久久為功的堅持獲得的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)

陳敬全

馬克思說：“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達(dá)到光輝的頂點。”一些科學(xué)家在攀登頂點的征途上不畏艱險，他們久久為功的堅持獲得了重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

瑞利

拉姆塞

拉姆塞堅持不懈“捕捉”惰性元素

1892年英國物理學(xué)家瑞利在測定氮的密度時發(fā)現(xiàn)，從大氣中除去氧、碳酸氣和水蒸氣所得的氮氣的密度為1.257 2克/升，而由亞硝酸氨制得的氮的密度卻是1.250 8克/升，兩者相差為0.006 4克/升，他沒有放過這細(xì)小的誤差。他和年輕的化學(xué)家拉姆塞（W.Ramsay，1852—1916）一起探究，發(fā)現(xiàn)從空氣中制得的氮不是純氮，含有較重的新氣體，他們用分光鏡對新氣體進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)有橙色和綠色的各組明線，這有別于已知氣體元素的光譜。他們很快確證了新氣體是一種新的元素，把它命名為氬（Argon，意為“懶惰者”）。

在氬發(fā)現(xiàn)后，拉姆塞并沒有停下腳步，他想，元素周期表最末一行的位置還空著，是不是專為類似氬的氣體留的?

1895年2月，拉姆塞從朋友的來信中得知有人把釔鈾礦在硫酸中加熱時，得到了一種氬和鈾的化合物。拉姆塞把倫敦所有的釔鈾礦都買來做實驗，得到了5立方厘米氣體。他花了4天的工夫提純了這些氣體，放在分光計上測定，果然出現(xiàn)了一條新譜線，這譜線跟27年前天文學(xué)家觀察日食時，在日冕中發(fā)現(xiàn)的太陽元素一樣。拉姆塞把氣體樣品送到光譜學(xué)權(quán)威克魯克斯那里，請他做進(jìn)一步的鑒定?？唆斂怂褂米钕冗M(jìn)的分光儀進(jìn)行觀察，驗證了果然是氦。就這樣，這個號稱只有太陽上才有的元素，在地球上被拉姆塞“捕捉”到。

氦被“捉住”后，拉姆塞對填補(bǔ)周期表的空白更有信心了。以后在空氣中也發(fā)現(xiàn)了氦，這啟發(fā)他把注意力集中到空氣上來。這些“懶惰”的家伙會不會隱藏在空氣中呢？1895年5月，他從朋友漢普松那里搞到了750毫升液態(tài)空氣，他想從液態(tài)空氣中找出新的元素。

拉姆塞和學(xué)生特拉弗斯用紅熱銅屑除去其中的氧氣，再用鎂除去氮氣，只剩下10毫升氬氣，把氬氣體封入放電管，在分光計下，又顯出—條新譜線，又一個新元素被發(fā)現(xiàn)!拉姆齊把它取名為氪（Krypton，“隱藏”的意思）。此時是1898年5月30日深夜，師生倆欣喜若狂。

拉姆塞堅信空氣中還隱藏著其他惰性氣體。他改進(jìn)了分離空氣法，在減壓下蒸發(fā)液態(tài)空氣和反復(fù)分次萃取。1898年6月他從漢普松那里又求得上百升液態(tài)空氣，從中能得到1.5升氬氣，這真是如虎添翼。他和特拉弗斯巧妙地把液態(tài)空氣蒸發(fā)、降溫，使氬氣凝成液體，得到13毫升氣體，依樣畫葫蘆，他們又發(fā)現(xiàn)了一種新元素氙（Xenon，“陌生”的意思）。

發(fā)現(xiàn)氙后，拉姆塞他們再接再厲，在液態(tài)氬揮發(fā)后的微量氣體中，又發(fā)現(xiàn)了一種新的惰性氣體。此時拉姆塞的小兒子在實驗室看父親做實驗，看見新氣體在放電管內(nèi)放出美麗的紅光，感到十分新奇，便向父親建議取名氖（Neon，“新奇”的意思）。不久，用氖氣制成的霓虹燈出現(xiàn)在倫敦街頭。

至此，在周期表零族元素中，只剩下一個空格了，這意味著，還存在一種未知的惰性氣體。拉姆塞又花了幾年時間想在空氣中找到它，但一無所獲。直到1900年，幸運(yùn)兒才向他招手。這一年英國物理學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn)釷元素會放射出一種氣體，收集起來只有0.11毫升，把它送給拉姆塞鑒定，很快證實了這是一種能發(fā)光的放射性惰性元素，并給它取名Niton（“發(fā)光”的意思）。拉姆塞設(shè)計出一臺靈敏度高達(dá)0.5微克的精密天平，要用放大鏡來觀察指針。他利用這臺太平，對微量的氡氣稱量，計算出它的原子量為222。1923年國際化學(xué)會改名為氡（Radon，“鐳放射出來的氣體”的意思）。

拉姆塞因發(fā)現(xiàn)氣態(tài)惰性元素榮獲1904年的諾貝爾化學(xué)獎。

魏格納終生不渝確立“大陸漂移說”

魏格納

《海陸的起源》中譯本（2018）

大陸漂移的過程示意圖

1910年初，德國氣象學(xué)家魏格納（A.L.Wegener，1880—1930）在看世界地圖時發(fā)現(xiàn)，大西洋兩岸大陸的輪廓有驚人的對應(yīng)性，南美洲巴西的海岸線以直角的形態(tài)向大西洋突出，與此相對應(yīng)的是非洲西海岸呈直角凹進(jìn)的幾內(nèi)亞灣。直覺告訴他：或許地球上的各大洲原本是一整塊陸地，后來破裂成幾塊，慢慢漂移成現(xiàn)在的樣子。1911年，他在文集中讀到“根據(jù)古生物學(xué)的證據(jù)，巴西與非洲間有過陸地相連”的記載，這促使他進(jìn)一步去證實“直覺的閃光”。

魏格納的老師柯彭教授勸他打消離奇的猜想，安心氣象學(xué)的研究?？屡碇?，在地質(zhì)學(xué)界信奉的是海陸固定說：地殼運(yùn)動以垂直升降為主，各地帶可以上升為陸，下降為海，但基本位置不變，沒有大規(guī)模的水平運(yùn)動。但柯彭的勸告反而激勵魏格納積極投身到陌生的地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域。自1911年起，他廣泛收集資料，對各大洲之間的聯(lián)系進(jìn)行考察與追索，尋找大陸漂移的證據(jù)。

1912年1月，在法蘭克福的地質(zhì)學(xué)年會上，魏格納在報告中提出了大陸漂移說：在古生代的地球表面，只有一個大陸，叫泛大陸，在它周圍是泛大洋，自2.25億年前中生代以來，在太陽月亮的引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，泛大陸分成幾塊，并做水平運(yùn)動，形成了今天的海陸地貌。對魏格納的“活動論”新假說，有人贊成，但更多人懷疑和反對。

魏格納為了給大陸漂移說提供更充分的證據(jù)，在1912—1913年，第二次橫跨格陵蘭島去探險，并在理論上做更深入的思考。

1915年，魏格納出版了《海陸的起源》一書，綜合了地貌學(xué)、地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)和古氣象學(xué)的知識和事實，系統(tǒng)論述了大陸漂移說，形成了比較完整的理論體系。

在書中他列舉了地質(zhì)學(xué)的證據(jù)。如格陵蘭島與歐洲大陸之間的距離在逐漸加大。又如南美和非洲兩塊大陸在地質(zhì)構(gòu)造上有一致性：在非洲南部有自東向西延伸的二疊紀(jì)山系——茲瓦特山，相對應(yīng)的南美洲布宜諾斯艾利斯以南的地段也分布著一條山系，它們的構(gòu)造和巖層都非常相似。這說明這兩塊大陸曾經(jīng)是一塊大陸，后來才漂移分開。

魏格納論述較多的是古氣候方面的證據(jù)。廣泛分布于南美、非洲、印度和澳大利亞大陸的石炭、二疊紀(jì)古冰川遺跡，說明這幾塊陸地原是連在一起的，它們以南非為中心位于極地和寒冷地帶。在石炭、二疊紀(jì)地質(zhì)史上，地球正處于寒冷時期，在這里形成了一個廣布的冰蓋。后來這塊大陸分崩離析成幾塊，各自向四面漂移，在其地層中就留下了古冰川的遺跡。

《海陸的起源》震驚了整個地質(zhì)學(xué)界，從根本上沖擊了長期以來人們對于地表海陸分布與起源的認(rèn)識，在學(xué)術(shù)界引起了軒然大波。一些明智的學(xué)者洞察到了它的意義，認(rèn)為大陸漂移說一經(jīng)證實，將引起思想上的革命。

然而持傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)觀點的學(xué)者表示反對，他們認(rèn)為，魏格納采用的方法是不科學(xué)的，他只選取了那些與自己觀點一致的論據(jù)，而忽略了相對立的事實。一些地球物理學(xué)家認(rèn)為，魏格納提出的促使大陸漂移的原動力沒有說服力，無論是地球自轉(zhuǎn)所引起的離心力，還是太陽和月球的吸引力，都不足以推動大陸漂移。魏格納本人也承認(rèn)在這方面存在很大困難。

大陸漂移說的支持者和反對者展開了長期的激烈爭論。1926年在紐約舉行的一次美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會的年會上，出席會議的14人中，有5人支持大陸漂移說，2人保留地支持，7人反對，兩派打了個平手。

魏格納不折不撓地堅持自己的信念，他一再修改原著，進(jìn)行再版。1930年，他第三次踏上格陵蘭島進(jìn)行探測。是年9月，他不顧暴風(fēng)雪的襲擊，冒著零下65℃的嚴(yán)寒，由海岸基地向中部的愛斯密特基地艱難跋涉100多英里，不少追隨者在險惡環(huán)境下紛紛退縮。在中部基地逗留不久，他在10月30日頂風(fēng)冒雪返回海岸基地，卻不料過度疲憊誘發(fā)心力衰竭，于11月2日去世，時年50周歲，他為自己的學(xué)說獻(xiàn)出了寶貴的生命。

魏格納的學(xué)說在以后一段時間里銷聲匿跡。但他的“活動論”新思想的火種并沒有熄滅，20世紀(jì)50年代，古地磁學(xué)等地球物理學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)以及海洋底部研究的新進(jìn)展，促使沉寂多時的大陸漂移說開始復(fù)蘇。1961年提出的海底擴(kuò)張說，解決了大陸漂移說最令人困惑的原動力問題。地質(zhì)學(xué)家繼大陸漂移說、海底擴(kuò)張說之后，又提出了“板塊構(gòu)造說”，從此“活動論”思想成為地學(xué)界的主宰，掀起了轟轟烈烈的地學(xué)革命。

愛因斯坦百折不撓構(gòu)建統(tǒng)一場論

1916年，愛因斯坦（1879—1955）創(chuàng)立了廣義相對論。在這以后，他致力于統(tǒng)一場論的研究。他認(rèn)為，建立統(tǒng)一場論是發(fā)展相對論，特別廣義相對論的必然要求。在廣義相對論創(chuàng)立之后，人們熟知的電磁場和引力場仍然統(tǒng)一不起來，既然廣義相對論用黎曼幾何描述引力場取得了驚人成就，那就一定能用一種新的幾何把引力場和電磁場統(tǒng)一成一個整體。如果能做到的話，這將是巨大進(jìn)步。愛因斯坦充滿了堅定信念，以致在后來把統(tǒng)一場論看成是繼狹義相對論、廣義相對論之后發(fā)展的第三階段。

在愛因斯坦以前，就已經(jīng)有人開始了建立統(tǒng)一場論的嘗試。1923年前后，愛因斯坦對已有的統(tǒng)一場論的種種方案作了通盤考慮以后，認(rèn)為英國天文學(xué)家愛丁頓的方案是可取的。愛丁頓的想法是在數(shù)學(xué)上把“場物理學(xué)”建立在仿射關(guān)系的理論之上，愛因斯坦想在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立起統(tǒng)一場論。但在1925年以后，愛因斯坦覺得愛丁頓的方案在物理學(xué)上給不出更多的新東西，于是尋找另一條“有較好的物理學(xué)根據(jù)”的出路。經(jīng)過幾年的努力之后，他在1929年發(fā)表了“關(guān)于統(tǒng)一場論”的新論文，他曾經(jīng)以興奮的心情告訴朋友說“大功告成了”，但事實上情況并沒有他想象的那樣樂觀，這一理論遇到了很大的麻煩。

以后愛因斯坦又致力于推廣卡魯查的理論。卡魯查不是建立非黎曼幾何，而是把黎曼幾何從4維增加到5維。愛因斯坦認(rèn)為卡魯查的理論接近實在，專門寫了文章評價這個理論。但卡魯查的理論有困難，他增加的第5維沒有物理意義，愛因斯坦想克服其困難加以推廣。自1931年至1941年，愛因斯坦和他的合作者在這方面做了多次努力，但都未能取得成功。

在推廣卡魯查的理論的同時，愛因斯坦也嘗試著向新的方向突破。他認(rèn)為卡魯查的理論沒有考慮物質(zhì)，因此需要面對“關(guān)于物質(zhì)的場論”來表達(dá)這一問題。1936年，他與羅森一起提出了一個不帶奇點解的場方程。他們認(rèn)為這可能得到一個物質(zhì)及其相互作用的統(tǒng)一場論，并且可以不用附加的假說，然而這一理論所面臨的數(shù)學(xué)上的困難卻無法解決。

愛因斯坦

溫伯格

薩拉姆

格拉肖

到了20世紀(jì)40年代初，愛因斯坦近20年的探索全部失敗，但他沒有灰心，仍進(jìn)行新的嘗試。1945年他發(fā)表了題為“相對論性引力論的一種推廣”的論文。一年后他指出，這嘗試在邏輯上是令人滿意的，但又存在著物理檢驗上的困難。1948年以后，他又連續(xù)發(fā)表了有關(guān)“廣義引力論”的文章，然而正如他自己在1952年坦率承認(rèn)的那樣：“到目前為止，我的努力尚未成功。也沒有任何別的人獲得成功……所有這種情況，原因在于數(shù)學(xué)問題的復(fù)雜性?！?愛因斯坦一次又一次地奮起，一次又一次地失敗，到1954年，他致力于探索統(tǒng)一場論已有30年之久。他寫了最后一篇關(guān)于統(tǒng)一場論的論文“非對稱場的相對性理論”作為《相對論的意義》一書第5版的“附錄二”公布于世。由于這個統(tǒng)一場論模型中的場方程無法求解，愛因斯坦帶著終生的遺憾在1955年離開了人世。

愛因斯坦的預(yù)言在今天已經(jīng)開始得到證實。在20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家溫伯格和英國物理學(xué)家薩拉姆獨自提出了電磁作用和弱作用統(tǒng)一的量子場理論，美國物理學(xué)家格拉肖又把他們的理論推廣到所有的基本粒子。這個理論預(yù)言了一種弱相互作用，即所謂的中性流作用，1973年，在中微子實驗中發(fā)現(xiàn)了這種相互作用。溫伯格、薩拉姆和格拉肖提出的弱電統(tǒng)一理論引起了轟動。他們?nèi)艘驅(qū)玖Ｗ又g弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論的貢獻(xiàn)，尤其是對弱中性流的預(yù)言，獲得1979年的諾貝爾物理學(xué)獎。

科學(xué)探究需要久久為功的精神

在科學(xué)史上，許多科學(xué)家堅持久久為功的科學(xué)探索。布拉德雷對恒星進(jìn)行仔細(xì)觀測20多年，發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)軸有微小的周期性擺動（章動）；牛頓受蘋果掉地的啟發(fā)思考引力問題，經(jīng)歷了近20年，建立萬有引力定律；法拉第花了整整10年時間，經(jīng)過無數(shù)次的實驗，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)；居里夫婦經(jīng)過3年9個月提煉數(shù)噸瀝青殘渣，才分離出微量（一分克）的氯化鐳，證實了放射性元素鐳的存在……

科學(xué)探索需要久久為功的精神?？茖W(xué)家探索自然界的奧秘，要找到自然現(xiàn)象的真相、本質(zhì)和規(guī)律，然而自然界不輕易泄露自己的奧秘，只有持之以恒，鍥而不舍，經(jīng)過長期的努力，方能洞察自然界的奧秘。有許多奧秘，不是一代人，而是好幾代人經(jīng)過努力才能探究到。

探索自然界的奧秘，沒有現(xiàn)成的道路可走，科學(xué)是在不斷的摸索中艱難前進(jìn)的，走錯路，走彎路是經(jīng)常的事情，科學(xué)研究中的重大成就，都是需要經(jīng)過幾十次、幾百次，甚至上千次上萬次的失敗，才能取得的。對一個科學(xué)家來說，失敗是經(jīng)常的，而成功只是少量的，失敗的教訓(xùn)是要比成功的經(jīng)驗豐富得多，他必須經(jīng)得起失敗和挫折的考驗，具有百折不撓的韌勁。

古希臘哲學(xué)家柏拉圖說：“耐心是一切聰明才智的基礎(chǔ)。”居里夫人說：“一個人只有堅持不懈地追求，他才能達(dá)到目的?！蔽覈臄?shù)學(xué)家華羅庚教導(dǎo)青年學(xué)者說，科學(xué)研究的過程，是曲折上升的過程，青年人不要光看到知名科學(xué)家取得的成就，更要知道他們?nèi)〉贸删透冻龅钠D辛勞動和經(jīng)歷的失敗。青年人在科學(xué)研究工作中，切忌圖僥幸。任何科學(xué)研究成果都不是偶然出現(xiàn)的?？茖W(xué)上的發(fā)現(xiàn)如果有什么偶然機(jī)遇的話，那么這種“偶然機(jī)遇”只能給那些學(xué)有素養(yǎng)的人，給那些善于獨立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人，而不會給懶漢。