笔趣三小说

第一章科学与世界（第2页）

与此同时，玛丽·居里运用她丈夫皮埃尔的发现测量放射性。放射性射线和X射线一样，当它穿过任何一种气体（包括空气）时就会引起电离，使这一气体能够导电。她用电流计测量这一电流，用晶体加压后产生的电压抵消它。然后测量平衡电流所需的电压，从而获得了放射性强度的读数。她逐个测验各种放射性盐，发现放射性强度与放射性物质的含铀量成正比——这样就将样品中的放射性来源定位于铀身上。1898年她又发现钍也具有放射性。

更有趣的是，当玛丽·居里从沥青铀矿中分离出铀时，她发现，相比于纯铀，从沉淀物中测量出的放射性反而要强得多。由于矿石中其他成分不具放射性，这意味着只有一种可能：某种其他的放射性元素，其数量虽然少到难以检测，但一定在场!

玛丽·居里

此时玛丽的工作已显示出巨大的潜力，于是，她的丈夫皮埃尔决定共同参与，帮助她从事这份艰辛而又乏味的工作：从矿石中提炼元素。尽管他本人已是一名功成名就的科学家，但他还是把自己的工作放在一边，在接下来的7年里帮助她，因为他认识到她作为科学家的非凡天赋和她从事的工作的重要性。（1906年，他在大街上被马车压死，年方47岁。就在两年前他刚刚接到任命，担任索邦神学院物理学教授。后来玛丽被指定接替他的职位，成了第一位在索邦神学院教授物理学的妇女。）

1898年7月，居里夫妇取得了成功。他们两人一起工作，从铀矿中提炼出了微量的粉末。这是一种新元素，以前从未检测到过，其放射性强度比铀高出数百倍。他们把这一新元素称为钋，以纪念玛丽的祖国。

但是还有让人捉摸不透的现象。矿石继续放出比铀和钋合在一起还要强的放射性。一定还有什么东西。1898年12月，他们找到了答案：这是另一种更强的放射性元素，他们称之为镭。

但镭实际上如同一个幽灵。居里夫妇不能对这一新元素提供良好的描述，因为从矿石中能够提炼的量实在是太微弱了。他们可以测量其辐射，元素线光谱专家德玛尔塞（EugeneDemarcay，1852—1904）提供了光谱特征（不同的元素给出不同的电磁辐射或光的波长，这些波长以分立的谱线被观察到）。但也就是这些。

因此他们下一个目标就是得到足以进行测量和检验的镭的数量。皮埃尔和玛丽把他们的生活积蓄用于购买矿山附近废弃的大量矿石，开始这一不朽的工作。在以后的4年中，玛丽的体重掉了15磅，他们把矿石提纯了又提纯，以获取小量的镭。8吨沥青铀矿才能产生1克镭盐。

玛丽·居里在1903年写了这一课题的博士论文，为此，她和皮埃尔，以及贝克勒尔分享了这一年的诺贝尔物理学奖。8年后，皮埃尔已经去世，她由于发现两种新元素获得了另一项诺贝尔奖，这一次是化学奖。

奇异的电子

与此同时，正当居里夫妇在为提炼以前不为人知的镭元素而辛勤工作时，在英国剑桥的约翰·汤姆孙也对伦琴的X射线产生了浓厚兴趣。

汤姆孙才华出众，14岁就进入了曼彻斯特大学。他本来计划学习工程，但是因为家里不能提供进一步深造的费用，他只好放弃这一计划。后来他成了一位物理学家——对于现代物理学的发展来说这实在是一件幸运的事情。1876年，他获得了到剑桥大学学习的奖学金，从此他的家就安在了剑桥。7年后，他成了物理学教授，1884年担任卡文迪什实验室主任，正是在这里，他激励了整整一代年轻科学家的心灵，直到1919年退休。由于他的影响，卡文迪什实验室成了以后30年原子研究的主要基地。

汤姆孙最初的兴趣是麦克斯韦的电磁场理论，后来他被阴极射线迷住了，就像伦琴当初被它迷住那样，因为阴极射线似乎在本质上不同于电磁现象。其他人已经证明，阴极射线可以被磁场偏折，或者偏向一边。他们说，这证明阴极射线是由带负电的粒子组成的。但没有人能够证明阴极射线能够被电场偏折——如果阴极射线是带电粒子的话，它应该被电场偏折。

汤姆孙在1896年接受了挑战。他用阴极射线管做实验，在引进电场后成功地使射线偏折。他测量了偏折和速度，用不同的阴极材料作测试：铝、铜、锡、铂，还把不同的气体，如空气、氢和二氧化碳，引入射线管里试验。所有的数据都完全相同。他意识到，如果阴极射线是带电原子，就像某些研究者想到的那样，数据就会不同——不同的数据反映出原子的不同质量。

1897年，他满意地离析出了所谓的“负微粒”，他相信这就是物质的组成部分，是比原子小得多的基本粒子。汤姆孙发现了原子是可分的!“我们在阴极射线里发现了一种新的物质状态，”他声称，“在这种状态里，物质的亚结构（subdivision）处于一种比通常气体状态下更为松散的状态”。这一“物质的亚结构，”他说，是“构成化学元素所需的物质”的组成部分。他从爱尔兰物理学家斯坦尼（GeeJohoney，1826—1911）那里借用了“电子”（ele）一词。1891年，斯坦尼创造了“电子”这个词汇，用来表示原子成为离子（带电粒子）所失去的单位电量。

对于物理学界和化学界来说，这是一个令人震惊的消息。科学家第一次猜测，原子还有内部构造——原子是自然的最基本成分这一认识受到了威胁。长期以来，人们明确认定氢是所有原子中最轻的，现在有一种粒子竟比氢还轻2000倍。唯一可能的解释就是这一带负电的新粒子是亚原子粒子——是比当时所知“最基本单元”还更基本的结构单元。这是唯一可能的解释，但是按照旧原子理论的每一条原则，这都是不可能的。就像一位科学史家所说：“原子解体为亚原子粒子已经开始”。这也许会是一条很长的路，甚至今天我们也还没有走到尽头。

与此同时，1899年贝克勒尔在法国注意到，他发现的放射性辐射可以被磁场偏折。由此推断，他研究的射线至少有一部分也是微小的带电粒子。到了1900年，他得出结论，认为放射性辐射中的带负电粒子和汤姆孙在阴极射线中发现的电子是等同的。

到了1901年，贝克勒尔还意识到，他一直在研究的盐中的铀成分正是玛丽·居里称之为放射性的辐射源。他的结论是电子只能来自铀原子本身。

所有这些对于原子的定义有什么影响呢?显然，它们不再是像道尔顿所设想的那样，是光滑不具特征的微小“台球”，并且它们显然不是不可分的。

葡萄干布丁

汤姆孙立即看出新原子的某些模型是恰当的。电子具有负电荷，但是物质不显电性，所以原子一定具有某种带正电的内部结构来抵消电子的负电荷。1898年，汤姆孙提出后来叫做“葡萄干布丁”（即嵌葡萄干的蛋糕）的原子模型：带负电的电子嵌在均匀的带正电的物质球中。

汤姆孙笨拙的动手能力有时会招来后人对他的过低评价。（他的儿子乔治就曾说过，“尽管他能以不可思议的精确诊断仪器的毛病，可是却不会操作这台仪器”。）但是，汤姆孙却留下了伟大的遗产。他为原子物理学开辟了道路，由于对电子的研究，他荣获1906年诺贝尔物理学奖。他有7位研究生后来也赢得了诺贝尔奖，包括他的儿子乔治，乔治后来证明了电子的波动性。从1906年到1919年，汤姆孙五六十岁时，他获得了剑桥“伟大人物”的名誉。但是，正如他的一个学生后来所形容的，“他一点也没有变老”，“仍然那么年轻”，而且对人友善——只是不认真刮胡子。这个学生就是汤姆孙的第一个，也许也是最有名的研究生，一位双手粗大、满脸胡须、活力充沛的年轻人：卢瑟福。

来自新西兰的鳄鱼

当卢瑟福靠奖学金从他的故乡新西兰来到卡文迪什实验室时，年方24岁，黑头发，大高个，有坚强的信念、宏大的雄心，可就是没有钱。竞争是激烈的，他在给母亲的信中写道：“在这人才济济的地方，要脱颖而出可不那么容易。”但是卢瑟福绝不会知难而退，何况是小小的竞争。在后来的年代里，他的学生给他起了一个绰号“鳄鱼”，就像一位学生解释的那样，这是因为“鳄鱼不会转脑袋……它只能鼓足勇气前进”。他乐于向自然发问，并且永不疲倦地上下求索。就像他的同事玻尔曾经说过的那样，他的伟大成功来自“他的那种直觉，因此，他的提问总有可能得到最有用的答案”。

物理学家西格雷（EmilioSegrè，1905—1989）曾经这样描述卢瑟福，说他是这样一个人，“提出一个又一个假说，根据需要抛弃或者修改假说，竭尽全力做每件事情。他所有时间都在工作，连他的朋友和同事都很难知道他的科学思想，哪怕很小的一部分”。

作为一位完美的实验家，卢瑟福一般不倚赖理论家。他说道：“他们用符号玩游戏，但是我们（实验家）必须揭示自然的真面目。”他在设计实验方面有独特的才能，并且具有高超的能力，能从大量杂乱的细节中挑选出有意义的事实。正如一位同事评价他说：“可以说，就算是远处发生的动静，卢瑟福也能在第一时间加以识别。”

1898年，卢瑟福接受任命，到加拿大魁北克的蒙特利尔，担任麦克吉尔大学的物理学教授，在那里，从1902年开始，他和助手开始用α粒子做实验，希望得到更多的信息。1908—1909年卢瑟福回到英国，加入曼彻斯特大学，那里一位年轻的德国物理学家，名叫盖革（HansGeiger，1882—1945）参加了他的小组。他们两人一起用α粒子轰击金箔薄片。大多数α粒子直接穿过了金箔，这正是实验家根据汤姆孙的原子模型所期望的结果。但是也有少数α粒子打到金箔，却发生了散射现象，以某一角度，常常是90度角甚至更大。这使卢瑟福大为吃惊，他说道：“这就好比你向一片薄纸打出一颗15英寸的炮弹，却反回来击中了你一样。”

1911年初，卢瑟福兴高采烈地向盖革宣布：“我知道原子是怎么回事了!”根据实验结果，卢瑟福提出了关于原子的新思想：如果所有带正电的粒子不是如汤姆孙所设想的那样，像流体一样分布于整个原子，而是集中在中心一个小区域内，或者称之为“核”，情况会怎样呢?原子的大多数质量也许集中于核内，相等数量的带负电的电子，就在核外某些地方处于运动之中。这是一个引人注目的思想——类似于微型太阳系，正好对应于我们所居住的更大的太阳系。

卢瑟福因提出原子核这一设想，从而赢得了“原子物理学中的牛顿”之称号。这一模型似乎能解决葡萄干蛋糕原子模型存在的所有问题，不过它自身也面临一些问题。要构建更为精确的原子结构模型，需要运用奇异的，被称为“量子”的概念，这一概念是沉默寡言的德国科学家普朗克提出的。像伦琴的X射线一样，这一概念也许会颠覆整个物理学体系，它不仅牵涉原子概念，而且还涉及我们对世界机制的理解。

但是首先，让我们来个180度的大转弯，从微观世界跨越到宏观世界，如同爱因斯坦那样来考察宇宙。