借助“他山之石”獲得的重大科學(xué)成就

陳敬全

牛頓

經(jīng)典著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

牛頓“站在巨人的肩膀上”發(fā)現(xiàn)萬有引力定律

相傳，1665年，牛頓為躲開瘟疫，離開劍橋避居鄉(xiāng)間。一天，他坐在蘋果樹下，一只熟透了的蘋果從樹上掉落下來，引起了他的注意。牛頓從蘋果落地想到了“月亮為什么不落地？”他猜想，使蘋果落地的重力，在最高的山峰之巔仍可觀察到，這會不會延伸到月球并影響到這個天體，并使之維持在軌道上。

牛頓以伽利略對平拋運動的研究為基礎(chǔ)提出，月球和其他行星的軌道運動與拋射體的運動相似，或者是后者的一種極限情形。就像一塊被拋射出去的石頭由于其自身重量而偏離直線，在空中劃出一條曲線，石塊沿這條彎曲路徑運動最后落到地面。拋射的初速度越大，石塊落地之前行經(jīng)的路程就越遠(yuǎn)，如初速度足夠大，石塊就繞地球運轉(zhuǎn)了。

牛頓根據(jù)惠更斯的圓周運動公式和開普勒的行星運動第三定律，推出月亮的向心加速度與它離地心距離的平方成反比，這也適用在地球吸引作用之下的蘋果的加速度。他由此估計，蘋果到地心的距離是月球到地心距離的1/60，于是月球所受的引力大概也是蘋果所受引力的1/602。由月球的運行速度和月地距離可以求得月球的向心加速度，對這一加速度與蘋果所表現(xiàn)出來的重力加速度進(jìn)行檢驗（月地檢驗），如果后者確為602倍，那么原先的猜想成立。

牛頓在當(dāng)時沒能完成月地檢驗。他缺乏地球半徑的精確資料，根據(jù)粗略估計得到的地球半徑值，算得的蘋果加速度比實測值小20%左右。另一個原因是他尚未證明，對有一定質(zhì)量的球的引力作用可看作質(zhì)量集中于該球球心的作用，這是檢驗的先決條件。另外牛頓所用的是圓軌道，而在開普勒定律中用的是橢圓軌道，這一替換是不合適的。

1677年，牛頓又回到了引力問題的研究上，專門探討了平方反比定律。1680年，他證明了，在平方反比定律的力的作用下，質(zhì)點的軌道是一個以吸引體為一個焦點的橢圓，反過來，質(zhì)點圍繞處在一個焦點的力的中心做橢圓軌道運動，必然遵循力的平方反比定律。1685年，牛頓應(yīng)用自己建立的流數(shù)術(shù)（微積分）證明了，在考慮地球在吸引一個外部物體時可以把物體的全部質(zhì)量都集中在其質(zhì)心上。他又用最新測量地球所得到的數(shù)值，算得月球離開直線路徑向地球墜落的速度為每秒0.004 4英尺（1英尺約合30.5厘米），而在地面上的物體的墜落的速度為每秒3 600 × 0.004 4英尺，即每秒約16英尺，這與觀察事實相符合，月-地檢驗最終完成，平方反比定律得到了圓滿的證明。

牛頓認(rèn)為有充分的理由把太陽系中的各個天體都看成質(zhì)點，天體間引力的結(jié)果可以推廣到宇宙間的一切物體上去，這一普遍存在的力就是萬有引力。1687年，牛頓把他的研究成果寫成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書出版。牛頓把天體的運動和地面上物體的運動規(guī)律統(tǒng)一了起來。引力既然存在于宇宙間一切物質(zhì)之間，那古希臘學(xué)者亞里士多德把運動分為“月上”“月下”就是一種人為的劃分。牛頓排除了千百年來人們在認(rèn)識自然現(xiàn)象方面的先入之見，實現(xiàn)了科學(xué)史上第一次大綜合。

蘋果落地或重物落地的自然現(xiàn)象許多人司空見慣，為什么只有牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律呢？牛頓敢于想一般人未曾經(jīng)想過的“月亮為什么不落地？”的問題，邁出了關(guān)鍵的一步。為解決這一問題，他接過了伽利略、開普勒、惠更斯等前人的研究成果，他自己說“站在巨人的肩膀上看得更遠(yuǎn)”。他具有鍥而不舍的執(zhí)著精神，對引力問題做了長期的艱深思考，敢于突破權(quán)威人士長期設(shè)置的認(rèn)識方面的禁區(qū)，經(jīng)過嚴(yán)密謹(jǐn)慎的推理和應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)方法，最終做出了劃時代的貢獻(xiàn)。

查德威克

盧瑟福

約里奧?居里夫婦

查德威克深入探究被人忽略的實驗發(fā)現(xiàn)中子

1935年，英國物理學(xué)家查德威克因發(fā)現(xiàn)新的基本粒子——中子——獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。消息傳到法國，著名物理學(xué)家居里夫人的女婿約里奧?居里悔恨得用拳頭連連砸自己的腦袋，連聲說：“我這么笨，我這么笨！”

約里奧?居里為什么如此怨恨自己？話要從幾年前說起。1928年，德國物理學(xué)家玻特用釙發(fā)射的α粒子轟擊鈹，發(fā)現(xiàn)鈹發(fā)射出穿透能力極強的中性射線，他沒能解釋這種射線是什么。約里奧?居里夫婦重復(fù)了玻特的實驗，發(fā)現(xiàn)這一中性射線能量極高，打到石蠟板上，甚至可以打出質(zhì)子來，表明其能量高達(dá)5千萬電子伏。約里奧?居里夫婦和其他人認(rèn)為這中性射線是γ射線。十分遺憾的是，他們沒能做進(jìn)一步更深入的考慮，其實γ射線是不可能達(dá)到這么高的能量的。另外這一射線的能量是會變化的，而的γ射線的能量是不會變的。

1932年1月，約里奧?居里夫婦通報了他們的實驗。在卡文迪許實驗室工作的查德威克得知鈹輻射具有驚人的特性后，馬上開始了實驗。他測得石蠟放出的質(zhì)子具有5.7×109電子伏的能量。根據(jù)碰撞的能量和動量關(guān)系，γ射線由光子組成，不具有靜質(zhì)量，不可能使碰出的質(zhì)子具有如此高的能量。他相信鈹輻射的不是γ射線，而是質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量相當(dāng)?shù)牧Ｗ印Ｋ迷剖掖致缘厍蟮眠@種粒子質(zhì)量，之后又根據(jù)質(zhì)譜儀器測得的數(shù)據(jù)精確地算出它的質(zhì)量，與質(zhì)子質(zhì)量幾乎相等，他把這種粒子稱為中子，并對中子的性質(zhì)進(jìn)行了詳盡的分析。

查德威克寫了題為《中子可能存在》的信給英國《自然》雜志，信中說“如果我們假設(shè)這種放射性物質(zhì)是由質(zhì)量為1，電荷為0的粒子，即由中子組成，那么一切問題就可以迎刃而解了”。稍后他又在《英國皇家學(xué)會通報》上發(fā)表了題為《中子的存在》一文，詳細(xì)報告了自己實驗結(jié)果和理論分析。他的發(fā)現(xiàn)很快就得到了學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。

查德威克能發(fā)現(xiàn)中子并非偶然。他有充分的思想準(zhǔn)備。他的導(dǎo)師、著名的物理學(xué)家盧瑟福早在1920年的一次會議上就預(yù)測在核里很有可能存在一個中性的粒子。他依據(jù)氮蛻變成氫的實驗事實，判定質(zhì)子（氫核）是氮核、也是各種元素的核的組成部分之后，認(rèn)識到元素的質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)之間存在矛盾，勢必要假設(shè)在原子核內(nèi)有電子，而電子只有與質(zhì)子結(jié)合，才有可能在原子核中長期呆下去。

查德威克為尋找中子付出了艱苦的努力。自1923年起，他在盧瑟福的指導(dǎo)下，嘗試從大質(zhì)量的氫化材料中檢測γ輻射的發(fā)射、一些稀有氣體和任何一種到手的稀有元素，以發(fā)現(xiàn)形成中子和發(fā)射中子的信號，還設(shè)想在強電場中用快速質(zhì)子打入原子序數(shù)大的原子，以檢驗中子的存在，受實驗條件的限制，其設(shè)想未能實現(xiàn)。約里奧?居里夫婦的實驗，恰好為他提供了契機，他從中得到了啟示，十分幸運地找到了突破口。

約里奧?居里在反省錯過發(fā)現(xiàn)中子的難逢機會時這樣說：“中子這個詞早就由盧瑟福這位天才在1920年的一次會議上用來指一個假設(shè)的中性粒子，這個粒子和質(zhì)子一起組成了原子核。大多數(shù)物理學(xué)家包括我自己在內(nèi)，沒有注意到這個假說，但是它一直存在于查德威克工作的卡文迪許實驗室的氛圍里，因此最終在那里發(fā)現(xiàn)了中子。”約里奧?居里夫婦并沒有因此一蹶不振，他們因?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的人工放射性獲得了1935年諾貝爾化學(xué)獎。

勞倫斯借鑒新的設(shè)計思想研制回旋加速器

1919年，盧瑟福用天然放射源放射出的粒子去轟擊氮核，得到了質(zhì)量數(shù)為17的氧核，第一次實現(xiàn)了人工核反應(yīng)。1928年，美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫提出以質(zhì)子來實現(xiàn)人工核反應(yīng)。質(zhì)子的獲得要比天然產(chǎn)生的粒子容易，但由氫原子電離得到的質(zhì)子的能量較小，必須通過電場或磁場進(jìn)行加速，使質(zhì)子得到足夠大的能量。人們開始了設(shè)計“粒子加速器”的嘗試。

英國物理學(xué)家麥克羅夫特在1929年制成了第一臺實用的加速器。在加速管內(nèi)設(shè)有金屬圈，金屬圈同高壓發(fā)生器的不同負(fù)壓相連接，使質(zhì)子從上到下速度不斷增大。這臺靜電加速器能產(chǎn)生80萬伏的脈沖高壓，質(zhì)子具有較高的能量，可以觸發(fā)核反應(yīng)。1932年，他們利用加速后的質(zhì)子使鋰-7原子核發(fā)生了分裂，實現(xiàn)了人工轟擊粒子引起的核反應(yīng)。

靜電加速器工作的時候主要靠高電壓，可是電壓越高，對絕緣的要求也就越高，要進(jìn)一步提高質(zhì)子的速度很困難。

美國物理學(xué)家勞倫斯提出了新的設(shè)計思想來解決這一難題。1929年初的一天晚上，他到大學(xué)圖書館翻閱當(dāng)月的期刊，在德文《電氣工程學(xué)》雜志上看到了維德羅寫的一篇關(guān)于多次加速正離子的文章。從文中的示意圖和照片來判斷，作者解決問題的方法，是把高頻振蕩電壓加到一連串的圓筒形電極上來加速正離子。勞倫斯立刻意識到，這正是自己長期尋找的加速正離子的技術(shù)問題的答案！

勞倫斯

維德羅多次加速離子的直線加速器示意圖

勞倫斯回旋加速器示意圖

勞倫斯設(shè)計出了新型的加速器——回旋加速器。加速器采用了適當(dāng)?shù)拇艌鲅b置，用了兩個電極，它的工作原理并不復(fù)雜：兩個金屬D形盒置于真空室中，兩盒之間施以高頻電壓，離子源處于兩D形盒的中心，均勻磁場垂直加于盒的平面。由于盒內(nèi)無電場，離子在盒內(nèi)空間受洛倫茲力作勻速圓周運動，只有在兩盒間的空隙才受電場作用。如果電場方向的改變恰好與離子運動的周期合拍，就有可能在每次通過間隙時加速。隨著速度的增加，離子作圓周運動的半徑也將逐步增大，最后從窗口逸出。

1930年春，他和他的學(xué)生制作了結(jié)構(gòu)簡單的微型回旋加速器，用不到l千伏的電壓，使質(zhì)子加速到8萬電子伏，這表明回旋加速器是可以工作的。1932年，勞倫斯又制成了22.86厘米（磁極直徑）和27.94厘米的同類儀器，可把質(zhì)子加速到1.25兆電子伏。他用27.94厘米的回旋加速器很輕易地實現(xiàn)鋰-7原子核的分裂，顯示出了回旋加速器具有的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。

勞倫斯并不滿足于加速器對輕核實現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變，決心要實現(xiàn)重核轉(zhuǎn)變。1936年，他制成了91.44厘米的加速器，粒子能量達(dá)到6兆電子伏，并且產(chǎn)生出第一個人造元素——锝。回旋加速器在應(yīng)用方面取得了重要進(jìn)展。利用它陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種放射性同位素，并可以大量生產(chǎn)。每天生產(chǎn)的放射性鈉的輻射強度相當(dāng)于200毫克鐳，醫(yī)生、生物化學(xué)家、農(nóng)業(yè)專家和工程師們將此應(yīng)用到各自的研究領(lǐng)域之中。

勞倫斯由于發(fā)明了回旋加速器并在人工核反應(yīng)方面取得卓越成就，榮獲1939年諾貝爾物理學(xué)獎。有人認(rèn)為，勞倫斯似有神助——他是在無意之中看到了示意圖和照片，萌生了新的加速器的設(shè)計思想的。事實上，勞倫斯有充分的知識儲備。他在明尼蘇達(dá)大學(xué)當(dāng)研究生時，深人學(xué)習(xí)電磁理論，研究了電離現(xiàn)象，測量金屬蒸氣的電離電位。他之后到芝加哥大學(xué)，在著名物理學(xué)家康普頓的指導(dǎo)下進(jìn)行X射線的實驗研究，康普頓稱贊他“有非凡的天賦，能想出高招，使一些看來解決不了的問題迎刃而解”。

勞倫斯為克服靜電加速器的局限性進(jìn)行了深入的思考，努力尋找產(chǎn)生高能量粒子的各種方法和途徑。充分的知識儲備和緊張的思考，使得勞倫斯有思想準(zhǔn)備，維德羅解決問題的方法觸發(fā)了他的靈感，他帶領(lǐng)團(tuán)隊經(jīng)過數(shù)年艱巨的努力使自己的設(shè)計思想得以實現(xiàn)。勞倫斯對給他工作啟示的前人充滿了感激之情，他得知維德羅的方法來自艾新教授，在諾貝爾獎授獎大會上他特意提到了“艾新教授在1924年就發(fā)表了這個重要的原理，數(shù)年后，我才知道了他的這項重要的貢獻(xiàn)，我想借此對他的工作表示敬佩，他是多次加速方法真正的開創(chuàng)者”。

科學(xué)研究要善于從他人的工作得到啟示

科學(xué)的發(fā)展具有很強的歷史繼承性，科學(xué)問題的提出，科學(xué)問題的解決，都必須對歷史有全面的了解，了解前人已提出的問題，前人為解決問題所做的工作，解決問題的方法，他們解決了哪些問題，還有哪些問題沒解決，從中得到啟發(fā)，找到新的進(jìn)步的起點，“百尺竿頭，更進(jìn)一步”，不斷攀登新的高峰，取得新的成就。

要從他人的工作中得到啟發(fā)，必須對所研究的問題有濃厚的興趣，有充分的知識儲備和深入的思考，“心有靈犀一點通”，從他人的工作中捕捉線索，觸發(fā)靈感，取得突破。要善于進(jìn)行廣泛的學(xué)術(shù)交流，加強學(xué)術(shù)協(xié)作，及時從科學(xué)共同體中獲取有價值的信息，得到有益的啟示。要關(guān)注不同學(xué)科的交叉點和邊緣處，在這些科學(xué)發(fā)展的新的處女地，不同的學(xué)科思想互相交流、發(fā)生碰撞，會不時撞擊出智慧的火花，啟迪人們獲得新的發(fā)展方向和突破口。

許多有成就的科學(xué)家對于前人辛勤的勞動、開創(chuàng)性的工作和給出的啟示表示深切的感激之情，表現(xiàn)了謙虛的美德和高尚的品質(zhì)。他們具有寬廣的胸懷，把自己的工作看成是對前人工作的繼承，也甘愿為后來人提供自己的經(jīng)驗和教訓(xùn)。正如盧瑟福指出的：“科學(xué)家不是依賴于個人的思想，而是綜合了幾千人的智慧，所有的人想同一個問題，并且每個人做他那部分工作，添加到正在建立起來的偉大知識大廈之中。”他們樂意成為一塊塊磚石，為后人建成更雄偉的知識大廈奠基。