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二十世纪之光 新世纪科学革命 |
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一位伟大的犹太人 几乎在量子力学对牛顿经典物理学的革命的同时，物理学界还发生了一场惊心动魄的对经典物理学的叛逆，这就是爱因斯坦的相对论。 相对论不仅仅是一条物理学理论，引发了古老物理学的一场大地震，而且改变了人们认识我们所赖以生存的这个世界的思想观念和思维方式，对开创物理学乃至整个人类文明的新纪元都产生了巨大的影响。 爱因斯坦的一生，是充满戏剧性的一生，当他还活在人世间的时候，他就已经被认为是人类历史上最富有创造性才智的人。 然而，面对人类社会中一些极其可怕的事件的侵袭，他不得不自叹无力回天，他只能承认自己是一位孤独的旅客，他的心灵同宇宙一道遨游。 他的名声如雷灌耳，这使得他所发出的呼声能发生重大的影响，他以此来支持诸如和平主义、自由主义和犹太复国主义之类的事业。 他的著名的能量——质量方程公式（说一个粒子可以转化为巨量的能），由于制造出破坏性空前强大的武器原子弹和氢弹，而得到惊心动魄地证实，这是命运对他的极大的嘲弄。 1879年3月14日，这位伟大的物理学家，出生在德国的一个犹太人家庭。 他的父亲和叔叔一起开了一家制造电器设备的小工厂，母亲是个颇有造诣的钢琴家。 小时候的爱因斯坦一点也看不出来有什么天才，到3岁的时候，还不会讲话。6岁上学，在学校里成绩非常差，一上课就是被批评的对象，老师还说他永远也不会有什么大的出息。大家一致认为他是一个天生的笨蛋。 后来，小爱因斯坦听妈妈的话，开始拉小提琴，在妈妈的精心指导下，他后来竟成了有造诣的小提琴家，尽管他没有成为职业演奏家，但那把心爱的小提琴，整整陪伴了他的一生。 爱因斯坦在12岁的时候，就已经决定献身于解决“那广漠无垠的宇宙”之谜。15岁那一年，由于历史、地理和语言等都没有考及格，也因为他的无礼态度破坏了秩序和纪律，他被学校开除。 由于没有拿到毕业证书，他进不了大学。17岁的时候，在一位亲戚的资助下，他才考进了苏黎士工业专门学校。 在这所学校里，他把自己全部的时间精力都用于物理实验，研究理论物理学和哲学问题。即使是学习物理学，他也是走自己的路，进行自己的思考，而从不盲从。这为他日后从事理论物理研究打下了坚实的基础。 可是，对于爱因斯坦来说，残酷的现实却是毕业就等于失业，正像他自己所说的那样：“突然被所有的人遗弃了，手足无措地面临着人生。”没有人愿意给他一份工作做。 为了能够活下去，他艰苦地奔波忙碌着，代课，给人家做家教…贫穷只能使人饿死，却不能把人吓死，他没有中断自己心爱的物理学研究活动。 后来，他想了很多办法，托关系找后门，终于在伯尔尼瑞士专利局当了一名审查员。生活这才开始有了保障。1903年，爱因斯坦同他在大学时的情人米列瓦·玛丽倚结了婚。 婚礼举行完了以后，新婚夫妇进不了新房，只能在房门口站着，因为新郎忘记带钥匙了。那时，虽然日子过得很清苦，有时一连几个星期都吃不上一顿荤菜，但爱因斯坦觉得那是自己一生中最幸福最有收获的岁月。 1905年初，爱因斯坦在《物理学》杂志上连续发表了五篇论文，这些论文中所提出来的观点永远改变了人类的宇宙观。 在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，爱因斯坦假定光是由单个的量子（后来称为光子）组成的，这种光子，除了波状行为外，还显示出某些只是粒子才有的性质。 于是，爱因斯坦把光的理论革命化了，而且解释了一些现象，其中就有一种叫做光电效应，即某些固体受到光的冲击而发射出电子的现象。 爱因斯坦始终没有停止对事业的执著追求，每天下班一回到自己住在顶楼的家，就立即坐在桌边，面前放着一堆乱纸，他右手拿着一本书，左手耐心地摇着一辆童车，那时，他们的儿子已经来到这个令人欢喜令人忧的世界了。 有时候孩子尿尿了或者肚子饿了，发出震耳欲聋的哭声，爱因斯坦才中断看书，把孩子服侍好，又全身心投入到迷人质的物理世界。 小房间里散布着一股廉价雪茄发出的烟味，墙角处有一个陈旧破烂的炉子，过道上挂着还在滴水的湿衣服，为了降低屋内湿度和调节空气，房门敞开着。 爱因斯坦当时作为一个“小人物”，其日常生活的琐碎平庸，同他生活中的另外一方面，即科学成就的重要与伟大，恰好形成鲜明的对照，而正是这种强烈的反差。才使他那小人物的生活显得越发重要。 这位天才平淡无奇的生活使他成了一个传奇式的人物。 一条灯芯绒灯笼裤，从来不喜欢穿短袜子，一把小提琴，一副学者式的心不在焉，还有一张伸出舌头的照片，这一切使他那高深莫测的理论洋溢着浓浓的人情味，因而得以广泛地传播开来。 狭义相对论的诞生 爱因斯坦的狭义相对论从根本上改变了作为人类思考基本要素的时间和空间的陈旧概念，它认为，如果对于一切参照系，光速是不变的，而且一切自然规律都是相同的，那么可以发现，时间和空间都是相对于观察者的。 狭义相对论起源于爱因斯坦16岁时写的一篇论义。即《关于磁场中的以太的研究现状》。 “以太”这个源于希腊文，即空气的上层之意的名词，是亚里斯多德所设想的与构成地球万物的水、土、火、气四元素不同的构成神灵世界的一种轻元素。 到19世纪末期，万有引力被发现以后，复活了亚里斯多德关于“以太”的设想，说“以太”是宇宙真空中引力的传播介质，从此，“以太”被引入物理学，而且被说成是“光波”和电磁波的传播媒介。 爱因斯坦却没有盲目地跟在牛顿后面，为牛顿喝彩，在儿子的摇篮边，为了研究“以太”究竟是存在还是不存在，“以太”到底是什么，他不知度过了多少个不眠之夜，他一边大胆地假设，一边小心地求证，狭义相对论终于问世了。 爱因斯坦研究了光在“以太”中的传播问题，大胆地否定了“以太”的存在。 爱因斯坦认为关于时间是不断流动延续，空间是广阔无边，物体的存在与运动对此一点影响也没有的观点是毫无道理的，这就从根本上动摇了牛顿的信仰。 爱因斯坦认为，时间、空间、物体、运动是不可分割的统一整体，物体的运动变化，不但影响空间的大小存在，而且也影响时间的流动过程。 最明显的例证是在物体运动速度充分大时，时钟会显示变慢，物体会沿运动方向缩小尺寸。在过去，牛顿的万有引力定律对于计算围绕太阳公转的行星，如水星、金星、地球、火星等的运行轨道及人造地球卫星的运动轨道也卓有成效。 它甚至可以分秒不差地预报百余年后在地球上某处能够看到的日全食或月全食的时间，许多人对这条万有引力定律奉若神明，把它讴歌成整个宇宙的绝对真理。 但是相对论阐明了：牛顿的运动定律只有在物体运动速度远比光速低的场合下才适用，万有引力定律也只有在强度弱的场所才成立。 就这样，相对论把这些定律从宇宙的绝对真理的宝座上拉了下来，证明它们无非是相对真理而已。 对牛顿的经典物理学进行了全盘的否定之后，爱因斯坦提出了全新的时间空间和运动概念，并经过复杂的数学推导和运算，最终导出了一系列重要的狭义相对论结论。 当爱因斯坦发表狭义相对论的观点时，年仅26岁。一个年仅26岁的年轻人，竟然把支配物理科学200年之久的牛顿物理学大厦给彻底摧毁了，整个世界为之哗然、愕然！ 广义相对论问世 1912年冬天，当第一场瑞雪普降人间的时候，大地白茫茫的一片好干净，天与地之间一片澄明，人们纷纷来到雪地里堆雪人、打雪仗。 爱因斯坦踏着地上的积雪，口里哼着一曲古老的歌谣，又回到了苏黎士 （瑞士）联邦工业大学。从这时起，他有了一笔丰厚而稳定的收人，生活得非常幸福美满，对自己的婚姻也觉得很满意。 然而好景不长，1914年4月，爱因斯坦又把家搬到柏林，在那里，爱因斯坦接受了普鲁士科学院的一个职位。那年夏天，他的妻子和两个儿子在瑞士度假，由于一次大战的爆发而不能返回柏林，几年之后，这一被迫性的长期的两地分居导致了离婚。 爱因斯坦厌恶战争，他曾利用自己的影响，号召人们同法西斯主义进行坚决的斗争，并不惜代价去阻止罪恶的战争，“他必须准备坐牢，准备经济破产，总之，他必须准备为他的祖国的文明幸福的利益而牺牲他个人的幸福”。他还直言不讳地批判了德国军国主义。 但爱因斯坦始终没有忘记自己肩上所担负的神圣的使命，他更加全神贯注地去完成他的广义相对论。 为了研究广义相对论，爱因斯坦可真是不要命了，多年以来没有规律的生活，给他的身体造成了巨大的伤害，肝炎和胃病几乎要把他给摧垮了。 爱因斯坦以为自己得了癌症，于是，他更加自觉地抓紧一切时间，真是达到了不吃饭不睡觉的地步。 为了研究，他把自己关在一间小阁楼里，把门从里面反锁着，不让任何人打扰，只是到了黄昏时分，他才出去放放风。 两个星期之后，爱因斯坦面无血色地从小阁楼里走了出来，手里抱着一叠厚厚的文稿，大声地向世界宣布：我研究出来了！就这样，广义相对论诞生了。 1916年，在《物理学》杂志上，他发表了《广义相对论的基础》一文。 诺贝尔物理奖金获得者马克斯·玻恩把广义相对论看作是“人类关于大自然的思想的最伟大成就，是哲学的深度、物理学的直觉和数学的技巧的最惊人结合”。 广义相对论是一种没有引力的新引力理论，是适用于所有参照系的物理定律。 广义相对论认为，时间空间与物体运动整体的不可分割性，不但在匀速直线运动情况下存在，而且在有加速度运动的情况下，也同样存在。 爱因斯坦还进一步指出，加速度运动与引力场 （重力场）引起的运动就是一回事，是等价的或等效的。这就推广了相对论的基本内容。 根据等效原理，引力可以等效为加速系统中的惯性力。引力可以被一个加速系统完全抵消，引力也可以用一个加速系统体现出来。 这样，爱因斯坦就把引力进一步归结为由加速系统所体现出的时空几何特征。不同的加速系统就有不同的时空几何特征，则就代表不同的引力场。 所以，爱因斯坦的广义相对论又把引力与时间空间的几何特征联系起来了。所谓几何特征，那就是时间、空间距离的测量，时空的弯曲性质等。 那么，引力究竟是什么呢？引力就是时空的弯曲，在广义相对论中引力的本质就是时空弯曲，引力本身已不存在。 比方说，有两个质量很大的钢球，由于受万有引力而相互吸引，相互接近，这是牛顿的看法。 爱因斯坦的广义相对论则并不认为两个钢球间存在吸引力，它们之所以接近，是由于时空好像一张原来拉平的膜，现在两个钢球太重使这张膜压弯了，这时两个钢球是由于沿弯曲的膜滚到一起，即由于时空弯曲而沿短程线运动。可见二者是根本不同的引力理论。 爱因斯坦认识到，我们所生存的具有长、宽、高三个方位的空间和一直流动延续下去的时间，结合在一起成为四维时空的整个宇宙是弯曲而有曲率的。 爱因斯坦从广义相对论出发，作了一些伟大的科学预言，有的已经被观测所证实，比如水星近日星的进动，光谱线的引力红移和引力场中光的弯曲。 水星是我们所知道的离太阳最近的行星，它每绕太阳公转一周，离太阳最近那一点的位置就有些改变，这种现象称作水星近日星的进动。爱因斯坦根据广义相对论解释了当时人们不能圆满解释的这种现象。 爱因斯坦的第二个预言就是，引力场很强的恒星发出的光谱线向红端（波长比较长的一端）推移，l924年，在天文观测中证实了有引力红移现象。 其中较容易测量的是星星所发出的光线，从太阳旁边通过变得偏斜弯曲的数据。根据爱因斯坦的计算，可偏斜度为1.75弧秒。 据当时天文观测，1919年5月29日，赤道地区将要发生日全食，这正好被利用来观测太阳边缘所射来的星光。广义相对论能否被证实，就要看这一次的观测结果了。 全世界的科学家们都在翘首期待着这一天的早日到来。日食那天，观测队拍摄了大量的日食照片，经过对这些照片的显影与分析研究，终于测得光经过太阳附近的弯曲度是1.61到1.98弧秒之间。它与爱因斯坦的计算相差无几。 爱因斯坦一直把广义相对论看成是自己一生中最重要的科学成果。确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论，到目前为止，依旧是一个最好的引力理论。 当然，在以后的几十年中，由于很少得到新的观测或者实验的检验，同时也由于广义相对论的数学结构过于艰深，广义相对论在差不多半个世纪的时间里受到了冷落。 本世纪60年代以后，广义相对论又重新散发出其特有的芬芳。 由于大口径的光学望远镜和射电望远镜的发展，陆续发现了一些新天体，那里存在着很强的引力场。而广义相对论正是进行这方面研究的重要工具，它曾经预言过有引力波。 引力是从牛顿时代就已经为人们所广泛了解的，而引力波就不同了。这同人们很早就知道带电体之间有作用力，但是不等于已经认识到电波的存在一样。 直到1978年，人们才从对一个脉冲双星系进行几年观测结果的分析中，找到了引力波存在的间接证据。 爱因斯坦还根据广义相对论，提出了关于宇宙的有限无边模型，推动了宇宙学的发展。 广义相对论的问世，使爱因斯坦这个名字迅速传遍了全世界。这使爱因斯坦感到不可思议。 有一次，他的儿子问他：“爸爸，你怎么会出名的呢？”他先是哈哈大笑，然后作了一个形象、生动、传神的比喻：“儿子，你看，一个盲目的甲壳虫在一个球面上爬行，它没有意识到它走过的路是弯的，而我能意识到。” 当爱因斯坦期待着罪恶的战争能早一点结束的时候，他越来越多地卷入到和平运动中去，甚至有好几次到大街上去散发传单。他在给朋友的信中，感慨万千地写道： “古代的耶和华仍然无处不在。哎，他把无辜者和犯罪者一道屠杀，他使那些犯罪者盲目得如此可怕，以致他们竟然不会有犯罪的感觉…我们正在应付一种流行的谬见，这种谬见业已造成无穷的苦难，它有一天将会消失，成为后代子孙惊奇的一种荒谬可怕而又无法理解的源泉。” 然而，爱因斯坦对人世间的一些事情却看得过于简单，1918年，德意志共和国宣告成立和实行停战，他就曾十分天真地认为，军国主义在德国已经彻底根除了。 统一场论 尽管20年代，对于爱因斯坦的相对论，人们持欢迎的态度，也夹杂着一些恶声臭骂，而爱因斯坦却没有在乎别人是怎么说他的，他仍旧一如既往地走着自己的路，去寻找电磁和引力之间的数学关系。 爱因斯坦认为，这是发现掌管从电子到行星宇宙万物运行的共同规律的第一步。 爱因斯坦企图寻求一个方程或公式把物质和能的各种普遍性质都联系起来，这就得到了所谓的统一场论。 统一场论是爱因斯坦着力攀登的一座高峰，尽管这场攀登从一开始就注定是要失败的。他除了选择的目标比别人高大外，在达到这个目标的征途中，还大刀阔斧地使用了批判的武器。 当然，爱因斯坦的批判不是指向个别的科学推论，而是直接牛顿力学的基石，指向绝对的时空观。 牛顿力学认为，物质的质量是不随机械运动而变化的，是绝对的；描述物体运动的空间和时间也是脱离物质运动而绝对孤立地存在的；空间就是欧几里得几何学中的三维空间。 爱因斯坦认为，我们衡量物体长度的尺子本身是和物体同样处在一个运动的坐标系中，如果用一个固定不变的尺子，是没法衡量一个运动物体的长度的，因此长度所表达的空间不是绝对孤立地存在的，空间是跟运动和物质相联系的。 然而，爱因斯坦没有能够完成统一场论，他没有能够把引力理论和电磁理论统一起来。因为迅速发展着的量子理论揭示，单个电子的运动是无法预测的，它在任何时刻的位置和速度都不能以同等精确度来测定，也就是说，亚原子层次的任何物理体系的未来是不能预测的。 爱因斯坦完全承认量子力学的辉煌成就，但却拒绝接受认为这些理论是绝对的想法，而坚信他的广义相对论对于未来的发现是更能令人满意的基础。 爱因斯坦曾经说过一句话，表明他相信宇宙是精确设计成的：“上帝是难以捉摸的，但不是心怀好意的。”在这一点上，他同绝人多数物理学家没有能够走在一条道上。 对此，德国物理学家玻恩曾经作过这样的评价：“我们中间很多人都认为，这无论对他还是对我们都是一出悲剧，他在孤独中探索自己的道路，而我们失去了我们的领袖和旗手。”这一评价，以及别人认为他后半生的工作大部分是徒劳的断占，只有留诸后世来加以评判了。 然而，爱因斯坦确确实实是老了，这是不以人们的意志为转移的。 独特的人格 爱因斯坦寄寓在柏林的两间小房子里，过着简单朴素的生活，如同清教徒一般。这里没有接待过任何客人，除了他的助手和秘书之外，爱因斯坦很少让别人来这里。他过着完全隐居的独立生活。 这位大学者坐在一把古老的圈椅里，他那梦幻似的眼光远远越过了这座城市里所有的建筑、喧哗和骚动，一直望到了他自己也说不清楚的遥远的远方。 他的膝盖上放着不少张草稿纸，手里拿着一支老式钢笔，满纸写的都是公式和方程，突然，他的手停下来，眼睛朝向遥远的地方搜索。在沉思中，他还喜欢喃喃自语。 尽管爱因斯坦才50岁还不到，但他的脸上却明显地印有数十年来紧张脑力劳动所留下来的痕迹。他的头发已变成花白色，脸色也十分苍白，有着在大城市温室内生活的人的那种气色。 爱因斯坦最大的业余爱好是音乐，特别是经典音乐。在这里，感受之深，寓意之远，是同至高无上的美的形式交织在一起的，这种和谐的统一，在爱因斯坦看来，就意味着人间最大的幸福。 在大事小事中时时感受到的人类要生存的这种意志已经通过音乐上升到一种绝对的力量，这种力量反过来又吸收了各种感受，并把它融化为高超的美的现实。 爱因斯坦本人就是个熟练的提琴家，他每天都要拉一会儿他心爱的小提琴，这时，他就完全被带进了扑朔迷离的音乐王国之宫，他沉缅于丰富的幻想或快乐的思想之中，忘却了人间世界，滚滚红尘的喜怒哀乐他都毫无感觉，他完全进入了物我两忘的人生最高境界中去了。 爱因斯坦还喜欢独自即兴地弹奏钢琴，但是一有人进屋，他就立即中断不弹了。对于他来说，音乐是一件私事，不打算让外人听的，这意味着劳动之后的消遣，或者是新工作开始之前的娱乐或激励。 1928年初，爱因斯坦突然得了严重的心脏病，而且病情相当危险。他不得不停止了工作，躺在床上休息了四个月。这种状况持续了近一年的时间，他不得不取消了所有的活动，更深地走向孤独。 由于身体的原因以及他不喜欢公开的庆祝活动，他一直都在寻思着如何去回避他的50岁的祝寿活动，他须寻找一个地方，所有的人都找不到他。 为了免去一切风险，他于生日的前几天就来到了哈斐尔河乡间一个花匠的朴素农舍里来过他的生日。 他什么佣人也没有，他自己烧火做饭，自己给自己的生日燃放了一挂长长的鞭炮，自己给自己唱起了生日祝福歌，他是多么地快活，也全然不管这一天全世界的报纸都在发表有关他的文章，也全然不管这一天全世界有多少人在向他表示崇高的敬意！ 在这个崇拜成功而对成功之前所走过的痛苦道路全然无知和冷酷无情的社会里，爱因斯坦觉得很不舒服，时常在郁郁寡欢的时候，他为自己的一些奇怪念头而感到震惊。 这个不公道的世界充满了那么多的陷阱和苦难，对他如此宽宏大量，又如此众多的诋毁和谋杀别的有价值的人，永无止境地迫害穷人和失败者，所有这一切都使得爱因斯坦充满着痛苦和失望。 爱因斯坦只能把自己越来越深地埋葬在科学工作中，沉默不语，与世隔绝，这个世界是属于他一个人的，天与地间，好像也只剩下他一个人似的，他什么都可以想，也什么都可以不想，这里没有狰狞的面孔，而只有真理和谬误。 爱因斯坦的声望并没有使他的本质的人性发生扭曲或异化。他一直都在逃避这种声誉所能带来的一切荣华和危险。这种声誉，一直是他所厌恶着的。 对大自然的无限接近使爱因斯坦感到极度的喜悦。尽管他住在柏林，但是他一直都不认为自己是个城市居民。他那么清晰地看到高楼大厦里所堆积着的人性的缺乏：束缚在劳役锁链下一大群贫穷的和富有的奴隶，而这种劳役的目标几乎完全是为满足物质需要。 而在大自然中，这一切都不复存在了。当爱因斯坦一头扎进了自然的怀抱中的时候，他看到了阳光、空气和草木，都伸出她们温暖而又柔软的手，轻轻地哼着眠歌，拍打着他，他便带着天真满意的笑容睡着了。 当人们大批大批地投身于物欲的泥坑里的时候，我们不能不把荣誉的棕榈枝授予爱因斯坦，他的工作是纯理性的，他的生活是宁静谦逊的。 然而，人类生活中所屡屡出现的那些灾难却一再打击着善良的爱因斯坦： 纳粹军国主义在德国的烧杀掳掠；国际联盟的软弱无能；预示着世界范围的经济危机的来临的纽约证券市场的崩溃；特别是他的小儿子爱德华神经失常，这件事比一切别的事件都更加严重地破坏爱因斯坦的乐观天性。 爱因斯坦多么希望战争能够不再继续下去，人类能够永远和平共处呵！ 为了敦促1932年2月在日内瓦召开的世界裁决会议能够达成裁军协议，他竟然准备建立爱因斯坦反战者国际基金。 当这些会谈失败了的时候，爱因斯坦感觉到他多年来支持世界和平和人类谅解的活动所得到的只是一场空。他以少有的愤怒向记者发表声明： “他们（政客和政治家）骗了我们，他们愚弄了我们。上亿的欧美人民，和将来出生的亿万男女都已经受骗和正在受骗，被出卖，被骗去了生命、健康和幸福。” 1933年，阿道夫·希特勒就任德国元首之后，纳粹分子没收了他的全部银行存款，冲进他的住宅抢走了他夫人保险箱内的财物，把他在柏林的心爱的别墅洗劫一空，暴徒们还在大街上公开烧毁他的手稿和著作。希特勒政府还公开取消他的德国国籍。 爱因斯坦的生命面临着巨大的威胁。他被一艘私人快艇送到了美国的普林斯顿。肉体的和精神的双重打击，使他更加衰老了。一个朋友这样写道： “似乎有什么东西在他心里死灭。他坐在我们家里的一张椅子上，用手指搓弄他的白发，精神恍惚地谈论世上种种事情。他再也不笑了。” 1939年，丹麦原子物理学家玻尔带给爱因斯坦一个消息，说已经有人分裂了铀原子，总质量稍有点亏损，因已转变为能量。 玻尔设想，如果分裂铀原子的链式反应能够加以控制，那就会产生巨大的爆炸。 爱因斯坦担心纳粹会首先制造出这种“炸弹”，便写信给当时的罗斯福总统，建议美国在“原子弹”研究上要赶快行动。 爱因斯坦没有直接参加原子弹的研制工作。直到1945年广岛被炸为平地以后他才知道核裂变炸弹已经搞成功。然而，爱因斯坦的名字却同原子时代的来临引人注目地联系在一起。 爱因斯坦不止一次地呼吁美国政府，不要让科学的发现变做杀人的武器，然而，他的愿望无人理睬。 同他在过去时代的声誉相比，爱因斯坦已经越来越不为人所重视，他自己说，他觉得自己在这个世界上很像是个生客。他的身体状况越来越差，已经不能再拉小提琴了。许多年以前留下来的胃病迫使他放弃抽烟，而且还必须十分注意自己的饮食。 1955年4月15日，爱因斯坦住进了医院。他在安静地等待终结，他感到在这地球上已经完成了他的使命，他不止一次地对来探望他的亲人说：“我在这里已经把事情做完。” 由于大动脉外壁破裂，他的身体不可阻挡地被损毁，但他的内心是健康的，甚至可以说是愉快的。 有一次，他对来访的一位朋友说：“我在最后时刻里所经受过的，不是人所能忍受的。——我也许再也不能忍受了！” 但是，在顽强地抵抗所有来自肉体的痛苦的时候，他还拒绝吃药，拒绝打针，拒绝同任何人讨论动手术。 他默默地然而从容镇静地忍受他的命运，直到生命的最后时刻，他还发出一股内在的力量，闪烁出一种巨大的人格的光辉。 1955年4月18日凌晨1时25分，阿尔贝特·爱因斯坦的心脏停止跳动。 在人类无始无终而又无穷无尽的悲哀与寂静中，只有歌德的诗句在人类头顶的上空沉默地回响着： 我们全都获益不浅， 全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星，光芒四射， 把无限的光芒同他的光芒永相连结。 查德威克 当爱因斯坦的名字如日中天的时候，还有无数的物理学家们仍旧在科学的道路上，默默地执着地奋斗着，这是一条充满艰辛的路，这更是一条充满乐趣的路。 詹姆斯·查德威克无疑是这众多科学家中的一员，在物理学这条羊肠小道上，他一直在努力着，不管遇到多么大的困难。 锲而不舍，金石可镂。1932年，从英国剑桥大学的卡文迪许实验室里，传出了一个令世界为之震惊的消息：中子发现了。 当查德威克经过无数次试验，终于用a粒子成功地轰击铍等轻元素，发现了“中性粒子”即中子时，泪水禁不住夺眶而出，十几年来，他走过了怎样的一条光荣而又布满荆棘的路啊！ 1891年10月20日，詹姆斯·查德威克出生于英格兰柴郡。这是一个性格内向而又不爱哭泣的孩子，出生的时候，他好长时间都没有哭，当接生妇在他的小屁股蛋上使劲打了三下以后，他才“哇”地一声大哭了起来，用他的哭声宣告他经过十月怀胎以后，来到这个注定要含辛茹苦的世界了。 像其他别的孩子一样，查德威克在8岁的时候，背着书包上学了。他个子长得不是太高，性格又温和，大一些的同学老是欺侮他，有一次甚至把他的书和书包全都扔进了学校前面的河里去了。 查德威克实在忍无可忍了，随手拾起地上的一块碎砖头，狠命地向那个扔他书包的大个子男同学砸去，大个子头被砸出了一个小洞，血直往外流。 后来，查德威克被爸爸妈妈狠狠揍了一顿，他也不去解释，任泪水在眼眶里直打转儿，也没让它流下来。爸爸妈妈又提着一篮子鸡蛋，要去给那个大个子赔礼道歉，查德威克死活也不愿意一道去，他坚信自己没有错。 上中学的时候，他的各门功课的成绩都差不多，对物理也没有产生出特别的兴趣，有好几次测验，他都没考及格。 查德威克性格内向，有时一整天都不说一句话，下课的时候，他喜欢独自一人，站在窗前，看天上一朵流动的云，或者看同学们忙忙碌碌在争抢一个篮球。他喜爱陷人无限的遐想状态中去。 但是，他却有一套独特的学习方法。对于那些不会做的习题，凡是他没有搞懂的题目，他决不勉强自己去做，或者把同学做好了的，拿来自己抄一遍，他总是想方设法把问题给弄清楚。 而一旦搞清楚了，他又不是赶任务似地，把题目做出来，总是在草稿纸上，尝试用好几种方法来解这个题目，最后才选择出一种最便捷的方法，把题目做在作业本上交给老师。 他有个座右铭，这就是：“不成功则已，要成功，成绩就应该是颠扑不破的。”这个座右铭，一直陪伴他度过了中学时代、大学时代，乃至他的一生。 1908年，查德威克考入曼彻斯特大学，好像冥冥之中有个什么在主宰着他似的，他选择了物理学专业，从此，他就同物理学结下了不解之缘，并把自己所有的智慧、热血和生命奉献给了这门古老而又充满魅力的学科。 在大学期间，他仍是那么沉默寡言，有点腼腆甚至有点害羞，当同学们纷纷流连于舞厅、咖啡厅和花前月下的时候，他却把自己投入到物理学的星空中去，跟那些已故的大师们亲切握手，倾心交谈。 甚至当一个女同学恶作剧似地给他写了一封情书的时候，他居然被弄得手足无措，并且被吓哭了，这件事一直被传为笑话。 查德威克不喜爱出风头，不爱抛头露面，正是由于这种不慕虚名，不为浮名所累，任劳任怨脚踏实地的治学精神，使他一生在物理学的研究上取得了一个又一个辉煌的成就。 1911年，查德威克以优异的成绩从大学毕业，此后在卢瑟福教授的指导下在曼彻斯特物理实验室工作了两年，从事各种放射性的研究。 没过多长时间，他用a射线穿过金属箔时发生偏离的实验，有力地证实了原子核的存在。 由于他卓有成效的工作受到当时科学界的认可，1913年，他荣获科学硕士学位，并取得了“1851年奖学金”，赴柏林夏洛腾堡技术物理研究所，在H·盖革教授指导下工作。 盖革教授是计数管的发明者，查德威克在他的精心指导下，成天把自己关在实验室里，潜心研究放射性粒子探测技术，并取得了相当重要的研究成果。 正当查德威克准备大展宏图的时候，不幸扇动着丑陋的翅膀，降临在他的身上 。 第一次世界大战期间，正在实验室里认真观察实验结果的查德威克，被一伙法西斯分子，用枪托打昏以后，带进了德国鲁赫本平民拘留所。他是被当作战俘扣留在这里的，尽管他从来也没有参加过战争。 在拘留所里，法西斯分子硬逼他承认杀死了多少多少德国士兵，还逼他承认他是英国政府派来的间谍。倔强的查德威克用沉默来表示他的抗争，法西斯分子就用种种酷刑来折磨他，他常常被折磨得死去活来，但他一滴泪也没有流过。 更令他痛苦不堪的是，他无法继续从事他心爱的实验工作，去探索人类那么多的未知领域了。这对于一个无限热爱科学事业的人来说，是一个多么巨大的遗憾。 然而，他没有自暴自弃，更没有用死亡来了却自己的痛苦。后来，他利用法西斯分子对他稍微放松了看管的机会，联合其他几位战俘科学家，在拘留所里，搞起了一个小小的实验室。 这间实验室是一个只能拴两匹马的废旧的马棚，查德威克等人就是在这里从事β射线的实验的，当马粪和马尿的臊臭味不绝如缕地飘进他们的鼻子里的时候，他们却浑然不知。他们沉缅于β射线给他们带来的巨大的快乐之中，他们感觉这样的实验，真是别有情趣。 1918年，第一次世界大战结束。多行不义必自毙，德国宣布无条件投降。查德威克也被释放。长夜漫漫，终于到了尽头，他回到了自己魂牵梦绕的祖国——英国。 1919年，他接受了英国剑桥大学冈维尔和凯恩斯学院的沃拉斯顿奖学金，继续在卢瑟福教授的指导下工作，这时，卢瑟福已经就任剑桥大学卡文迪许实验室主任，查德威克也来到了这里。 就在这一年，卢瑟福和助手们合作，用α粒子轰击氮原子核的时候发现，氮原子核破裂以后，发射出原子量是一个带正电粒子，这种粒子被命名为质子 （实际是氢原子核），破裂以后的氮原子核和α粒子结合成氧原子核。 卢瑟福这个实验表明，不但放射性现象会导致原子自然蜕变，从一种元素变成另一种元素，而且可以用人工方法变革原子核，把一种元素变成另一种元素。 在剑桥大学，查德威克自始至终都参加了卢瑟福进行的用α粒子轰击的方法使其他轻元素嬗变的工作，并对原子核的特性和结构进行了认真的研究。 1920年，查德威克通过对α粒子散射所进行的测量，最先测定了原子核所带的绝对电量，即核电荷数，结果和莫塞莱的原子序数理论吻合得无与伦比。 早在1919年，卢瑟福用氮第一次探测到核蜕变效应，查德威克站在导师肩膀上，继续向前苦苦地求索着，终于发现了γ射线所引起的核蜕变。 因为查德威克成就卓著，他被升任为卡文迪许实验室副主任，并于1927年当选为皇家学会会员。 事业上的巨大成功，使他深深地受到利物浦的艾林·斯图尔特·布朗小姐的青睐，然而查德威克天生不会谈情说爱，布朗小姐只好主动发起进攻，他才渐渐地开了窍。 1925年，34岁的查德威克和布朗小姐终成眷属。结婚以后，查德威克过上了幸福美满的家庭生活，并在一年以后，有了一对孪生儿女。他全身心地体会着人世间的这种天伦之乐。 查德威克喜爱养花，他把自己的实验室和居室都变成了花房，闲暇时分，浇浇水，松松土；累了的时候，看看花，赏赏景，他满足地陶醉于花的芬芳和花的鲜艳中。 业余时间，查德威克还喜爱和妻子一起骑上自行车，带着一对儿女，到芳草碧连天的河边去钓鱼。可是，有好几次，当鱼把钓杆都拖到水里去了的时候，他竟然一点也没有觉察到。 查德威克又把思绪投入到扑朔迷离的物理世界中去了。 终于发现中子 早在1896年，法国科学家柏克勒尔发现了放射性现象，当时，物理学家们把它解释为原子核的自发衰变，这说明原子核是由许多更小的微观粒子构成的。 本世纪20年代，人们已经知道了两种亚原子粒子：汤姆生发现的电子和卢瑟福预言的质子。 1903年的时候，汤姆生提出了原子的“西瓜模型”。按照这个模型，原子是由正电荷物质 （带正电流体）均匀分布在原子的整个体内，负电子则嵌入连续正电荷中，像瓜子在西瓜中一样。 因为电子互相排斥，另一方面则向中心的正电荷处吸引，并且假定它们会在原子内部达到一定的稳定位置。 假如这种分布是由于一些外在力量，例如两个原子在高温气体中激烈地碰撞，电子被假设为开始环绕它们的平衡位置振动，发射出相应频率的光波。 但这个模型不能解释不同元素为什么会发出不同的光谱。 卢瑟福则通过大量的实验，开始预言质子的存在。 1919年，卢瑟福决定开始轰击原子。他想知道，能否用人工促成的方法使一种元素转变为另一种元素。 他认为要改变元素首先要改变核上的电荷，唯一的途径是使别的原子核同它发生非常强烈的冲撞，这就要求另一原子核具有非常高的速度。 卢瑟福选中了镭所放射的α粒子，它具有每秒几千英里的速度，这个速度所产生的力使它成为最理想的“子弹”。 卢瑟福精心设置了实验装置，从而更好地捕捉从原子核中打出的碎块。 他在一个能充气的金属桶的中间放置一小块镭盐，镭盐不断发射α粒子。尽管α粒子的速度很高，但在正常压力的气体中，它不断与周围气体分子发生作用，它们约在1厘米之内静止下来，并吸引电子，从而变成普通的氦原子。 卢瑟福在大于α粒子射程的距离外，安放一块硫化锌屏，这样他在显微镜下看不到一点“闪光”。 他首先把桶里充满氧气，等了好长时间，没有看到闪光。 他又换用氮气充入桶内，心情异常紧张地通过显微镜观察，突然间，他高兴得大叫一声：“闪光！”在屏幕上看到一点微弱的闪光，间隔片刻，又见到一闪…” 卢瑟福高兴得跳了起来，因为他断定这是α粒子打击氮气后产生碎片的闪光。 为了确定这碎片，他又借助于磁场测定碎片的质量和电荷，结果确定碎片是氢核，后来人们称氢核为质子。 卢瑟福借此断言，质子都在原子核内，但假使原子核的质量都是由质子构成的，那么就会有太多的正电荷。 因此，人们普遍认为，原子核中必定含有一些电子，这便中和一些质子的电荷。因电子是极轻的粒子，所以不大会改变质量。 甚至还有人认为，电子在核内起到了类似于水泥的某种作用，它把质子聚拢在一起，因为如果没有电子，带有同性电荷的质子就会互相排斥而飞离。 但是，从理论上看，上面的这种观点有站不住脚的地方。 倒是另外一种观点比较有理论根据，即认为原子核内可能存在一种不带电的粒子。 卢瑟福和查德威克不知探索了多少次，他们极力想找出这种粒子，但是都失败了。 1930年，德国物理学家玻西在一次国际会议上报告说，他在用α粒子轰击铍钯时观察到一种前所未见的很强的辐射，它能穿透几厘米厚的铅板。 据当时所知，被轰击物质产生的所有射线中，只有γ射线能够穿透厚铅板，于是，他没有再做深入研究，就把它当作γ射线做了报道。 1931年，法国的居里夫妇在研究铍辐射时，让辐射从一个很薄的窗口射入装有空气的电离容器，当窗口放有石蜡或其他含氢物质时，容器中的电离就增强。他们认为电离增强是由于石蜡发射出了高速质子。 1927年的诺贝尔物理学奖金获得者威尔逊先生制造了云室，在云室中可以观察带电粒子（质子或电子）的径迹。 借助于云室就能计算出石蜡释放出的质子的能量，从而计算出产生质子束的铍辐射的能量。 问题很清楚，如果假定铍辐射是γ辐射，那么得出的能量值就会大得出奇，决不可能使能量值与引起铍辐射的能量一致起来。 查德威克对铍辐射作了研究，他发现很多别的元素，例如氦、锂、碳等，也有类似的辐射。 通过对碰撞的能量条件所作的广泛研究和计算，他很快就确定铍辐射不可能是γ辐射，而是由比电子大得多甚至与质子一样大的粒子组成的。 1932年，查德威克在一张α粒子轨迹的云室照片上看到一条非常细的线条，正好在照片的中间，却不出现明显的来路。 经过认真地分析，这细线条只能是氢核的踪迹，一个由于某种碰撞或别的原因释放出来的氢核，而造成碰撞的粒子却没有影踪。 但是，查德威克深信，应当有这样一个粒子，否则就不可能出现以极大速度射出的氢核。 然而，这个粒于在云室中却没有留下任何痕迹，所以，对它的描述应该是这样的：无影无踪，不可捉摸，却能给受轰击的原子核狠狠一击，使氢核从中释放出来。 查德威克首先确定这种新射线不会被磁场偏转，因此它是不带电的中性粒于。然后确定这种粒子的速度不到光速的1/10，从而也就排除了它是某种 γ射线的可能性。 接着，查德威克又通过巧妙的碰撞实验，确定这种新粒子的质量差不多。 这样一来，查德威克圆满地解释了过去所引起的一系列不解之谜。他认为：由于这种新粒子质量较大，所以很容易将石蜡中的氢原子核——质子打出来。 又因为这种粒子不带电，是中性的，在威尔逊云室中，这种中性粒子经过的路径中不产生大量电子和正离子，不能引起水蒸汽的凝结，因此照片中不能摄得这种粒子经过的径迹，它在整个过程中始终扮演着不露面的“隐身人”的角色，只有当打出质子后，才暴露出它曾经出现过。这样也就回答了居里夫妇所疑惑不解的问题。 20年代，卢瑟福所预言的“中子”，终于被查德威克找到了。后来，查德威克用γ射线照射氚核引起裂变，又用人工方法也获得了中子。 查德威克在写给英国《自然》杂志编辑部的一封信中指出：“如果我们假设这种放射性物质是由质量为1、电荷为0的粒子，即中子构成的，那么，一切难题就可以迎刃而解了。” 查德威克的中子的发现，对原子核科学领域作出了重大贡献。 中子是不带任何电荷的，它与氦核（α核线）不同，后者是带电的，因此在重原子核中受到很大的电排斥力。 中子作为使原子嬗变的新工具，它不需要克服任何电的势垒，甚至能够穿过和分裂重元素的原子核。 这样，查德威克为铀235的分裂和制造原子弹开辟了一条途径。 因此，人们普遍认为，中子打开了人类进入原子能时代的大门。 同时，中子的发现，还在理论上带来了一系列深刻的变革。中子发现后不久，德国物理学家海森堡提出了原子核是由质子和中子组成的模型。 |
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