子中起主导作用的
是电磁力。按照当时唯一已知的经典电动力学,加速运动着的带电体必然不 断地发射电磁波,而原子中的电子也不应该例外,那么通过电磁辐射,原子 的能量就将不断地减少,而原子中的电子也将逐渐坠落到原子核上去。当时 有人估计过,假如电子确实是按照经典电动力学的规律而运动的,则上述这 种原子”坍缩”将在若干分之一秒的时间内完成。而事实却是,自然界中的 原子已经存在了许多亿年了。也就是说,当时所有的原子模型都无法解释物 质原子的这种电磁稳定性。
当玻尔在历史舞台上出场时,电子早已被发现了,而且他的硕士论文和
博士论文恰好就是考察金属中的电子运动。通过考察,他已经完全明确地意 识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷,甚至他在博士论文中也赞赏 了普朗克和爱因斯坦“在电磁理论中引入根本变动的那些努力”。在他着手 研究原子结构问题时,他就创造性地把普朗克的量子假说和卢瑟福的原子核 概念结合起来。
  1912 年 3 月,玻尔来到曼彻斯特,被卢瑟福的原子模型所吸引。他发现 卢瑟福的原子有核模型不仅能很好地解释 a 粒子大角度散射实验,而且预示 着说明原子光谱和放射现象的可能。他猜想原子的放射现象可能来自原子 核。这种思想已经暗含着同位素和放射位移的概念。但是,卢瑟福模型基本 上是一个定性的模型。它面临的最大困难在于不能说明原子的稳定性。
  汤姆逊模型中电子的环状排列能满足经典力学所要求的稳定条件,而且 这种排列还可以说明元素的某些物理性质和化学性质。玻尔从汤姆逊模型中 得到启发,认为卢瑟福模型中的电子可能是按一定规律在不同的轨道上运行
  
的,而元素的化学性质则可能与外层电子的数目和排列有关,这个数目应当 与元素周期表上的位置相对应。这就为当时物理学和化学中最大最难的问 题,即元素为什么各自具有不同的性质,提供了一种解释。
  那么,如何既尊重实验结果,维护卢瑟福的有核模型,又保持核外电子 在环形轨道上运行的稳定性呢?在经典理论范围内是找不到解决办法的,必 须另辟蹊径。
  1912 年 7 月,玻尔在离开英国以前,向卢瑟福呈交了一份论文提纲,即 所谓“卢瑟福备忘录”。在这份提纲中,他主要讨论了关于运动着的粒子减 速问题,说明了原子的静力学性能和动力学性能。在这篇文章中玻尔为了解 释原子的稳定性,不得已第一次大胆地把量子理论引入卢瑟福的原子有核模 型,而且第一次引入了“定态”的概念,以挽救卢瑟福原子的迅速坍缩,解 释原子和分子的稳定性问题。这一假说可以解释一些实验事实和规律,例如 原子体积随原子序数的周期变化等。这一研究充分显示了玻尔的思想方法: 第一,作为理论的物理学家他更关心物理理论的一般意义。这样,玻尔就从 更广阔的角度、更深的层次、更一般的意义上来认识原子模型,他必然比卢 瑟福就原子模型研究原子模型取得更大的进展。第二,他从已知推测未知。 当不可能有完备的理论可供利用时,他利用经典力学和另外的量子条件就把 非常脆弱的卢瑟福原子模型从危机中“解救”出来,这种不是解释的“解释”, 居然为现代物理学奠定了重要基石,可见玻尔的想象力有多么丰富!这时的 玻尔还只是以“定态”来拯救卢瑟福的原子模型,还谈不到光谱问题,更谈 不到电子怎样从一个定态“跃迁”或“过渡”到另一个定态。因此,1912 年
7 月交给卢瑟福的备忘录是玻尔理论的序曲,但这是一个伟大的开端。
  1912 年 7 月底,玻尔回到哥本哈根继续进行原子结构的研究,但是在氦 原子之类的问题上却遇到了严重的困难。这主要是由于他的理论还没有发育 完全,还缺少一些最基本的要素。1913 年 2 月,他的一位同事,光谱专家汉 森向他指出,研究原子结构,应该很好地联系和利用当时已有的丰富而精确 的光谱学资料,这一建议大大开阔了玻尔的思路,使他的眼光开始从原子的 正常态扩大到了原子的激发态。从此他的理论思维走上了迅速发展的道路, 他的定态概念获得了辩证的特征,而定态间的跃迁这一概念也因此而呼之欲 出了。这一事态的发展,后来被称为玻尔的“二月转变”。
正是由于引入光谱学的规律,给玻尔的思维和理论带来
  了巨大的飞跃。1913 年他完成了“论原子构造和分子构造”,并说服了 讲求简练文体的卢瑟福把这篇绝非简练的论著推荐给英国期刊《哲学杂志》。 论著分三部分在该刊第 26 卷第 7、9 和 11 期上发表,这就是在原子物理学中 起了划时代作用的所谓“伟大的三部曲”。
  文章在范围和深度上都远远超过了“卢瑟福备忘录”,为以后几十年的 微观物理学的发展制订了纲领。在这篇著作中,玻尔所提供的绝不仅仅是什 么氢原子理论或某种特定的、范围很小的细节理论;展现在人们面前的,是 一个出人意料的、一望无垠的新世界的大致轮廓。
  他从一开始就把全体的各种各样的原子当成了研究对象,并且提出了所 谓组建原理来作为考虑问题的入门。为了把实验光谱学的数据、规律和有关 的原子模型联系起来,玻尔在他的论著第一部分中提出两条重要假设:①体 系在定态中的动力学平衡,可以借助于普通力学(经典力学)来加以讨论, 而体系在不同定态之间的过渡则不能在这样的基础上进行处理;②后一种过
  
程是由单频辐射的发射来完成的,其频率和发射能量之间的关系只能由普朗 克理论来解决。
  伟大的科学理论建立时,人们对它的评价往往是毁誉参半。玻尔的量子 理论也毫不例外。爱因斯坦一向以治学谨严而著称,常常很严厉地批评别人 的学术观点,但是他对玻尔的原子结构理论却自始至终地作了很高的评价, 称它是“一个巨大的成就”。而劳厄则把玻尔的理论说成“这完全是胡扯”, 声称:“麦克斯韦方程在任何情况下都是成立的”。
  1913 年 9 月 7 日在英国伯明翰召开了不列颠科学促进会,几乎所有著名 科学家都出席了,瑞利勋爵、居里夫人、卢瑟福,汤姆逊、洛伦兹、金斯。 玻尔也应邀参加。会上讨论了辐射问题,玻尔的理论受到严峻的考验。金斯 积极支持玻尔,他说玻尔的理论是“谱线系的一种最巧妙和最发人深思的解 释,而且我想还应该说是一种令人信服的解释”。其他物理学家则多持保留 或怀疑态度。瑞利感到自己没有能力对此作出判断,只能含糊其辞地说:“人 在六十岁后就不应该在现代观点中随便插手,尽管我今天并不怎么相信这个 观点,但我还是决定超然于这场讨论之外。”洛伦兹提出疑问:“玻尔的这 一原子结构及电子运动的观点,从力学上该如何解释呢?”汤姆逊的怀疑更 甚,他根本不相信玻尔的理论会有什么实在意义,只是草草议论了几分钟, 便武断地否定了玻尔的理论。
结果是不言而喻的,这场讨论以玻尔的失败告终。然而新生的有生命力
的科学理论,它必然会冲破阻力,为科学事实所验证,被科学家们所逐步接 受。
也许是民族的共鸣,也许是科学的敏感。在丹麦,玻尔的同胞大多深信
他的量子理论对于物理学的重大意义。哥本哈很大学全体教员几乎一致同意 聘请玻尔担任理论物理学的教授。
但是不久,玻尔又放弃了在哥本哈很大学的机会,应卢瑟福的邀请,去
曼彻斯特实验室担任讲师工作。那是 1914 年的秋天,第一次世界大战刚爆 发。由于很多人去服兵役,太需要玻尔去帮助工作了。而玻尔也迫切希望通 过精细的实验,进一步为自己的理论寻找事实根据。
在曼彻斯特工作的物理学家穆斯莱和数学家达尔文,都是玻尔的支持
者。他俩决定通过测定一系列元素产生的 X 射线的波长,来验证玻尔的设想。 经过努力,X 射线的底片显示出令人震惊而兴奋的结果,它们构成了阶梯式 的变化,证明各元素的排列序数就等于其原子核内的正电荷数,这正是玻尔 曾假设过的,氢原子核外有一个电子绕着它转动,氢原子后面一个元素有两 个电子,第三号元素则有三十电子,??直到已知最重的九十二号元素有九 十二个电子。X 射线的测定强有力地证实了玻尔的原子结构理论。
  紧接着,德国物理学家费兰克和赫兹,证明了原子中能量呈阶梯式分布, 也即量子式的分布——这正是玻尔理论的核心内容。
  在以后的岁月里,玻尔的理论获得了更加广泛的实验事实的支持,越来 越多的人接受了这一理论,一个伟大的新时代终于开始了。1922 年瑞典科学 院宣布:由于玻尔“在研究原子结构和在研究原子所发射的辐射方面的贡 献”,决定授予他诺贝尔物理奖。并同时补授爱因斯坦 1921 年的诺贝尔物理 奖,理由是“由于他在数理物理学方面的成就,特别是由于他的关于光电效 应定律的发现”。这绝不能看作是历史的偶然巧合,而是对 20 世纪作为科学 主导的物理学两位登峰造极的巨人的公正评判。
  
  许多年以后,狄拉克曾经回忆道:“我记得我在第一次听到玻尔理论时 感到大为惊奇,因为在此之前,整个原子世界是被一种神秘的气氛笼罩着 的??当时这一理论打开了我的眼界,使我看到了一个新的世界,一个非常 奇妙的世界。”在这里,以沉默寡言著称的大物理学家狄拉克叙述了他自己 的感受。可以设想,这也很可能就是几代物理学家的共同感受!在玻尔原子 模型以前,也有人提出过一些各有特色的原子模型,但是它们都很快成了历 史的陈迹,现在很少有人再记得它们了。相反地,玻尔模型却至今还有它的 生命力,它的图案现在仍大量地出现在书刊装帧、电视屏幕之类的地方,简 直成了自然科学本身的象征。
  要进一步解决原子结构问题,首先就必须对已有的原子模型进行认真的 分析,对这些模型解释有关实验结果的优劣进行比较,然后才有可能取各家 之所长,在综合的基础上有所创新,这是玻尔工作的起点。
  当玻尔于 1912 年由剑桥来到曼彻斯特大学,通过向卢瑟福学习,开始接 触到原子结构问题时,人们已经对这一问题进行了多年的探索,设想了各式 各样的原子模型,其中包括洛伦兹的弹性束缚电子模型、勒纳的动力子概念、 长冈半太郎的土星系模型、里茨的磁原子模型、汤姆逊“葡萄干·布丁”模 型和卢瑟福的行星系模型等。通过对已有各种原子模型进行分析和比较,玻 尔以卢瑟福原子模型为基础,吸收了汤姆逊模型的一些优点,并引入量子概 念,构筑了一个新的原子模型,解决了经典理论所不能解决的原子的稳定性 问题。
在正确理论思想指导下,采用适当的模型,并熟练运用数学方法不断改
进和完善这一模型,使之能说明更多的现象,是玻尔能超过其他人迅速取得 成功的重要因素。
普朗克和爱因斯坦的理论虽然对玻尔的工作起着直接的指导和启发作
用,但如何把他们的理论应用于具体的原子模型,还必须进一步提出新的假 说。玻尔在系统总结上述工作的基础上,提出了两条假说。他的两条量子假 说,不是简单地照搬普朗克和爱因斯坦的概念,而是结合原子模型具体情况 对这些概念创造性地应用和发展。正是由于建立了假说,才使玻尔的原子模 型上升为原子结构理论。
此外,在玻尔的发现过程中,某些社会因素是不能忽视的。玻尔的工作
始终得到卢瑟福和他的科学共同体的支持鼓励,并且随着研究的进展,玻尔 逐渐形成了自己的科学共同体,这是玻尔的研究工作得以迅速取得成功的重 要因素之一。
二十世纪重大科技谋略的下一页
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