新西兰少年
在太平洋的西南角,离澳大利亚不远,有一个被称为“长白云之乡”的岛国。这就是美丽的新西兰。
新西兰由被库克海峡分开的南、北两岛以及许多小岛组成,宛若南太平洋上的一串璀璨的明珠。早在1000多年前,就有毛利族人在这片岛屿上生活。19世纪时,新西兰成为英国的殖民地。不少英国和其他欧洲国家的移民,不远万里迁徙来这里。居民通用英语。毛利族为本地的土语。
要是有人问你澳大利亚有什么?你会毫不犹豫地回答:“有袋鼠、鸵鸟,还有羊毛。”
要是有人问你新西兰呢?恐怕你就会摇头了。
是的。新西兰太小了。它面积只有26万多平方千米,人口不到400万。但是就在这个岛国里,诞生了一位19世纪末,20世纪初最伟大的物理学家,他就是欧内斯特·卢瑟福。
卢瑟福的祖父是个富于开拓精神的苏格兰人。1842年,他带着3岁的儿子詹姆斯·卢瑟福搭乘一条帆船。漂洋渡海来到新西兰。这是一次非常冒险的航行。他们航行到一个海湾时,遇到风暴,差一点连人带船葬身海底。詹姆斯就是卢瑟福的父亲。如果那次海难未能幸免的话,这个世界上就不会有卢瑟福了。
1871年8月30日。欧内斯特·卢瑟福诞生在泉林村的一所小木屋里。他是家里的第四个孩子。上面有两个姐姐和一个哥哥。卢瑟福的父亲是一个勤勉坚韧的乡村木匠,也是一家之主。母亲贤惠而又能干,对卢瑟福一生影响很大。
卢瑟福4岁时。父亲在附近一个稍大的村庄福克斯希耳村找到满意的工作,于是全家迁居到这里。父亲在一家锯木厂制作车轮,收入不错。这时卢瑟福又添了弟弟和妹妹。他们找到一座宽敞的木板房,供人丁不断增加的全家居住。这座木屋四周带着回廊。屋子前后还有一大片空地。父亲詹姆斯利用这块空地,种了不少农作物,以增加家里的收入。詹姆斯身强力壮,精力充沛,在劳动之余他还去客串铁路工人。参加铺筑铁轨。
卢瑟福的童年生活是快乐而又艰苦的。大自然是这么广阔,他和村里的孩子们一道,下河沟里网鱼,爬上树掏鸟蛋,尽情享受着乡村生活的乐趣。待他个头长高一些时。就到锯木厂帮父亲千活了。傍晚时分,他们全家还得在地里挖土,赶着播种小麦或是别的谷物。所以卢瑟福从小就养成了劳动和吃苦的习惯。
卢瑟福5岁时进入福克斯希耳村的小学读书。这是一所简陋的乡村小学,班主任是一位很有见识的老师。卢瑟福从小并不是神童,但他学习踏实勤奋。他的成绩常常受到老师和同学的称赞。不过,这个时候还看不出来卢瑟福将来会成为科学家。他最喜欢的功课是拉丁文和古典文学。
到了10岁的时候,卢瑟福有朝一日会成大器的迹象才显露出来。他在一本科学教科书的扉页上,歪歪斜斜地写上自己的名字和年龄。这也许表现了一个农家子天真的宏愿。这本教科书的作者,是英国曼彻斯特大学的一位物理学教授。据说卢瑟福的母亲一直保存着这本书,晚年时还常常拿出来向别人夸耀。
第二年,卢瑟福全家再度迁居。他们离开了穷乡僻壤,一家老小乘船搬到塔斯曼海湾边的哈夫洛克。这里离纳尔逊区的省会纳尔逊镇很近,毗邻海峡,风光绮丽。
哈夫洛克也有一家锯木厂,詹姆斯很快在厂里找到事做。这位勤劳的苏格兰后裔,充分利用铺铁轨时积累的经验,把住家附近的桦木砍伐下来,做成许多枕木运到利特尔顿港卖。
在卢瑟福儿时的记忆里,那是一幕很壮观的情景:十几艘载满了枕木的帆船,乘风破浪,从哈夫洛克出发,浩浩荡荡地沿着海岸线南下到利特尔顿港。
詹姆斯还是一位大胆的开拓者。他第一个在哈夫洛克试种成功亚麻,获得可观的经济效益。这种经济作物从前新西兰还没有人种过。这种敢为人先的精神,对少年卢瑟福无疑产生了潜移默化的影响。
卢瑟福呼吸着海风,一天天地长大。滨海生活陶冶了他无拘无束的顽皮性格。他和小同伴们经常在海滩上拾贝壳,翻跟斗,堆沙器。夏天时光着屁股在海水里游泳,一个个晒得像泥鳅一样。卢瑟福是个天生好动的顽童,但有时他会静静地坐在石头上,望着海水冲击礁石溅起的雪白浪花出神。变幻莫测的大海引起少年人许多遐想。海峡对面。北岛黛青色的轮廓隐隐可见。再远的地方是浩渺无边的海平线。
卢瑟福的个头—天天长高。他的动手能力渐渐突显出来。
有一天家里的钟坏了。大家对这座老爷钟都不报什么希望,但卢瑟福觉得报废有点可惜。放学后,他找来一把螺丝刀,小心地把钟解剖开来。晚匕詹姆斯回家时,看见老爷钟变成了一堆七零八落的零件。螺丝锈得发黑,发条成了变形的麻花。
詹姆斯吃了—惊。问了声:“这是谁干的?”
孩子们都不吭声。卢瑟福说:“是我。”
父亲咧着嘴摇摇头,心想,这只钟肯定给报销了。
詹姆斯万万没想到的是,第二天傍晚回家时,老爷钟竟然端正地摆在平柜上。钟的外壳擦得锃亮,秒针准确地走着,那咔嚓、咔嚓的声音像音乐一样动听。
他不禁大为凉奇。
母亲玛莎微笑着瞅着卢瑟福,赞道:“这是欧内斯特修好的!”
卢瑟福憨厚地抿着嘴。脸颊兴奋地泛红。这个新西兰少年表现出的动手能力,也许预示了他将来可能成为一位出色的实验科学家。P6-8
现代原子物理学的创立和发展过程。充满着传奇和戏剧色彩。它像一场攻克神秘微观王国的世纪圣战,轰轰烈烈,惊心动魄,而又精彩纷呈。有无数的科学家和探索者为它做出了奉献,为它起舞,为它而狂。
在这些先驱者中,有三位大师最具有代表性,他们就是本书的主人公一卢瑟福、玻尔、费米。
卢瑟福是一个来自新西兰农村的大个子、一位富有传奇色彩的科学巨擘。是他发现了α、β射线和原子核,揭开了原子的奥秘。他被后世称颂为“现代原子物理学之父”“原子物理学的牛顿”。
玻尔是丹麦的优秀儿子、著名的“哥本哈根学派”领袖,也是历史上最具影响力的原子物理学家。他提出的玻尔原子模型、互补原理以及量子理论,至今影响着人类对世界和宇宙的看法。他被后世公认为“20世纪贡献仅次于爱因斯坦的物理学家”。
费米是一个妙趣横生的意大利探索者、一位全能的实验和理论物理学家。是他实现了第一次受控原子核链式反应。为人类发现了强大的新能源——原子能。杨振宁称他为“20世纪所有伟大物理学家中极受尊敬和崇拜者之一”。
2000多年前,有位古希腊自然哲学家德谟克利特提出了朴素的原子论。
德谟克利特提出,宇宙是由原子构成的,原子是最小的、不可分割的物质粒子。希腊文中,原子就是“不可分”的意思。在这位古希腊的先哲看来,万物都起源于原子和虚空。原子不能无中创生,也不能被消灭。
德谟克利特的原子论对后世产生了深远的影响。近代科学对物质世界的认识以及原子物理学的建立,都与德谟克利特的原子论思想有关。19世纪初,英国物理学家道尔顿提出原子论,第一个把古代的哲学推测变成了科学理论。道尔顿指出:物质是由不可分割的原子组成的;原子在化学反应中性质不变;不同的元素由不同的原子组成,每一种原子有确定的原子量。道尔顿的原子论是人类认识的一个飞跃,不过它的基点仍然确立在原子是组成物质的最小微粒上。当时全世界的学者都确信,原子是不可分割的。物理学和化学的全部基点都建立在这一点上。
直到20世纪初,在蒙特利尔城有位来自新西兰的青年科学家,通过一系列的实验,证明了铀、钍或镭原子可以分裂。在分裂的过程中,放出了α和β粒子,最后变成另一种元素的原子。他由此提出了著名的元素蜕变假说,指出原子并不是人们原来认为的最小的微粒,它是可以分割的!这一重大发现推翻了整个科学界传统的看法,带有革命性。
这位新西兰科学家,就是卢瑟福。后来他曾自豪地说:“原子永恒不变的学说在1902年遭到了毁灭性的打击。”
从这一刻起,原子物理学揭开了它的神秘面纱。科学家们纷纷把视线投向原子内部的神秘世界。一个个激动人心的崭新发现接踵而至,中子、人工放射性、原子核、链式反应……直到后来研制出威力无比的原子弹。
玻尔是卢瑟福的学生。当年玻尔从哥本哈根到英国剑桥留学,最先投奔的是电子发现者J.J.汤姆逊教授,可惜没有得到汤姆逊的赏识。正当玻尔失落之时,遇到了伯乐卢瑟福。这是玻尔与卢瑟福的缘分,也是卢瑟福的人格魅力吸引了他。这次相遇改变了玻尔的一生,两人结下了终生的友情。
玻尔的伟大发现,是在卢瑟福研究成果基础上发展的。卢瑟福提出了“有核原子模型”,指出原子大部分质量集中在中央的核,电子就像行星围绕太阳一样。绕着中央的核运转。玻尔提出的原子模型中,肯定了卢瑟福原子模型的有核结构,但电子却全然受到量子规律的支配。这个新概念,完全突破了经典物理学理论的窠臼。它为整个欧洲和全世界打开了新物理学的一扇大门。
玻尔创立的量子力学,更是20世纪物理学的一场革命。他与爱因斯坦为了量子论进行了长达10多年的科学论战。这一论战不是一般的学术之争,更不是个人的意气恩怨,而是两种博大的哲学思想的磨砺,是人类最高智慧的精神碰撞。它在科学史上树起了一座无与伦比的思想丰碑,留给后人赞叹与评说。
玻尔在1937年5月访问过中国,在北大理学院和清华做了关于“原子核”的学术报告。中国之行给玻尔留下了终生难忘的印象。他对中国文化一直怀着景仰之情。一幅唐太宗“昭陵六骏”浮雕拓片,也让他如获至宝。玻尔后来被丹麦国王册封为贵族时,特地选择了中国的“双鱼纹”太极图作为族徽的标志,被世界科坛传为佳话。
费米和玻尔是朋友,比玻尔小6岁。费米1938年获得诺贝尔奖的消息,就是玻尔最先向他透露的。这使得费米有趁着到斯德哥尔摩领奖时,从那里辗转去美国,从而摆脱了意大利墨索里尼政府的政治迫害。
费米在罗马最重要的研究成果,是率领他的团队用中子“炮弹”轰击92种元素,发现了重核裂变现象。到美国后,他受命领导一个实验组,在芝加哥大学的足球场看台下,实现了人类第一次受控原子核链式反应。这导致了原子时代的到来。费米不愧是原子能的第一功臣。
费米和玻尔都是领袖型科学家,但两人的个性和风格,却又迥然不同。在罗马研究所,费米被同事们称作至尊的“教皇”,但其实他是个科学“顽童”。在他的领导和带动下,科研工作永远充满着乐趣。诸如高举着玻璃试管在实验室走廊里来回疯跑;把银制圆筒放在教授的金鱼池里,当作中子炮的靶子……这些创举,只有费米千得出来。他们是一群快乐的探索者。玻尔则比较老成,长脸、深眼窝、大鼻子,那模样像个永远在思索的“苦行者”。他的学术观点都是经过深思熟虑的,他的论文也是反复斟酌,不断删改,力求精益求精。
科学家并不是单调的数学符号。三位原子物理大师的个人生活,也是多姿多彩,充满了情趣。卢瑟福是个业余无线电发明家,而且是个顶尖高手,水平几乎不在马可尼和波波夫之下。玻尔对航海睛有独钟,还喜欢踢足球,年轻时曾担任丹麦国家足球队的守门员,大战德国队。费米是个浪漫的“飙车族”,他把自己的微型座驾戏称为“带轮的黄蛋壳”。开着这辆靓车,他载着一位漂亮的淑女四处兜风,并最终赢得了她的芳心。这位淑女名叫劳拉,后来成了他的妻子,并写了一本生动的费米传记《原子在我家中》。
三位大师还有一个亮点,就是“名师出高徒”,培养了一大批出类拔萃的学生。在卢瑟福的学生中,有12位诺贝尔奖获得者。玻尔的门生和手下,有8位诺贝尔奖得主,包括他的儿子小玻尔。玻尔研究所因此被誉为“诺贝尔奖的幼儿园”。费米的学生中,有6人获得诺贝尔奖。其中有2位,就是来自中国的青年科学家杨振宁和李政道。单凭费米为中国培养出两个诺贝尔物理学奖得主,我们也该感激和铭记他!
松鹰
2007年3月21日干成都兀岭书房
现代原子物理学的创立和发展过程,充满着传奇和戏剧色彩。它像一场攻克神秘微观王国的世纪圣战,轰轰烈烈,惊心动魄,而又精彩纷呈。有无数的科学家和探索者为它做出了奉献,为它起舞,为它而狂,众多物理学研究者为之痴狂。松鹰著的《原子物理三剑客》为你讲述卢瑟福、玻尔、费米三位物理学家的故事。
卢瑟福是一个来自新西兰农村的大个子、一位富有传奇色彩的科学巨擘。
玻尔是丹麦的优秀儿子、著名的“哥本哈根学派”领袖,也是历史上最具影响力的原子物理学家。
费米是一个妙趣横生的意大利探索者、一位全能的实验和理论物理学家。
松鹰著的《原子物理三剑客》为你讲述他们的故事。