諾貝爾物理獎

威爾遜

英國物理學家湯姆生教授,在卡文迪許研究所從事物理教學和研究時,培養了幾百個世界聞名的科學家,除了他本人和他的兒子外,還有8位學生贏得了科學界的最高榮譽——諾貝爾獎金。查爾斯·T·R·威爾遜就是8個人中的一個。

查爾斯·T·R·威爾遜1869年2月14日生於蘇格蘭南部錫格倫科斯附近。他的父親是一位農民,由於在牧羊業方麵進行的新實驗而在蘇格蘭享有名聲。威爾遜是弟兄八人中最小的一個。

威爾遜從小就頑皮好動,坐不穩、立不安,仿佛永遠也沒有安靜的時刻。因此,他的父母很不喜歡他,認為他做什麼也沒有恒心,將來一定是一個沒有出息、遊手好閑的廢物。這時,恰巧有一位有學問的牧師路過他家,當他了解了威爾遜的表現後,便勸他的父母不必過於焦慮,他說:“那些特別聰明的孩子,在小的時候,由於他的誌向未定而往往顯得出奇的頑皮。他一旦有了自己的興趣和愛好以後,就不會這樣頑皮淘氣下去了。”這一番勸告可救了威爾遜,他的父母決心給他以求學深造的機會。

威爾遜最初曾就讀於曼徹斯特的格林海斯學校,但是直到他15歲進人曼徹斯特的歐文斯學院時,才真正發覺自己對物理有著濃厚的興趣,他下定決心做一名物理學家。1888年他獲得劍橋大學所頒發的獎學金後,就成為這所大學的一名物理係的研究生。研究生畢業接受學位以後,他的哥哥威廉便去世了。從此,家庭生活的重擔落到了他一個人身上。他一方麵需要供養母親,另一方麵又要為自己籌措學費,因此,他就到約克郡的布雷德福中學任教。然後,又到劍橋大學從事實驗工作,以此維持家庭生活和自己的學習費用。1901年,他以優異的成績被錫德克·蘇塞克斯學院選中為研究人員,並被任命為大學的講師和實驗教師。到這時,他的經濟狀況才有所好轉。

威爾遜一生的貢獻很多,但是最主要的是發明了霧室。此事說來話長,那是由他的老師湯姆生的一番談話引起的。有一天湯姆生向威爾遜提起,說他需要一種特別的儀器,這種儀器要能夠顯示出各個電子經由空氣時所走路線的痕跡。威爾遜把老師的話牢牢記在心裏,決心把這一設想變成現實。從此,他一心撲在製造這種儀器的工作上。

為了設計出這種儀器,他經常爬到蘇格蘭最高峰那維斯峰頂上的天文台去觀察和研究雲霧現象,據此於1900年發表了一篇觀察、研究結果的論文,說明空氣中常有一些離子產生。這引起了科學界的重視。此後,他更全力研究空氣的放電現象(特別是在雨雪中的放射性),計算空氣中所放電的電量。

經過長期的鍛煉,威爾遜煉出了一雙特別靈巧的手。他善於做各種實驗。據說,當時的劍橋大學,沒有一個人能做出比他更出色的實驗。所有這些都為他後來發明霧室創造了有利條件。

霧室到底是怎麼一回事呢?它有哪些作用?霧室裏一個具有窗口的盒子,在它的下麵有一個可動的活塞。把飽和水蒸汽的空氣從一邊的窗口引進盒子,當活塞向下移動時,盒子裏的空氣馬上就擴散冷卻下來,使部分蒸汽凝結而形成輕巧的雲霧。就像天上雲裏的水氣碰上灰塵粒子或帶電荷的空氣分子時,容易冷凝成液體一樣,霧室的水蒸汽也有這種現象發生。利用這個原理,人們隻要把一束從外麵電子源射出來的電子流引進盒子裏的另一個窗口,這些電子進入霧室後,就會將空氣分子遊離成離子。當濕氣的小霧滴圍繞在離子的四周時,它們即因電子的行進軌道而伸展成一條狹長的條紋,用肉眼可以看見。如將這薄薄的一層霧所形成的條紋拍攝下來,則電子行經空氣的線路就會在照片上顯示出來。

不隻是電子,其他隻要是能夠遊離氣體的任何一種運動粒子,都可以在霧室裏留下一道痕跡。利用這個原理,人們能夠使那些小得無法直接攝影的粒子都可以看見了。不隻是這些線路,而且那些高速粒子發生碰撞使路徑突然改變的情形,也可通過攝影得知。這種霧室是研究a粒子的一種非常有用的工具。後來發現的正電子和介子,也是通過拍攝它行經霧室的線路而得知其線索的。

經過多年的悉心研究威爾遜終於從水蒸氣凝結在離子上的現象中,發現了一種跟蹤離子軌跡的方法即霧室,從而把幻想變成了現實。1911他親自看到了帶電粒子的軌跡。康普頓效應的理論發表後不久,威爾遜又進行了一係列的雲跡觀察,從實驗上證實了這個理論,從而為愛因斯坦的光子學說提供了實驗依據。1927年他和美國的阿瑟·荷裏·康普頓共同榮獲了諾貝爾物理學獎金。

威爾遜還對空氣電導率進行過深入的研究。1900年,他在使用絕緣良好的驗電器進行實驗時,發現無論是在日光下或在黑暗中,也無論是對正電荷或負電荷進行試驗時,發現總有殘留漏電的現象。這是什麼原因?威爾遜闡述說:“目前進行的實驗,隻是為了試驗無塵空氣中離子的產生,是否由於大氣外某種輻射源的輻射所致?這種射線也許類似倫琴射線或陰極射線,但它具有非常巨大的穿透本領。”這一創造性的假設,終於在1915年為維克托·赫斯所驗證。赫斯把一個驗電器安裝在氣球上,從而發現了空氣的電導率在起初下降之後便隨高度而增加,赫斯據此提出了存在“宇宙輻射”的假設。

威爾遜的一生除了榮獲諾貝爾獎金外,還獲得過許多其他榮譽,譬如,1900年,他被選為英國皇家學會的會員;1911年被授予休斯勳章;1922年被授予皇室勳章;1935年被授予柯普萊勳章。1937年,又由女王指定為勳爵,並在阿伯丁、格拉斯哥、曼徹斯特、利物浦、倫敦和劍橋享有榮譽學位。

威爾遜雖然貢獻頗多,然而為人非常和藹可親,平易近人,從不以學者權威自居。他特別喜歡接近青年,尤其是那些事業心不強的學生。他同他們聊天,參加他們的活動,利用一切可以利用的機會來啟發他們思考,鼓勵他們上進。所以在他那漫長的教書生涯裏,一直得到學生們的衷心愛戴。

理查森

美國夙負盛名的普林斯頓大學久仰理查森對熱離子學有很深的造詣,便於1906年聘請他去從事教學和研究工作。這是理查森生平第一次赴美。校方知道他的船期,屆時派人前往碼頭迎接,船上的旅客都走光了,也沒看見一位教授模樣的英國人,隻好掃興回校。誰知理查森早已抵達學校。因為他看上去一點都不像個教授,倒像個實驗室裏打雜的工人,所以,沒有引起人們的注意。他在普林斯頓達七年之久,幾乎隻去過兩個地方:一個是他的研究所,另一個便是教室。他三度去紐約,三度在紐約市區裏迷路,所以他發誓再也不去那個“迷魂陣”了。

理查森為人樸質,平易近人。青年時期,幾乎一天到晚穿著電機實驗室的工作服。每逢星期天上教堂做禮拜,才穿得整齊些。後來做了大學教授,他上教堂穿的那件唯一的“禮服”,還是他入大學那年,母親送給他的禮物。他很愛惜東西,他的一件衣服能穿十幾年,一點兒都沒有破,隻是顏色褪了,式樣舊了而已。有一次,理查森聽說皇家物理研究院一個工友的老母病重,他就把自已在研究院應得的年俸,都贈給這個人去替老母醫治。

理查森工作認真,勤勤懇懇,很少見他休息。當人們見到他在幽靜的曠野散步的時候,多半是因為學術上遇到什麼疑難問題,一時得不到解答的緣故。

理查森是熱離子學的奠基人之一。他做了大量的實驗,證實在高溫下的物質及受到紫外光作用的金屬都能發出電子。他最先詳細地研究了電子在真空裏從熱體逃逸的現象,並給以完整的說明。同時,他在光致發射方麵的研究也有助於解釋物質與輻射間的相互作用。他還研究了和化學作用有關的電子發射,對於填補紫外線光譜和X射線光譜之間的缺隙也有重要的貢獻。他發現了熱離子學的基本定律——理查森定律,從而獲得了1928年度諾貝爾物理學獎金。

1879年4月26日,理查森出生於英國約克郡的杜斯堡。他是喬舒亞·亨利和夏洛特·瑪麗亞·理查森僅有的一個兒子。

1897年,理查森進入劍橋大學讀書。他在自然科學考試中成績優異,尤以物理和化學最為出色。他在那個學術氣氛上相當濃厚的環境裏潛心攻讀,給以後的事業打下了堅實的基礎。

他從劍橋大學畢業之後,來到卡文迪許實驗室進行熱體電發射的研究工作。他一向對自己從事的研究充滿信心。他曾在劍橋大學講授過電學,那個時候他對熱離子學就有了獨到的見解,可是青年學生前所未聞,對他這些奇特的設想莫名其妙,對於其中的奧秘不感興趣,對他也不太尊重。後來,他授課的時間逐漸減少,別人或以為侮,而他卻安之若素,對於自己的研究毫無鬆懈。他常對摯友表示,學術從萌芽到普及,往往不是在一個人的壽命裏可見分曉的。他舉例說:“當初哥倫布宣稱發現了新大陸,誰信他的見解正確?”

理查森先後被選為美國哲學學會、英國皇家學會的會員。曾任英國倫敦大學物理學教授,擔任過倫敦皇家物理學會主席。他的主要著作有:《物質的電子理論》、《熱體的電發射》、《分子氫及其光譜》,等等。

他一生結過兩次婚,1906年他與利蓮·莫德·威爾遜結婚。她是理查森在劍橋時的同學,著名物理學家H·A·威爾遜的妹妹。他們有兩個兒子和一個女兒。由於妻子在1945年去世,後來他又與物理學家亨利埃特·魯普成婚。

理查森於1959年逝世,終年80歲。

德·布羅格利

路易·維克托·德·布羅格利是世界著名的物理學家。由於創立物質波理論,而榮獲1929年度的諾貝爾物理獎金。

德·布羅格利於1892年出生於第厄普的一個名門之家。他的祖宗是一個小侯國的王族,曆代先輩有的當時是著名武將,曾立赫赫戰功,有的官至內閣總理、駐外使節,飛黃騰達,官運亨通。到了他的祖父這代,由於承襲了父親一輩的爵位,坐享榮華富貴,便無所建樹,畢生默默無聞。

維克多·德·布羅格利,雖然出身於貴族世家,但並無紈子弟的習氣。在少年時代,誰也未曾料到他將來會在自然科學上一舉成名。在中學讀書時,他的興趣是文科,18歲就取得了曆史學學士學位。接著他又學了一年法律,並研究過18世紀法國的國內政策。直到20歲時,在長兄的啟發下,他的誌趣才突然轉向自然科學。由於長兄莫裏斯·德·布羅格利的具體指導,他僅用了兩年的時間,就學完了自然科學的基本課程,這段時間他還兼任哥哥的物理實驗助手。

維克多·德·布羅格利的治學原則是:廣見聞,多閱覽,勤實驗。他認為環境和出身不能決定一個人的誌向,重要的是在學術上要善於獨立思考,不迷信權威名流。就是對那位比他大17歲的哥哥,隻要在學術上發生了爭論,他也不留一點情麵,有時竟弄得哥哥麵紅耳赤。

在他剛著手從事輻射現象的研究時,很多科學家都勸他不要去碰這個棘手的課題。這位初出茅廬的後生,不怕高峰險阻,對這個屢攻不克的頑固堡壘毅然進行了公開宣戰。

但好事多磨,正當他埋頭於自己的研究課題時,第一次世界大戰爆發了,法國被轉入戰爭漩渦。德·布羅格利隻好擱筆從戎。大戰期間,他在費裏埃將軍手下服役。分管設在巴黎埃菲爾大鐵塔上的無線電報站的工作。但就是在戰時,他也沒有放棄自己的奮鬥目標,盡可能地利用當時的條件加深對無線電波的認識和了解。複員後,他立即返回實驗室,同大哥共同從事X射線攝譜技術的研究,探索證實物質原子結構的有效手段。

他在科學上的不朽功勳,就是於1924年提出的描述微觀粒子波動性的物質波理論。

早在19世紀初葉,菲涅爾等人就論證過光的波動性,大大衝擊了牛頓經典物理學中有關光學的理論。1865年,麥克斯韋又創建了著名的電磁理論,使人們對波的解釋產生了一次飛躍。後來亨利希·魯道夫·赫茲於1887年發現了光電效應現象,他指出物質和光之間的能量轉換,並不是隨意和連續的。愛因斯坦於1903年曾指出:光電效應說明過去的粒子學說是正確的。但他並沒有闡明為什麼有些現象符合波動學說,而在另一些場合中,粒子學說又占了上風。正是在這些光學和力學的有關原理啟示下,德·布羅格利提出:有可能用一種新的理論,把這兩種表麵截然不同的現象——波動和粒子統一起來。

從1922年開始,他在法國科學院的《波動力學》雜誌上,連續發表了幾篇有關這方麵的論文。兩年後,在其博士論文中,他又一次精確地闡述了自己具有獨特見解的理論。他設想任何運動著的粒子都必定伴隨著波。其波長和發出波的粒子的質量及速度有關。它們之間的關係可借助普朗克恒量,用一個簡單的公式來表示,它就是E=hr。後來人們稱這為德·布羅格利公式。公式表明:知道波長,就可以了解粒子的運動。這樣一來,人們不僅可以解釋可見光,而且可以正確地說明為什麼一束粒子同一束可見光一樣會出現衍射現象。

德·布羅格利的理論無疑是一個大膽的創造,轟動了當時整個學術界。經典物理學的衛道士們對此驚訝不解,其他大多數學者對這個新理論也持懷疑態度。連這篇論文評審委員會的主持人也不肯表態。當有人問他對這位青年的新理論有什麼看法時,他隻是說:“對這個問題我所能回答的,隻是德·布羅格利肯定無疑是一個很聰明的人。”洛倫茲甚至斷言德·布羅格利誤入了歧途。當時,隻有他的長兄相信他是正確的,利用一切機會發表文章來鼓吹和介紹德·布羅格利的學說。可是他的好心徒勞無益,因為他越是想詳盡地闡述,人們越是感到糊塗難解。

直到德·布羅格利的論文公布於世三年以後,美國人戴維森和格默,英國人喬治·P·湯姆生先後成功地通過晶體薄片,使電子產生了衍射現象,才有力地驗證了電子的波粒二重性。在鐵的事實麵前,懷疑派不得不承認他的理論的正確性,因而他本人也才被授予了1929年的諾貝爾物理學獎金。1928年他開始主持隸屬於巴黎大學的亨利——普安卡雷研究院。1932年,又主持巴黎大學理學院物理講座,並成為自然科學院院士。1944年,他又被選為法蘭西科學院院士。

從此,德·布羅格利的理論成了許多學者專攻的課題。奧地利物理學家施羅丁格正是在這一理論基礎上建立了波動力學。

波動理論的問世,還大大地促進了電子光學的發展,電子顯微鏡的出現就是其中的一例。反過來,電子光學儀器又大大地推動了人們對微觀世界的認識。

德·布羅格利雖然出身貴族世家,又是學術權威,但生活一直很簡樸,從不講究吃穿。他愛好體育活動,既會工作,又會休息,工餘時閉口不談學問。他有一個怪癖,就是愛好飼養珍禽,在他的私宅裏喂養著從世界各地搜羅來的珍貴飛鳥。他曾用重金買下兩隻尼泊爾紅鳥。可是由於不適應法國的氣候,這兩隻愛鳥不久就死去了。他竟戀戀不舍地把紅鳥的彩色照片長期保存在自己的工作案頭。

德·布羅格利的家庭,是一個充滿歡樂的家庭。在學校,他專心致誌於物理學的研究,回到家裏,總是和兒女們親親熱熱,說東道西。他對文學和曆史學的造詣也很深,他的夫人有較高的文學修養,後來承擔了丈夫的傳記的整理和抄寫工作。

德·布羅格利還有濃厚的鄉土觀念,經常喜歡回老家度假。老家有一所高等學校,在籌建過程中,他曾慷慨捐贈了大量財物,希望家鄉能培養出更多的學者名流。

他為人和藹可親,平易近人。到巴黎大學來的客人,凡是希望和他麵談的,都能如願以償。他對客人是從不謝絕的,他和客人交談的話題相當廣泛,從自然科學到文學,從耐人尋味的傳聞到悠久的法國曆史,可以說海闊天空,無所不談,難怪人們說與德·布羅格利交談是一種享受。

拉曼

“每天不浪費、不虛度或不空拋剩餘的一點點時間,即使隻有五六分鍾,如能安排得當,也一樣可以取得很大的成就。若是遊手好閑慣了,就是有天賦,也不會有所作為。”這是1930年諾貝爾物理獎金獲得者、印度人錢德拉塞哈拉·文迦達·拉曼博士的座右銘,也是他能夠取得如此輝煌成就的關鍵。

1888年11月7日,拉曼出生在印度馬德拉斯的提魯契臘帕裏。他的家庭是個地主世家,可是到他父親這一輩時,開始做些別的生計。他的父親是當地一所教會學校的教師,講授數學和物理。當拉曼長到四歲時,他家搬到了維沙卡帕特南市。在這個城市的一所印第安語學校裏,他接受初等教育。後來,升入馬德拉斯學院上學,並在1904年取得該學院的文學學士學位和優秀學生獎章。這時他年僅16歲。兩年後,他又輕而易舉地得到了碩士學位。