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第3章 诺贝尔物理学奖(2)

德·布罗格利虽然出身贵族世家,又是学术权威,但生活一直很简朴,从不讲究吃穿。他爱好体育活动,既会工作,又会休息,工作闲余时闭口不谈学问。他有一个怪癖,就是爱好饲养珍禽,在他的私宅里喂养着从世界各地搜罗来的珍贵飞鸟。他曾用重金买下两只尼泊尔红鸟。可是由于不适应法国的气候,这两只爱鸟不久就死去了。他竟恋恋不舍地把红鸟的彩色照片长期保存在自己的工作案头。

德·布罗格利的家庭,是一个充满欢乐的家庭。在学校,他专心致志于物理学的研究,回到家里,总是和儿女们亲亲热热,说东道西。他对文学和历史学的造诣也很深,他的夫人有较高的文学修养,后来承担了丈夫的传记的整理和抄写工作。

德·布罗格利对家乡总存在的一种眷恋的心情,他非常喜欢回老家度假。老家有一所高等学校,在筹建过程中,他曾慷慨捐赠了大量财物,希望家乡能培养出更多的学者名流。

他为人和蔼可亲,平易近人。到巴黎大学来的客人,凡是希望和他面谈的,都能如愿以偿。他对客人是从不谢绝的,他和客人交谈的话题相当广泛,从自然科学到文学,从耐人寻味的传闻到悠久的法国历史,可以说海阔天空,无所不谈,所以人们都说与德·布罗格利交谈是一种享受。

拉曼

“每天不浪费、不虚度或不空抛剩余的一点点时间,即使只有五六分钟,如能安排得当,也一样可以取得很大的成就。若是游手好闲惯了,就是有天赋,也不会有所作为。”这是1930年诺贝尔物理奖金获得者、印度人——钱德拉塞哈拉·文迦达·拉曼博士的座右铭,也是他能够取得如此辉煌成就的关键。

1888年11月7日,拉曼出生在印度马德拉斯的提鲁契腊帕里。他的家庭是个地主世家,可是到他父亲这一辈时,开始做些别的生计。他的父亲是当地一所教会学校的教师,讲授数学和物理。当拉曼长到四岁时,他家搬到了维沙卡帕特南市。在这个城市的一所印第安语学校里,拉曼接受初等教育。

后来,升入马德拉斯学院上学,并在1904年取得该学院的文学学士学位和优秀学生奖章,这时他年仅16岁。两年后,他又轻而易举地得到了硕士学位。

当他还是学生的时候,就对光学和声学产生了浓厚的兴趣。他的第一篇科学论文发表在1906年伦敦出版的《哲学月刊》上,题目是“论光束的散射”。

尽管拉曼出身门第不错,可是他所走过的路却并不平坦,而是充满了坎坎坷坷。由于当时印度还处于英国的殖民统治之下,他的家境顶多不过是小康之家,并不为人所重视。在他14岁那年,因为他聪明过人,地方当局推荐他上马德拉斯学院。当院方收到推荐信时,见来上学的是这么个小孩,还以为地方上的公文投错了。几经查对才认为证明没错,只好让这位孩子参加复试。那时印度大学招生,大多数都是由地方上推荐的,只有校方认为业务水平较差的少数人才参加复试,然后再决定其去留。就在这次复试中,拉曼名列前茅,以优异的成绩踏进了学院的大门。

拉曼天赋聪明又刻苦好学,这使他深受校方赞赏。由于当时的印度大学还没有设置博士学位,他的硕士头衔就成了他学习期间能得到的最高学位了。随后,他向伦敦剑桥大学申请进修并得到了批准。但因为筹集不到赴英的路费,只得放弃这个难得的深造机会。他那毫无远见的双亲也认为他得到了硕士学位已经够光宗耀祖了,再研究下去也不会有什么更大的造就。

大学毕业后,拉曼在当时的印度竟难得找到一份合适的工作。他想在母校当助教,却遭到了学校董事会的反对,原因是当时印度大学里的教师差不多全由英国人担任,印度本土培养出来的大学生是被人瞧不起的。后来,他设法到中学里当物理教师,又因为中学教师超编,这个打算也落空了。

在当时是英国殖民地的印度,科学家和知识分子不受重用,有才能的科技人员报国无门。这时,他对自己的前途已不抱什么幻想。为了解决迫切的吃饭问题,他不得不放弃所学的物理专业,改行学习当书记官。19岁那年,拉曼经过认真地准备,才在考试中战胜了大批竞争者,被印度总督府财政部录取为事务员。尽管这份工作很不称心,但总比无事可干要强得多。这不仅生活有了着落,而且可为继续研究物理积蓄资金,这几年间,他曾在好几个城市工作过,但不论到何处,他都千方百计争取到该地实验室去进行研究工作。

然而,就是这样的差事也并不一帆风顺。在他的同事中,很多人都是势利眼。对于拉曼这样地位低下的人,他们根本瞧不起,也不跟他来往。这伙人还常常借机挑他的短处,当拉曼在工作中稍有疏忽,这就成为他们的攻击目标。有一次,他险些因此而失了业,幸而他的上司还觉得他品质不坏,没有野心,才把他留下了。

拉曼在政府机关里工作了整整十年,他的职位也由小事务员晋升为正式科员。虽然他的行政职务提升缓慢,但他在光学和声学上的研究却取得了惊人的进展。1907年,他在印度科学开发委员会的第一期学报上发表了一篇题为“惠更斯次波的实验研究”的论文。在此后的七年中,这份学报不断地刊登他的关于声学的论文。1912年他获得了柯曾研究奖;1913年他又荣获伍德伯恩研究奖章。但由于印度当时是英国的殖民地,印度人民备受英帝国主义者的压迫,拉曼的研究成果当然遭到了冷遇。他的“光束传播论”在英国和印度均无人重视,直到当这篇论文在法国物理学会季刊上发表,并引起各学者的重视时,他才得到了出头之日。

1914年,他受聘于马德拉斯学院任兼职教授。在1915年到1916年间,他同其他几位有识之士创办了《印度物理学报》。从此,他在印度学术界才受到了关注。然而,他的征途依然充满荆棘。1917年,加尔各答大学本想请他担任该校兼职物理教授,但英籍教授们不愿意和一个印度政府的科员同堂上课。他们认为如果这么做,就是对他们的侮辱。拉曼听到这一消息后极为愤怒,他断然拒绝了这所大学的邀请。这件事也使许多国家的大学对他深表同情,纷纷邀请他出国讲学。这一来,大大出乎英国人的意料,也大大提高了拉曼在国内、国际学术界的地位,还使得他的爱国主义者的形象更加高大。

同年,他辞去了政府工作,成为专职教授。

1918年,他在全印度协会学报上发表了研究声学方面的重要著作《论弓弦和弦乐器振荡的力学原理》。1920年拉合尔大学聘请他为教授。第二年夏天,他首次访问欧洲,参加在牛津大学举行的全英大学年会。1924年,英国王室授予拉曼爵位。同年,他应英国科学委员会之邀,前往加拿大多伦多市主持光的散射专题讨论会。会后,他穿过边界进入美国,代表印度参加费城富兰克林研究所成立100周年纪念活动。此间,拉曼结识了1923年的诺贝尔物理学奖金获得者罗伯特·安德罗·米利肯。在米利肯的盛情邀请下,拉曼同他一起前往加利福尼亚州理工学院讲学4个月。1925年初,他返回印度后又受聘于巴特那大学。年底代表印度前往莫斯科,参加俄罗斯科学院建立200周年的庆祝活动。

1928年,拉曼在《一种新的辐射》一文中,首先指出散射光中有新的不同波长成分,它和散射物质的结构有密切关系。这个现象后来被人们称为“拉曼效应”。这一发现,很快就得到了公认。英国皇家学会正式称之为“二十年代实验物理中最卓越的三、四个发现这一。”验证这个效应的方法很简单,任何一个物理实验室的设备都能够做。由于这一发现,拉曼于l930年荣获了科学的最高奖励——诺贝尔物理学奖金。“拉曼效应”对科学的影响相当大,据印度政府情报局公布的资料,它已成为揭示固态、液态和气态物质分子结构和化学成分的工具。

1930年以后,拉曼集中精力做两件事:一是为印度科学界培养人才;二是刻苦钻研结晶学。他拿出所得的诺贝尔奖金的大部分,购买供实验用的上百颗钻石。不久,他的结晶学研究也取得了很大的成就。1933年拉曼辞去了加尔各答大学教授职务,来到迈索尔邦的孟加拉研究所任所长,并在此地成立了印度科学院。第二年他当选为科学院院长。

十年后,也就是1934年,座落在印度南部孟加拉地区的拉曼研究所破土动工。它的土木工程持续了四年之久,最后两栋楼直到1947年才竣工。1948年夏,拉曼再次访问美国,在同美国纽约时报记者的一次谈话时,他表示希望拉曼研究所成为一个“国际文化中心”,在那里,印度人民能够向全世界表明,他们在各个科学领域里进行研究的巨大能力。

拉曼的一生虽然几经周折,但他对物理学的巨大贡献,对印度科学事业发展所做的努力,使他的名字传遍全球的每一个角落。他发现的“拉曼效应”,也随着物理学的普及而为更多的世人所知。他曾被授予英国格拉斯哥大学、法国巴黎大学和波尔多大学,以及许多印度大学的荣誉博士学位。1941年,他被选为美国光学协会会员。同年晚些时候,美国费城富兰克林研究所奖给他富兰克林奖章。他之所以能够得到这枚奖章,不仅仅是因为他发现了“拉曼效应”,更重要的是他对物理学做出了许多杰出贡献,他在领导近40年的印度科学复兴和科学教育事业中起了巨大的作用。除此之外,拉曼还得到过法国、中国、爱尔兰、瑞士、英国等国各种科学研究机构的多种荣誉。

1970年11月21日,这位印度伟大的科学家在孟加拉邦去世。终年80岁。

海森伯格

在人类认识物质秘密的道路上,有一位曾给我们以深刻启示的科学家,他就是德国物理学家维尔纳·海森伯格(也译成海森堡)。他是现代物理学界公认的权威之一。

维尔纳·海森伯格能够成为一位著名的物理学家,用他自己的话来说,就是对自己所从事的学术,一定要酷爱,要有兴趣,只有这样,才能产生研究的动力,才不会感到是被迫的,甚至是勉强的。

1910年12月5日,在德国维尔次堡大学教职员宿舍里,有一位妇人忍受着临产前的煎熬。那天夜里,天空阴沉沉的,飘拂着鹅毛大雪,道路被大雪覆盖了,医生没法来,产妇也无法送往医院,正当人们焦急万分的时刻,一个男婴的啼哭声驱走了黑夜的沉寂,给焦急的父亲带来了极大的安慰,这就是小海森伯格诞生的过程。

海森伯格从小就有着得天独厚的学习环境。父亲是一个历史学的权威人士,舅舅们也都是当时德国数一数二的科学家,他的家又居住在腾斯堡大学里。那是一所文史、自然科学并重的大学,在德国很有名气。但是,海森伯格并没有继承父业,他从小对理化有着天生的爱好和浓厚的兴趣。据说在十岁那年,一天,天色已黑,学校早就放学了,孩子们都回了家。他的父亲正在等待着儿子回来,但是左等右等都不见他的影子,父母亲着急了,到处寻找,一直寻到掌灯时分才松了口气。原来学校实验室的玻璃窗上映出了一张圆圆的小脸。这不是小海森伯格又是谁呢?他被一个物理现象给迷住了,忘记了回家。

由于天才和优良的学习环境,这位年轻人很快成了一名科学家。他中学毕业以后,就顺利地进人了慕尼黑大学。1923年,当他第一次获得科学博士学位时,年仅22岁。他的成长引起了人们的钦佩,他的导师——著名物理学家安诺德·索末菲老教授更是赞叹不已。他说:“这几年来,眼看着海森伯格轻易地完成了他的学业和研究,真令人产生‘智者不难’的感觉,在理论的造诣上,我们都自愧不如。”

海森伯格虽然年轻有为,但却十分谦逊好学。他对前辈的理论勇于提出自己的看法,这一独立思考的长处深为权威学者们所赏识,他们把他当作不可多得的朋友。有一次,哥丁根大学物理研究所权威学者马克斯·玻恩在慕尼黑大学讲学,课后,海森伯格给他递上了一张纸条,并且谦虚地说:“这是我对先生研究的学理提供的一点心得。”玻恩先生当时没有把这个“毛孩子”

放在眼里,只是默默地把纸片折起来装进口袋里,连道谢的话也没有说一句。

当马克斯·玻恩回到哥丁根以后,有一天,无意中掏口袋,翻出了海森伯格递给他的纸片。这一看,使他十分吃惊,没想到这个“毛孩子”竟能提出那么深刻的见解,他这才后悔不已,深为在慕尼黑未能与海森伯格当面切磋而感到遗憾。

海森伯格向他提供的正是他研究不深入,或者是疏忽了的原理。看了这张纸条,使他对这位青年人简直佩服得五体投地。后来,他打听到海森伯格已经荣获博士学位,于是在1923年秋天,坚决邀请他到哥丁根大学去担任自己的助教。玻恩教授手下有一大批助教,按照哥丁根大学的老规矩,助教至少要当三年才具有升任讲师的资格,而海森伯格到哥丁根大学不到三个月,就被破格提升为讲师。

海森伯格对原子论和核子论的创新见解引起了学术界的瞩目。不久,他获得了洛克菲勒基金会的助学金,到丹麦哥本哈根大学进修。他的导师是丹麦著名的物理学家尼尔斯·波尔。他们既是师生又是忘年之交。在哥本哈根的三年里,他们经常通宵达旦地讨论问题,这使海森伯格在学术上又大大地向前迈进了一步。在海森伯格六十寿辰时,波尔回忆当年的情景时说:“那时候,我们继续进行着在哥丁根大学开始的探讨,无论是在研究所里,还是在散步中,我们都热烈地展开讨论,他那少有的天赋和才能给我留下了强烈的印象。”

1924年,海森伯格和荷兰物理学家克拉摩斯进一步发展了色散理论,提出了克拉摩斯-海森伯格色散公式。这一理论后来成为海森伯格创立一种量子力学的阶梯。海森伯格在23岁时就提出了这样高难度的理论,不能不使人对他深为尊敬。

不久,他在物理学上又有了新的重大突破。他在1925年引入了一种最为巧妙的形式体系:将力学量表示成厄密矩阵,各矩阵元对应着定态间一切可能的跃迁过程,他发现了可以导出这些定态的能量和相应的跃迁过程的几率。这就是海森伯格创立的矩阵量子力学,它同施罗丁格于次年创立的波动力学都是人们研究微观世界必不可少的强大工具。

1926年,海森伯格关于氦光谱的奇特双线的解释,对处理电子原子作出了个具有决定意义的贡献。多年来,这种双线性一直是原子构造量子论的主要障碍之一,海森伯格探索了波函数在位形空间中的对称性质,成功地证实了这样一个事实:氦原子的定态分为两类,分别与两组不相并合的谱项相对应,并且分别以和反向电子自旋、平行电子自旋相关联的对称的与反对称的空间波函数来表示。

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