世界歷史上最偉大的十位物理學(xué)家（五）

徐漢屏

法拉第——電磁學(xué)領(lǐng)域中最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家

法拉第，英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，1791年9月22日法拉第出生于離英國(guó)倫敦不遠(yuǎn)的薩里郡紐因頓一個(gè)鐵匠家庭。由于家境貧窮，法拉第幼年時(shí)僅讀過兩年小學(xué)，并沒有受到完整的初等教育。

十四歲那一年，法拉第在一間書店當(dāng)送報(bào)和裝訂書籍的學(xué)徒。這份工作給予了他很多閱讀的機(jī)會(huì)，他尤其喜歡讀物理學(xué)和化學(xué)方面的書。讀后還臨摹插圖，工工整整地做讀書筆記，并用一些簡(jiǎn)單器皿照著書上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把自己的閣樓變成了小小實(shí)驗(yàn)室。此外，他還經(jīng)常去聽各種科普?qǐng)?bào)告和演講，增進(jìn)了不少知識(shí)。

1812年，學(xué)徒期滿，年輕的法拉第決定獻(xiàn)身于科學(xué)事業(yè)。他終于在皇家學(xué)院的化學(xué)家戴維身邊得到一份工作。他一面工作，一面學(xué)習(xí)。他的科學(xué)視野也漸漸地開闊了。1815年，法拉第陪同戴維教授自歐洲大陸旅行講學(xué)歸來后，除了協(xié)助戴維進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)之外，自己開始獨(dú)立從事一些小實(shí)驗(yàn)。在往后的十年中，他進(jìn)行了各方面的實(shí)驗(yàn)。 1821年，在丹麥化學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象后，戴維和渥拉斯頓嘗試設(shè)計(jì)一部電動(dòng)機(jī)，但沒有成功。法拉第在與他們討論過這個(gè)問題后，繼續(xù)工作并建造了兩個(gè)裝置以產(chǎn)生他稱為“電磁轉(zhuǎn)動(dòng)”的現(xiàn)象：由線圈外環(huán)狀磁場(chǎng)造成的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。他把導(dǎo)線接上化學(xué)電池，使其導(dǎo)電，再將導(dǎo)線放人內(nèi)有磁鐵的汞池之中，則導(dǎo)線將繞著磁鐵旋轉(zhuǎn)。這個(gè)裝置現(xiàn)稱為單極電動(dòng)機(jī)。

1824年1月法拉第當(dāng)選為倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1825年2月任皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任，同年他發(fā)現(xiàn)了一種重要的碳?xì)浠衔铩?。不久，法拉第又任皇家研究所化學(xué)教授，并接替了戴維死后留下的職位。

經(jīng)過10年探索，歷經(jīng)多次失敗后，他終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)他將兩條獨(dú)立的電線環(huán)繞在一個(gè)大鐵環(huán)，固定在椅子上，并在其中一條導(dǎo)線通以電流時(shí)，另外一條導(dǎo)線競(jìng)也產(chǎn)生電流。他因此進(jìn)行了另外一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)若移動(dòng)一塊磁鐵通過導(dǎo)線線圈，則線圈中將有電流產(chǎn)生。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在移動(dòng)線圈通過靜止的磁鐵上方時(shí)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了日后電工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。他的發(fā)現(xiàn)使世人建立起“磁場(chǎng)的改變產(chǎn)生電場(chǎng)”的觀念，此關(guān)系由法拉第電磁感應(yīng)定律建立起數(shù)學(xué)模型，并成為麥克斯韋方程組四條公式之一。這個(gè)方程組之后被歸納入場(chǎng)論之中。法拉第由此發(fā)明了早期的發(fā)電機(jī)，此為現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的始祖。

為解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第提出了電磁線的概念：這些流線由帶電體或者是磁鐵的一極放射出，射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個(gè)概念幫助世人將抽象的電磁場(chǎng)具象化，對(duì)于電力機(jī)械裝置在十九世紀(jì)的發(fā)展有重大的影響。

1833年，他總結(jié)了前人與自己的大量研究成果，證實(shí)當(dāng)時(shí)所知摩擦電、伏打電、電磁感應(yīng)電、溫差電和動(dòng)物電等五種不同來源的電的同一性。他研究電流通過酸、堿、鹽溶液，力圖解釋電流的本質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了電流化學(xué)的兩個(gè)定律。后來這兩個(gè)定律就以他的名字來命名，這就是：法拉第第一電解定律——在電解過程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量與所通過的電量成正比（這一比值稱為電化當(dāng)量）；法拉第第二電解定律——物質(zhì)的電化當(dāng)量跟它的化學(xué)當(dāng)量成正比（所謂化學(xué)當(dāng)量是指該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量跟它的化合價(jià)的比值）。

1837年他發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)對(duì)靜電過程的影響，提出了以近距“鄰接”作用為基礎(chǔ)的靜電感應(yīng)理論。1845年，他又發(fā)現(xiàn)了抗磁性（現(xiàn)在則稱為法拉第效應(yīng)）的現(xiàn)象：一個(gè)線性極化的光線在經(jīng)過一物體介質(zhì)時(shí)，外加一磁場(chǎng)并與光線的前進(jìn)方向?qū)R，則此磁場(chǎng)將使光線在空問中劃出的平面轉(zhuǎn)向。在這些研究工作的基礎(chǔ)上，他形成了“電和磁作用通過中問介質(zhì)、從一個(gè)物體傳到另一個(gè)物體”的思想。于是，介質(zhì)成了“場(chǎng)”的場(chǎng)所，場(chǎng)這個(gè)概念正是來源于法拉第。

1846年，法拉第榮獲倫福德獎(jiǎng)?wù)潞突始覄渍隆?/p>

1858年，法拉第離開皇家學(xué)院，遷到倫敦附近漢普頓一科爾特的住宅渡過了自己的余生。在他生涯的晚年，他提出電磁力不僅存在于導(dǎo)體中，更延伸人導(dǎo)體附近的空間里。這個(gè)想法受到他同行的排斥，法拉第也終究沒有活著看到這個(gè)想法被世人所接受。1867年8月25日，法拉第死于漢普頓一科爾特。墓碑上照他的遺愿只刻有他的名字和出生年月。后世的人們，選擇了“法拉”作為電容的國(guó)際單位，以紀(jì)念這位物理學(xué)大師。

法拉第有句名言：“像蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發(fā)一分光，忠誠而踏實(shí)地為人類偉大事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量?！边@句話是他用來激勵(lì)年輕人的，也是對(duì)他偉大一生的真實(shí)寫照。

薛定諤——概率波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人

薛定諤，奧地利物理學(xué)家。1887年8月12日，薛定諤出生于奧地利首都維也納。他11歲時(shí)，進(jìn)入了維也納高等?？茖W(xué)校所屬預(yù)科學(xué)校，他的天賦和學(xué)習(xí)能力很快在學(xué)校中表現(xiàn)出來。1906年，薛定諤以首屈一指的成績(jī)通過畢業(yè)考試，進(jìn)入維也納大學(xué)物理系學(xué)習(xí)。天賦加勤奮，使薛定諤很快在大學(xué)校園里嶄露頭角。1910年薛定諤獲博士學(xué)位。他的博士論文是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性的研究，那是他獨(dú)立從事的第一次科學(xué)研究，主題是：潮濕空氣中絕緣體的導(dǎo)電性。

大學(xué)畢業(yè)后，薛定諤在維也納大學(xué)第二物理研究所工作，同年秋季按規(guī)定服兵役一年，次年秋天回到維也納大學(xué)，開始了他的研究生涯。在科學(xué)研究起步剛剛不到三年的時(shí)間里，薛定諤發(fā)表了十余篇論文并緊盯最新發(fā)展。這一時(shí)期的薛定諤少年得志春風(fēng)得意，在物理學(xué)研究中如魚得水揮灑自如，使他在學(xué)術(shù)界嶄露頭角小有名氣。1914年1月，他獲得了大學(xué)教師資格認(rèn)可，直到1920年以前主要在維也納大學(xué)任教。

薛定諤在一戰(zhàn)開始，就應(yīng)征入伍，成為奧匈帝國(guó)的一名炮兵軍官。幾經(jīng)轉(zhuǎn)戰(zhàn)，薛定諤在后方度過了戰(zhàn)爭(zhēng)后半期的軍旅生活，他給一批批即將赴任的防空部隊(duì)軍官講課，使他有時(shí)問坐下來閱讀資料，重續(xù)科學(xué)研究的舊夢(mèng)，并煥發(fā)出創(chuàng)造性的活力。他還關(guān)注著廣義相對(duì)論，量子統(tǒng)計(jì)和漲落理論，原子物理學(xué)等領(lǐng)域的最新進(jìn)展，為戰(zhàn)后迅速恢復(fù)研究工作做好了充分的準(zhǔn)備。

戰(zhàn)后，薛定諤重返第二物理研究所，全力以赴從事理論物理學(xué)研究。由于戰(zhàn)爭(zhēng)后期的大量信息和思考的儲(chǔ)備，他一連發(fā)表了好幾篇論文。其中關(guān)于廣義相對(duì)論的兩篇都引起了愛因斯坦的極大關(guān)注。量子統(tǒng)計(jì)和漲落理論是薛定諤的又一工作重點(diǎn)。他的工作還包括一個(gè)驗(yàn)證光量子理論的實(shí)驗(yàn)。

1921至1927年，薛定諤在蘇黎世大學(xué)任教。這一時(shí)期是薛定諤的又一個(gè)創(chuàng)造性高峰。僅從1922年到1926年早期，他就在教學(xué)之余發(fā)表了20篇論文，范圍非常廣泛，其中有4篇關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的，5篇關(guān)于顏色理論和生理光學(xué)的，1篇關(guān)于相對(duì)論的，4篇關(guān)于量子比熱理論的，6篇關(guān)于氣體統(tǒng)計(jì)理論的。這些論文粗略而言，可以分為三類，即原子結(jié)構(gòu)理論、量子統(tǒng)計(jì)理論、顏色和視覺理論。

從1926年1月27日到6月23日，在短短不到五個(gè)月的時(shí)問里，薛定諤接連發(fā)表了6篇關(guān)于量子理論的論文，其內(nèi)容囊括了量子理論、原子模型、物理光學(xué)、哈密頓光學(xué)、力學(xué)相似、光譜學(xué)、微擾理論等眾多物理學(xué)領(lǐng)域，并融愛因斯坦波粒二象性思想和德布羅意相波理論等量子理論為一爐，一舉構(gòu)造起集前人研究成果之大成，而在理論上嚴(yán)謹(jǐn)自洽，實(shí)際應(yīng)用更為廣泛有效的完整的量子力學(xué)形式體系。薛定諤發(fā)現(xiàn)波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的，是量子力學(xué)的兩種形式，可以通過數(shù)學(xué)變換，從一個(gè)理論轉(zhuǎn)到另一個(gè)理論。他提出薛定諤方程，為量子力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他想出“薛定諤貓”思想實(shí)驗(yàn)，試圖證明量子力學(xué)在宏觀條件下的不完備性。薛定諤方程是量子力學(xué)中描述微觀粒子（如電子等）在運(yùn)動(dòng)速率遠(yuǎn)小于光速時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本定律，在量子力學(xué)中占有極其重要的地位，它與經(jīng)典力學(xué)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的價(jià)值相似。作為波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，薛定諤一時(shí)成為享譽(yù)國(guó)際學(xué)術(shù)界的風(fēng)云人物和科學(xué)明星，他終于收獲到了辛勤耕耘十?dāng)?shù)載后的成功喜悅。

1927年，薛定諤舉家遷居柏林，接替普朗克任柏林大學(xué)物理系主任，并于次年在普朗克的推薦下成為普魯士科學(xué)院院士。柏林在當(dāng)時(shí)享有“物理學(xué)首都”的聲譽(yù)，而柏林大學(xué)更是群賢畢至，人才濟(jì)濟(jì)。接任普朗克的職務(wù)，這對(duì)于年僅40歲的薛定諤來說是個(gè)極高的榮譽(yù)。

1933年11月，因納粹迫害猶太人，薛定諤借口休假離開了柏林大學(xué)，來到牛津大學(xué)。在牛津，他接到了一個(gè)令人振奮的好消息：“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的新的富有成效的形式”，他與另一名科學(xué)家狄拉克一道被授予1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1939年他轉(zhuǎn)到愛爾蘭，在都柏林高級(jí)研究所工作了17年。 1944年，薛定諤著《生命是什么》一書，試圖用熱力學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)理論來解釋生命的本性。這本書使許多青年物理學(xué)家開始注意生命科學(xué)中提出的問題，引導(dǎo)人們用物理學(xué)、化學(xué)方法去研究生命的本性，使薛定諤成為蓬勃發(fā)展的分子生物學(xué)的先驅(qū)。

1956年，薛定諤返回維也納大學(xué)物理研究所，任維也納大學(xué)榮譽(yù)教授，獲得奧地利政府頒發(fā)的第一屆薛定諤獎(jiǎng)。

1957年他又榮獲奧地利藝術(shù)和科學(xué)勛章，聯(lián)邦德意志帝國(guó)高級(jí)榮譽(yù)勛章。這一年，薛定諤幸免于一次危及生命的重病，但從此再也沒有完全恢復(fù)健康。他繼續(xù)從事著力所能及、不致過于勞累的工作，而他的思想仍同過去一樣活躍和清晰，依然繼續(xù)進(jìn)行量子力學(xué)基礎(chǔ)、統(tǒng)一場(chǎng)理論以及介子物理方面的研究。

薛定諤廣博的知識(shí)和充沛的創(chuàng)造力是驚人的。在他的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，他先后發(fā)表了5本專著和不下150篇論文，其范圍幾乎覆蓋了所有理論物理學(xué)前沿；而在專業(yè)領(lǐng)域之外，他除了在生物學(xué)發(fā)展中的重要貢獻(xiàn)《生命是什么》和文學(xué)上的造詣結(jié)晶《詩集》之外，還發(fā)表了一系列哲學(xué)論著，內(nèi)容涉及許多哲學(xué)上的重大課題，他是一位近乎于百科全書式的學(xué)者。

1961年1月4日，薛定諤因肺病閉上了他一生探索世界、尋找科學(xué)真理的眼睛，卒于奧地利的阿爾卑巴赫山村。