在科學(xué)的入口處

內(nèi)容概要

　　《在科學(xué)的入口處：30位物理學(xué)家的貢獻》將帶你來到20世紀(jì)科學(xué)的入口處，在這里回望20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的歷史，了解你想知道的20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的一切。馬克思說：“在科學(xué)的入口處，正像在地獄的入口處一樣，必須提出這樣的要求：‘這里必須根絕一切猶豫；這里任何怯懦都無濟于事?！?1900年，普朗克提出“能量子”概念，具有劃時代的意義。小小的“ 能量子”的誕生，拉開了20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的序幕；愛因斯坦提出的相對論，引發(fā)關(guān)于物質(zhì)、時空與能量的革命，它把物理學(xué)擴展到高速運動的領(lǐng)域，極大地推動了人類文明的進程…… 在20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的歷史長河里，涌現(xiàn)出30個作出了重大貢獻的科學(xué)家或科學(xué)家群體。他們發(fā)現(xiàn)了鬼魅般的粒子，發(fā)明了電子顯微鏡以及克敵制勝的法寶——雷達……

作者簡介

　　王士平，男，漢族，1949年7月出生，首都師范大學(xué)物理系自然科學(xué)史研究室教授。主要從事物理學(xué)史、中國近代科學(xué)史等方面的研究。現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)史學(xué)會常務(wù)理事兼物理學(xué)史專業(yè)委員會主任，中國物理學(xué)會教學(xué)委員會委員。著有《二十世紀(jì)的科學(xué)》、《當(dāng)代物理學(xué)進展》、《科學(xué)的爭論》、《近代物理學(xué)史》（中國物理學(xué)史大系）等著作和科普讀物。

書籍目錄

1 世紀(jì)的序幕——量子誕生記2 1905——創(chuàng)造奇跡的一年3 原子核的發(fā)現(xiàn)4 玻爾的原子模型5 奇妙的光線彎曲6 量子力學(xué)的建立7 中子的發(fā)現(xiàn)8 鬼魅般的粒子9 正電子的發(fā)現(xiàn)10 冗介子11 反粒子的發(fā)現(xiàn)12 夸克——宇宙的磚塊13 新型的中微子14 尋找新的夸克15 對稱的破缺16 來自宇宙的射線17 云霧的啟示18 加速粒子的機器19 從X射線到CT20 天然放射性與人工放射性的發(fā)現(xiàn)21 電子的傳奇22 馴服電子的發(fā)明23 無線電廣播的誕生24 致勝的法寶——雷達25 核磁共振26 核裂變的發(fā)現(xiàn)27 從“脈塞”到激光28 光纖技術(shù)29 電子顯微鏡30 奇妙的超導(dǎo)體

章節(jié)摘錄

　　1　世紀(jì)的序幕——量子誕生記　　1800年，英籍德國科學(xué)家威廉·赫歇耳觀察陽光熱效應(yīng)時，偶然發(fā)現(xiàn)了紅外輻射。第二年，另一位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了紫外輻射。1859年，德國物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度下，物體的輻射本領(lǐng)與物體吸收熱輻射的本領(lǐng)之間存在一個比值，這個比值與物體性質(zhì)無關(guān)。1860年，基爾霍夫又引人了“絕對黑體”的概念。這種物體幾乎是只吸收、不輻射。這樣，研究理想的“絕對黑體”就成為物理學(xué)家解決熱輻射問題面臨的關(guān)鍵了，而基爾霍夫的研究成果可謂具有劃時代意義。　　黑體輻射研究遭遇“紫外災(zāi)難”　　19世紀(jì)下半葉，鋼鐵工業(yè)和化學(xué)工業(yè)正處于大發(fā)展時期，急需高溫測量等方面的技術(shù)和光度計、輻射計等設(shè)備。為此要對輻射問題進行深入的研究。在研究輻射問題時，需要制定一個標(biāo)準(zhǔn)，而黑色物體對熱輻射吸收得多、反射得少，因此容易加熱到較高的溫度。可是要將黑色物體作為一個輻射標(biāo)準(zhǔn)，還要對它進行改進。為此德國科學(xué)家威廉·維恩等人建議用一個空腔作輻射實驗?！　〗Y(jié)識鏈接　　“黑體”結(jié)構(gòu)是這樣的，在空腔內(nèi)壁裝上一條條肋狀隔墻，整個內(nèi)部都用煤黑涂一遍。整個空腔只留一個小孔讓光線進入，而且一旦進入就無法出來。因此這是一個非常理想的“黑體”。　　維恩一生最重要的貢獻是在輻射研究上，他利用上好的“黑體”進行實驗，發(fā)現(xiàn)了一個以他名字命名的定律，在推導(dǎo)一般的輻射公式時，還發(fā)現(xiàn)了舊理論的缺陷。由于維恩定律的建立使維恩獲得了1911年的諾貝爾物理學(xué)獎?！　≡诤隗w輻射的研究中，德國物理學(xué)家維恩做出了很大的貢獻，他不但與同事一起提出空腔的結(jié)構(gòu)，而且對實驗的數(shù)據(jù)進行了合理處理，得到了一個公式。但將公式同實驗數(shù)據(jù)的曲線比較時，他發(fā)現(xiàn)它只部分符合曲線，即只在短波的部分相符合。此后，英國物理學(xué)家瑞利也注意到黑體輻射問題。看到維恩的文章后，瑞利試圖找到一條新的定律來消除維恩輻射定律與實驗之間的偏離。經(jīng)過縝密的推導(dǎo)，他得到了一個公式。同樣，在與實驗數(shù)據(jù)的曲線對比時，也只是部分地符合實驗曲線，即在長波的部分相符。但在短波部分嚴(yán)重不符，這時輻射的能量達到無窮大的程度，這是十分荒謬的。由于短波區(qū)是紫外線區(qū)域，因此瑞利公式的問題也被稱作“紫外災(zāi)難”?！　≈R鏈接　　瑞利，英國著名的物理學(xué)家，在光學(xué)上的造詣很深，曾解釋過著名問題——天空為什么是藍色的。在測量氣體密度時發(fā)現(xiàn)了惰性元素“氬”，因此獲得了1904年度的諾貝爾物理學(xué)獎?！　木S恩的研究和瑞利的推導(dǎo)來看，他們得出的數(shù)據(jù)只是部分地符合實驗曲線，但兩個公式的沖突也是明顯的。也許正是這沖突引起了人們的注意，一位德國物理學(xué)家這樣評價維恩：“他的不朽業(yè)績在于引導(dǎo)我們找到了量子物理學(xué)的大門?！薄　　捌礈悺背龅墓健　‘?dāng)人們正在大門口徘徊時，打開這扇大門還不是一件易事，因為開門的“咒語”誰也不知道。這時德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克卻為陷入困境的黑體輻射研究找到了一條出路。他好像是在什么地方“偷聽”到“芝麻開門”的咒語?！　≈R鏈接　　普朗克，德國物理學(xué)家。上大學(xué)時，普朗克從慕尼黑轉(zhuǎn)到了柏林。在這里，他受到了一些名師的指導(dǎo)。他的主要研究工作是在熱力學(xué)，以及在熱力學(xué)理論基礎(chǔ)上建立的化學(xué)平衡理論。到20世紀(jì)30年代，普朗克在科學(xué)界的聲望僅次于愛因斯坦，當(dāng)時的威廉皇帝科學(xué)學(xué)會也更名為馬克斯·普朗克科學(xué)學(xué)會，由普朗克本人任主席?！　∠穸鄶?shù)研究者一樣，人們從維思和瑞利的公式中無法找到錯誤，普朗克也是如此，但這兩個公式都與實驗數(shù)據(jù)有較大的偏差。為此，普朗克不放棄進行新的嘗試。特別是在1899年底，他得知，維恩的定律只是在短波段內(nèi)與實驗數(shù)據(jù)相符，而在長波范圍內(nèi)則有明顯的偏離。這說明維恩定律需要進一步的修改?！　?900年10月，普朗克嘗試用“內(nèi)插法”去尋求新的輻射公式，試圖使其在長波部分符合瑞利公式，在短波部分符合維恩公式，并于當(dāng)天就得到了一個新的輻射公式。接著他又突發(fā)奇想，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和反復(fù)推導(dǎo)后積累的經(jīng)驗，他竟然成功地“拼湊”出了一個公式。將實驗數(shù)據(jù)代人公式后，他發(fā)現(xiàn)，維思公式和瑞利公式的困難都不見了。根據(jù)新公式畫出的曲線也與實驗數(shù)據(jù)非常吻合。令人難以置信的是，普朗克“拼湊”的公式竟是如此美妙！　　普朗克很快向德國物理學(xué)會報告了他的公式（后來這個公式就被稱為“普朗克公式”），但公式中所包含的物理意義是什么呢？普朗克是無法回答的。下一步的研究就是為公式提出合理的解釋。　　打開量子的大門　　普朗克以公式為出發(fā)點，找到了與頻率有關(guān)的初始能量，可以寫作：ε=hv。式中的h即為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34焦耳·秒。這就是說，能量變化是按初始能量值（hv）不連續(xù)地累積。這樣，在表示這個能量值時，他提出了一個“無奈”的假設(shè)，即黑體輻射能量是一份一份地向外輻射的。這一份一份的能量就叫做“能量子”，因此，他把這個假設(shè)就叫做“能量子假設(shè)”或“量子假設(shè)”?！　∑绽士说牧孔蛹僭O(shè)是與傳統(tǒng)物理學(xué)的理論相矛盾的。過去人們研究各種熱現(xiàn)象，能量變化都是連續(xù)的，不是一份一份地變化的。如飛瀉的瀑布，水流下來是連續(xù)的，誰也沒有見過一段一段跳躍般地流下。這時，普朗克的心情是很矛盾的。一方面，自己的量子假設(shè)與傳統(tǒng)的物理觀念是那樣的不相容；另一方面，它與實驗數(shù)據(jù)又是符合得那樣好。量子的假設(shè)是不會錯的??！　　有一天，普朗克帶著6歲的兒子到郊外散步，他喃喃自語，如果事實真像他設(shè)想的那樣，那么，他的發(fā)現(xiàn)就會與牛頓的發(fā)現(xiàn)一樣重要。為此，在1900年12月14日的物理學(xué)會會議上，普朗克大膽地宣布了他的量子假設(shè)，借此重新論證了他的輻射公式。普朗克的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，人們就將1900年12月14日作為量子物理學(xué)的誕生日?！　】茖W(xué)家對“量子”的態(tài)度　　由于拋棄了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)變化的舊觀念，“能量子”假說與經(jīng)典物理學(xué)理論格格不入，以至于這一理論當(dāng)時在物理學(xué)界引起的反應(yīng)極為冷淡。人們雖然贊同普朗克所得出的與實驗數(shù)據(jù)相符的“普朗克輻射公式”，但是卻不能接受普朗克提出的量子假說。就連普朗克本人也是這樣的態(tài)度，他雖然提出了能量子，卻也沒能夠立刻理解能量子的含義。他當(dāng)時認為，能量子的存在“純粹是一種形式上的假說”，他對它“沒有想得太多”。絕大多數(shù)物理學(xué)家更是沒有意識到這個小小的“量子”會掀起一場革命?！　〉谝粋€認識到量子概念的重要性，并認真貫徹下去，努力加以發(fā)展，使物理學(xué)家們認識到它的重要性的是年輕的愛因斯坦。1905年，愛因斯坦指出，光的波動說同物理實驗有不符之處，要揭示這一類現(xiàn)象，只能假設(shè)光是由能量子組成的。他把這種能量子稱為“光量子”（后來人們稱“光量子”為“光子”）。　　光量子的提出，受到了幾乎所有老一輩物理學(xué)家的反對。普朗克，這位首先提出量子概念，并且對相對論一開始就表示熱烈支持的人，卻也認為提出“光量子”是愛因斯坦在思辨中迷失了方向。一直到l913年，普朗克對光量子都感到難以容忍。　　在很長時間內(nèi)，普朗克總想回到經(jīng)典理論的立場。他曾在1910年提出一個理論，認為雖然輻射在發(fā)射過程是不連續(xù)的，但吸收過程則是連續(xù)的。1914年他又提出了一個撤銷量子假說的理論，認為在輻射的發(fā)射過程中也應(yīng)假定是連續(xù)發(fā)生的。就在普朗克徘徊不前時，量子理論卻已取得了巨大的進步。雖然普朗克最終放棄了倒退的立場，但正像普朗克本人在回憶錄中所寫的：“企圖使基本作用量子與經(jīng)典理論調(diào)和起來的這種徒勞無益的打算，我持續(xù)了很多年（直到1915年），它使我付出了巨大的精力。我的許多同事認為這近乎是一個悲劇，但是我對此有不同的感覺，因為我由此而獲得的透徹的啟示是更有價值的。我現(xiàn)在知道了這個基本作用量子在物理學(xué)中的地位遠比我最初所想象的要重要得多，并且承認這一點使我清楚地看到在處理原子問題時引入一套全新的分析方法和推理方法的必要性?！薄　∮捎诹孔诱摰慕ξ锢韺W(xué)的發(fā)展所起的重要作用，普朗克獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎?！　垡蛩固箤ζ绽士说陌l(fā)現(xiàn)給予了高度評價。1948年4月普朗克去世，愛因斯坦的悼詞中有這樣的話：“量子的發(fā)現(xiàn)成為20世紀(jì)整個物理研究的基礎(chǔ)，從那個時候起，幾乎完全決定了物理學(xué)的發(fā)展。要是沒有這一發(fā)現(xiàn)，那就不可能建立分子、原子以及支配它們變化的能量過程的有用的理論，而且它還粉碎了古典電動力學(xué)的整個框架，并給科學(xué)提出了一項任務(wù)：為全部物理學(xué)找出一個新的概念基礎(chǔ)?！薄　?900年12月14日，小小的“能量子”的誕生，拉開了20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的序幕?！　?　1905——創(chuàng)造奇跡的一年　　1905年，一位年僅26歲的年輕人，以自己卓越的研究成果創(chuàng)造了物理學(xué)發(fā)展歷史上的奇跡。100年以后，為了紀(jì)念他對世界現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展做出的巨大貢獻，聯(lián)合國教科文組織將2005年定為世界物理年。這位年輕人就是愛因斯坦。　　知識鏈接　　愛因斯坦出生在德國的烏耳姆城。1900年畢業(yè)于蘇黎世瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后曾一度失業(yè)，兩年后才找到固定工作，1901年入瑞士國籍，1902年到伯爾尼瑞士專利局當(dāng)技術(shù)員。其后的幾年內(nèi)，愛因斯坦從一名默默無聞的青年，一躍而為國際上知名的學(xué)者，歐洲各著名大學(xué)爭相禮聘。1912年，愛因斯坦很高興地回到蘇黎世的母校任教，但不久后，在德國科學(xué)界的力邀之下，他前往柏林威廉皇帝研究所進行研究工作。1933年納粹攫取德國政權(quán)后，愛因斯坦受到迫害而不能回國，同年10月他來到美國普林斯頓，在新建的高級研究院擔(dān)任教授，直至1945年退休?！　垡蛩固乖?905年寫下了五篇著名的論文：　　第一篇題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》，討論了光量子及光電效應(yīng)：　　第二篇題為《分子子大小的新測定》，推導(dǎo)出計算分子擴散速度的數(shù)學(xué)公式：　　第三篇題為《關(guān)于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》，提供了分子確實存在的證明：　　第四篇題為《論動體的電動力學(xué)》，提出了著名的狹義相對論理論，拉開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕；　　第五篇題為《物體的慣性是否決定其內(nèi)能》，根據(jù)狹義相對論提出了質(zhì)量與能量可互換的思想。　　光量子和光的波料二象性　　1900年，普朗克提出了“能量子”假說。由于這一假設(shè)不僅拋棄了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)變化的舊觀念，而且也為人們的常識所不容，所以，物理學(xué)界對此的反應(yīng)很冷淡，就連普朗克本人也對自己提出量子假說這一“孤注一擲的行動”而惴惴不安，一有機會就想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場?！　∈紫日J識到量子概念的重要性并對這一理論的發(fā)展起了巨大作用的是年輕的愛因斯坦。1905年3月，愛因斯坦發(fā)表論文，他運用和發(fā)展了普朗克的量子假說，提出了光量子假說，并利用光量子概念圓滿地解釋了光電效應(yīng)。　　愛因斯坦假設(shè)：光是由一粒粒運動著的大量光子組成的粒子流，光的能量集中在光子上，其能量值為ε=hv（其中v為光的頻率，h為普朗克常數(shù)），光的能量不僅在吸收和發(fā)射時是不連續(xù)的，在傳播過程中也是不連續(xù)的；它與物質(zhì)發(fā)生作用時也是以hv為最小單位進行吸收和發(fā)射的。　　作為光量子論的一個推論，愛因斯坦還討論了光電效應(yīng)。關(guān)于光電效應(yīng)，赫茲在1887年觀察到當(dāng)接收電磁波的裝置受到紫外線照射時，很容易發(fā)出電火花。電子被發(fā)現(xiàn)以后，人們知道了這是由于紫外線把電子驅(qū)逐出來而導(dǎo)致的。　　知識鏈接　　1902年，德國實驗物理學(xué)家勒納德用各種頻率的光照射鈉汞合金，發(fā)現(xiàn)了金屬在某些頻率的光的照射下會發(fā)射出電子來，就好像這些電子被光從金屬表面打出來一樣。勒納德發(fā)現(xiàn)；只有頻率高于一定下限的光才能夠從金屬表面打出電子來，被打出來的電子的速度只同光的頻率有關(guān)，同光的強度無關(guān)。勒納德將這個現(xiàn)象稱之為光電效應(yīng)。這種現(xiàn)象，經(jīng)典的電磁理論根本無法解釋?！　垡蛩固褂霉獾牧孔永碚搶Υ私o出了簡明而又完美的解釋。他指出，電子若要脫離金屬表面，需要具備一定的能量，叫“逸出功”。射向金屬表面上的光，實質(zhì)上就是具有能量是ε=hv的光粒子（即光量子）流，當(dāng)它照射到金屬表面時，金屬中的電子由于吸收了光子流中的光子而使自己的能量增加，能量增加值￡=h。如果照射光的頻率v過低，則電子所增加的能量仍然小于其脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離金屬表面，所以就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果照射光的頻率提高到使電子所增加的能量大于逸出功，則電子吸收后就會具有足夠的能量從而脫離開金屬表面。由此他得到光電效應(yīng)方程，這個方程也被稱為光電效應(yīng)的愛因斯坦方程。　　愛因斯坦光量子理論的成功，把100多年前關(guān)于光的本性問題的討論又重新擺到人們面前。光究竟是什么？是一種電磁波動，還是一種粒子？對此，愛因斯坦后來指出：“我認為，在理論物理的下一個階段，將會出現(xiàn)一種關(guān)于光的理論，根據(jù)這種理論，光可以被看作是波動說和粒子說的融合：我們關(guān)于光的本性和光的結(jié)構(gòu)的看法有一個深刻的改變將是不可避免的了?！币簿褪钦f，光是一種將波動與粒子結(jié)合起來的產(chǎn)物。　　在此，愛因斯坦首次提出光的波粒二象性的概念，第一次深刻地揭示出微觀客體的波動性和粒子性的對立統(tǒng)一。他本人則“由于其在理論物理方面的貢獻和發(fā)展了光電效應(yīng)定律”而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎?！　〔祭蔬\動與分子和原子的真實性　　1803年10月l8日，英國化學(xué)家道爾頓在曼徹斯特的會上第一次宣讀了他的關(guān)于原子論及原子量計算的論文，創(chuàng)立了新原子論。1811年，意大利物理學(xué)家阿弗伽德羅提出分子假說。1860年，原子一分子理論才得到人們的認可。但是，關(guān)于原子是否存在的爭論卻一直沒有休止，特別是到了19世紀(jì)末，奧地利物理學(xué)家馬赫和德國物理學(xué)家奧斯特瓦爾德分別對原子一分子理論提出了懷疑和批判，使得關(guān)于原子實在性的爭論進入白熾化程度。最終解決這場爭論，使分子和原子的真實性得到人們普遍認可的工作是通過對布朗運動的研究而完成的。

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