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第17章 与物理学家相约(6)

接着,赫兹测量了电磁波在真空中传播的速度,但是他计算到的数值是20万千米/秒,和麦克斯韦预言的不一致。因此,赫兹又花了好几个月的工夫,作了一系列检验性实验。检查实验结果是否可靠。其实实验毫无问题,是赫兹计算错了。后来物理学家本凯莱用赫兹的实验数据重新计算,得到电磁波速度是30万千米/秒。1887年11月5日,赫兹满怀信心地给亥姆霍兹寄去一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文,阐明实验证明了法拉第和麦克斯韦定论的正确性。亥姆霍兹看后十分高兴,当即用明信片告知赫兹:“手稿已收到。好!星期四我就把手稿交付排印。”赫兹的论文一发表,顿时成了科学界轰动的人物。赫兹实验庄严地宣告:人类利用电磁波的春天来到了!

后来,赫兹又做了一系列的实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,首先发现了光电效应,也就是物质在光的照射下释放出电子的现象。这一发现,成了爱因斯坦建立光量子理论的实验基础。赫兹还通过实验确认电磁波是横波,具有直线传播、反射、折射和偏振等光学性质,并且实现了两列电磁波的干涉,从而全面验证了麦克斯韦光的电磁理论的正确性。1890年以后,赫兹花了比较多的时间和精力,整理了麦克斯韦的理论,进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加完美、对称,给出了麦克斯韦方程组的现代形式。

赫兹对人类文明作了很大的贡献,正当人们期望他再作贡献的时候,骨癌过早地夺去了他的生命。赫兹于1894年元旦去世,只活了37岁。他的导师亥姆霍兹赞扬赫兹“才气横溢,性格坚毅,用自己极短暂的一生解决了一个世纪以来许多科学家所没有解决的一系列重要的问题”。1896年3月24日,俄国著名物理学家波波夫(1859~1906)用“海因里希·鲁道夫·赫兹”这一串字母,拍发了世界上第一份电报。后人为纪念赫兹,用他的名字来命名频率的单位,简称“赫”。

普朗克与普朗克常数

普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858~1947)在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式,创立能量子概念。

普朗克是德国著名的物理学家,1858年4月23日诞生于德国基尔的一个高级知识分子家庭。

普朗克从小受到严格的正规教育。1867年普朗克跟随父亲来到慕尼黑,进入马克·辛密里恩大学预科学习。1874年考入慕尼黑大学,第二年因病中断学业。病愈后转入柏林大学。1879年普朗克回到慕尼黑大学,以题为《论热力学第二定律》的论文取得物理学博士学位。第二年取得讲授理论物理学的资格。1885年普朗克任基尔大学理论物理学非常任教授。1888年普朗克接替已去世的基尔霍夫,任柏林大学理论物理学教授,1892年晋升为终身教授。1894年当选为普鲁士科学院数理学部委员,1912年任普鲁士科学院常务院长。1918年荣获诺贝尔物理学奖。1926年当选为英国伦敦皇家学会外国会员。1930年被任命为柏林威廉皇家研究所所长。

19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利、金斯(1877~1946)和维恩(1864~1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。

从1896年开始,普朗克对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力,有时候甚至废寝忘食,终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子辐射频率,是v的能量的最小数值E=hv。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,现在叫做普朗克常数。

普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。

普朗克走上研究自然科学的道路,在很大程度上应该归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐,又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事:一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上,工匠做的功并没有消失,而是变成能量贮存下来了;一旦砖块因为风化松动掉下来,砸在别人头上或者东西上面,能量又会被释放出来。这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象,不但使他的爱好转向自然科学,而且成为他以后研究工作的基础之一。

普朗克进入科学殿堂以后,无论遇到什么困难,都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸:1909年妻子去世,1916年儿子在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个女儿先后都死于难产,1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作来抑制自己的感情和悲痛,为科学做出了一个又一个重要的贡献。

普朗克为人谦虚,作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上,普朗克致答词说:“试想有一位矿工,他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探,有一次他找到了天然金矿脉,而且在进一步研究中发现它是无价之宝,比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏,那么无疑地,他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话才道出了问题的本质。他说:“我们一定不要忘记,这样灵感观念的好运气,只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”

1947年10月3日,普朗克在哥根廷病逝,终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家,把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。

第一个两次荣获诺贝尔奖的科学家居里夫人

玛丽·居里(Marie Sklodowska Curie,1867~1934)是法国著名的物理学家和化学家。玛丽原籍波兰,姓斯可罗多夫斯卡,成名后,大家都亲切地称呼她为居里夫人。

1867年11月7日玛丽诞生在波兰华沙的一个名门家庭。玛丽从小受到良好的家庭教育。四岁以后父亲经常带玛丽到中学的实验室去,她很快就熟悉了实验室中各种物理仪器,还叫得出它们的名称。1883年玛丽高中毕业,以优异的成绩荣获金质奖章。毕业后在家自学,第二年到乡下一个富农家去当家庭教师。她白天教课,晚上自修物理、化学,同时省吃俭用,攒钱供姐姐在巴黎求学。1891年秋天,她自费去巴黎投靠当医生的姐姐,不久考入巴黎大学索邦学院。1893年夏天,玛丽以第一名的成绩获物理学硕士学位;第二年夏天,又以第二名的成绩获数学硕士学位。后来通过波兰籍物理学家柯伐尔斯基的介绍,认识了巴黎理化研究所的物理学家皮埃尔·居里。两人志同道合,于1895年7月26日结成夫妻。1896年居里夫人在女子大学助教会考中取得物理第一名。从1897年开始,她集中全力研究物质的放射性,取得一系列成果。1903年发表题为《放射性物质的研究》的论文,取得巴黎大学物理学博士学位。同年荣获诺贝尔物理学奖,以后,居里夫人在塞文斯师范学校任教。1906年皮埃尔·居里不幸遇车祸去世,居里夫人抑制住巨大的悲痛,牢记丈夫生前说过的话,“无论发生什么情况,即使成了一个没有灵魂的躯壳,也要照样工作”,继续进行放射性研究,并且出任巴黎大学索邦学院物理学教授。1907年居里夫人又提炼出十分之几克的纯氯化镭,还精确地测出镭的原子量是226.2。1910年她又分离出纯金属镭,同时测定了它的物理化学性质。她还测定了氡和其他一些元素的半衰期,并且在这个基础上整理出放射性元素蜕变的系统关系。她首创用镭治疗癌症。这些成就使他在1911年获得诺贝尔化学奖,成为世界上第一个两次荣获诺贝尔奖的科学家。1914年巴黎镭学研究院成立,居里夫人任理事,后任院长。1922年当选为巴黎医学科学院院士。同年出任国际文化合作委员会委员,后任副主席。居里夫人除两次获得诺贝尔奖外,还获得各国科学奖章16枚,获得25个国家的荣誉头衔一百多个,被人们誉为“镭的母亲”。

居里夫人所以能成为世界上杰出的女科学家,是同她在青少年时代就发奋苦读分不开的。玛丽只要一读书,就钻到书里。据说有一次她正在家里低头看书,几个姐妹蹑手蹑脚地在她身后用几把椅子搭了个“椅塔”,她完全没有觉察。姐妹们在一旁挤眉弄眼地等着看笑话,等得都不耐烦了。过了近一个小时,玛丽读完预定的章节抬起头来,才碰倒了“椅塔”。

玛丽在巴黎上大学的时候开始住在姐姐家里,但是没过多长时间,玛丽请求姐姐允许她在学校附近租一个小阁楼,自己单独居住。她说,“家里一天到晚人来人往,没完没了的应酬,太影响我的功课;再说这里离学校太远,每天要乘公共马车上学,既费时间又费钱……”在玛丽的一再请求下,姐姐只好答应了。在玛丽看来,时间就是知识。巴黎的冬天是寒冷的,为了省钱,也为了节省生炉子的时间,玛丽很少买煤取暖。晚上实在太冷,就把所有的衣服都盖在身上,甚至把椅子也压在被子上。她的伙食很简单,有时候一连几个星期都只吃面包。据说,她有一天只吃了半磅樱桃和一把小萝卜,一直看书到凌晨,结果晕倒了。

居里夫人为人类作出了巨大的贡献。深受各国人民的爱戴和崇敬。1920年,美国记者麦朗宁夫人获悉居里夫人很需要一克镭继续作放射性研究,就在全美国妇女中展开了募捐运动。她在不到一年的时间里募集到10万美元。买了一克镭准备捐献给居里夫人。1921年5月21日,美国第34任总统哈定代表美国妇女,向居里夫人馈赠了这一克镭。

由于长期受放射线照射,居里夫人晚年患了恶性贫血症,双目也几乎失明。但是她经常隐瞒病情,坚持进行研究,念念不忘“我的生活是不能离开实验室的”。1934年7月4日,居里夫人终于永远离开了和她相依为命的实验室,在法国萨瓦去世,终年67岁。

威尔逊和威尔逊云室

威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869~1959)是英国物理学家。剑桥一首古诗中有“C.T.R.是一颗光辉灿烂的星!”的诗句,威尔逊全名的前三节的第一个字母正好也是CTR,所以给他取了一个外号叫C.T.R.威尔逊。

1869年2月14日威尔逊诞生于英国爱丁堡附近格伦斯科的一个农民家庭。威尔逊四岁时父亲病故,母亲迫于生活,带着全家投奔曼彻斯特的一个亲戚。威尔逊最初在曼彻斯特的格林海斯学校读书,成绩一般,但是开始显露出对自然科学的兴趣。他喜欢爬山,常到山顶上的天文台去玩,观察天上的云彩和各种自然现象。

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