勞厄x射線衍射的發現及其對大學創新教育的啟示

盧都友 石防震 張 華

(南京工業大學材料科學與工程學院,南京 10009)

1895年倫琴(W.C.Rontgen)發現x射線在全球引起轟動,但隨后的十幾年物理學界對x射線本質的認識并無顯著進展。1912年,勞厄(M.Von Laue)發現x射線晶體衍射,一箭雙雕,解決了當時的兩大科學難題:證實了晶體點陣結構的周期性和x射線的波動性。這一發現被愛因斯坦稱為“物理學中最完美的實驗”,勞厄因此獲得了1914年度諾貝爾物理獎。更重要的是,勞厄的發現直接啟發了隨后布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.Bragg)對晶體衍射的進一步研究和晶體結構測定方法的建立,從而為x射線晶體學和x射線光譜學奠定了基礎。這些工作不僅使物理學中關于物質結構的認識從宏觀進入微觀、從經典過渡到現代,而且開拓了現代化學、生物醫學等,使科學技術產生了劃時代的進展。

x射線衍射的發現不僅對自然科學產生了深遠的影響,作為科學創新的典范,天才物理學家勞厄的成長經歷和x射線晶體衍射的發現過程也蘊涵著豐富的創新教育資源。深入認識勞厄成功對科學研究和創新教育的啟示,并在科學研究和人才培養過程中自覺踐行,對我國高校正在大力推進的創新教育具有現實意義。

一、x射線衍射發現的科學背景

(一)1895—1912年x射線性質研究進展

1895年倫琴x射線的發現吸引了大批物理學家和醫學工作者競相投入該領域研究。醫療方面的需求,促進了x射線管技術的進步和商業化進程,但物理學界對研究的熱點——x射線本質的認識并無顯著進展。

物理學界對x射線本質存在對立的兩種觀點——電磁波和微觀粒子。波動性研究方面,倫琴在第一篇通訊中就寫道:“我已按很多方法檢測x射線的干涉現象,但不幸的是都沒有成功,也許僅僅是由于它們的微弱強度”[1]。1903年,荷蘭物理學家哈戈(H.Haga)和溫德(C.H.Wind)以及沃爾特(B.Walter)和坡耳(R.W.Pohl)的楔形狹縫實驗觀察到楔形端點處射出的x射線束加寬,并將其歸結于x射線的衍射所致。倫琴的主要助手科赫(P.P.Koch)對該實驗照片進行了光度學測量,索莫菲(A.Sommerfeld)根據這些測量結果和傳統衍射理論計算的x射線的波長為4×10-9cm[2]。1905年英國物理學家巴克拉(C.G.Barkla)發現了x射線的偏振性,似乎為x射線的波動理論提供了進一步證明,對認識x射線的本質前進了一大步。但這些實驗還不足以判定x射線是波還是粒子。英國物理學家亨利.布拉格(W.H.Bragg)根據γ射線和x射線能使原子電離、在電場和磁場中不受偏轉以及穿透力極強等事實,認為x射線和γ射線一樣是粒子。1904年x射線可使氣體電離的實驗鞏固了其粒子觀點。除此之外,1905年,愛因斯坦(A.Einstein)將普朗克提出的能量子概念推廣到光,提出了光量子概念,成功解釋了赫茲(H.R.Hertz)于1887年首次提出的“光電效應”[2]。x射線也同樣具有這一效應,進一步支持了x射線的粒子性觀點。

1907—1908年,巴克拉和布拉格在科學期刊上展開了一場關于x射線是波還是粒子的爭論。雙方都有一些實驗事實支持,爭論并沒有得出明確結論。但這場爭論促進了對x射線本質認識的研究,加速了后來對x射線波粒二相性的融合。巴克拉的x射線偏振實驗和波動性觀點是后來勞厄發現x射線衍射的前奏。

對x射線性質認識的另一進展是1909年巴克拉發現的特征輻射,即元素發出的x射線輻射都具有和該元素有關的特征譜線(也叫標識譜線)。

(二)晶體學研究進展[2]

1784年,法國結晶學家奧伊(Hauy)提出晶體結構理論——晶胞學說;1848年,法國結晶學家布拉維(A.Bravais)確定了14種空間點陣型式——空間點陣學說。在奧伊和布拉維的時代,礦物學家便根據原子的空間點陣的簡單排列直觀地解釋了結晶學的基本定律,即有理指數定律。松克(L.Sohncke,1879年)、費多羅夫(Federow)和申夫利斯(Schoenflies,1891年)使空間點陣的數學理論達到了最大程度的完善,但是并未從這條思路得出更深刻的物理結論,因此對于物理學家來說,這個理論仍是一個待商榷的假設。

1912年前后,盡管這些理論在其他地方幾乎銷聲匿跡,但慕尼黑大學仍然用空間點陣學說解釋晶體結構[3]。該校礦物學教授格羅特(P.Groth)主持礦物學研究室工作,除主編《晶體學與礦物學報》,還編著《化學晶體學》專著[4]。在慕尼黑大學的研究所里陳放著松克的空間點陣模型。勞厄在慕尼黑大學的耳聞目染,使其確信原子的真實性,并贊同空間點陣理論。正如勞厄在頒獎演說中所說:“與當時為數不多的哲學家對原子的真實性所持的懷疑態度相反,我很早就確信,沒有什么嚴謹的認識論的論據能夠反對這個事實,同時實踐經驗也不斷地提供新的證據來支持這個理論”[2]。空間點陣理論為勞厄日后x射線晶體衍射的發現奠定了晶體學基礎。

(三)勞厄的教育和工作經歷[3]

勞厄1879年生于德國科布倫茨附近的普法芬多夫。1898年進入斯特拉斯堡大學,次年秋天轉入哥廷根大學學習數學、物理學和化學課程。在哥廷根大學深受物理學教授福格特(W.Voigt)和數學教授赫伯特(D.Hilbert)的影響,為從數學方法所能獲得關于自然的豐富信息所折服而決定從事理論物理研究[3]。在此期間,勞厄學習了剛剛在德國獲得承認的麥克斯威電磁理論。這是一門起初令其抓狂、最終帶來巨大喜悅的理論,錯綜復雜的過程濃縮在優美、簡潔的方程中,為其展開了新世界。1901年勞厄進入慕尼黑大學,除了倫琴在其實驗室的談話和“功的理論”課程外,在知識方面沒有太多收獲。一學期以后,勞厄于1902年進人柏林大學,修讀了普朗克(M.Planck)講授的理論光學、熱力學、盧梅爾(O.Lummer)教授講授的光學專題(干涉光譜學和熱輻射等)課程,并在普朗克的指導下做博士論文“關于平行板干涉現象的理論”。同時,勞厄學習了完全反轉其日后生活的哲學課程,正是這些哲學課程使他認識到即便是他酷愛的物理學也應以哲學為中心而作為服務哲學的一部分。柏林大學的這段生活是勞厄收獲知識、身心愉悅、過得最為充實的一段大學時光[3]。

1903年在柏林大學獲得博士學位之后,勞厄到哥廷根大學工作了兩年,同時學習了亞伯拉罕(M.Abraham)教授的電子理論課程,該課程從原子層次證實了麥克斯威電磁理論。1905年普朗克為其提供“理論物理”課程的助教位置。3年的助教工作,勞厄實現了由學生到老師的轉變。盡管學生時代曾認真地做過相關題目,但在評判、修改別人錯誤的過程中使其對課程有了更深刻的理解和更多向普朗克討論、交流的機會。與此同時,勞厄開始了自己獨立的科學研究,解決了光學反射和衍射更多的深層次問題。1909年,勞厄作為編外教師到慕尼黑大學,在倫琴和索莫菲身邊工作,講授光學、熱力學和相對論。

慕尼黑大學當時充滿著關注x射線本質的研究氛圍[3-4]。倫琴領導實驗物理方面的實驗室從事晶體物理學的研究。索莫菲作為理論物理的實驗室主任,專注于 x射線理論研究。實驗室成員包括德拜*(P.Debye)、勞厄和剛剛畢業的倫琴的博士生弗里德里希(W.Friedrich)。該實驗室基于波動理論,成功制備了對陰極x射線管(anticathode tube),估算了x射線波長,并在研討會上討論巴克拉發現的x射線偏振證據和元素的特征輻射等關于x射線研究的最新進展。勞厄在理論物理方面的知識基礎,慕尼黑大學理論物理大師、實驗物理大師、晶體學大師云集和濃厚的學術氛圍,為勞厄的發現提供了客觀條件。

(四)勞厄發現x射線衍射的過程

勞厄發現x射線衍射的過程在多處文獻中有過描述[1-6]。如前所述,勞厄在慕尼黑大學處在一個關注x射線本質研究的氛圍里。但是,用晶體衍射x射線思想的形成得益于與厄瓦爾德(P.P.Ewald)的一次學術討論的啟發。厄瓦爾德當時在索莫菲的指導下攻讀博士學位論文“各向同性的諧振子在各向異性介質中的光學性質”。厄瓦爾德在提交論文前就論文中關于晶體光學理論問題請教在光學方面有很高聲譽的勞厄。由于勞厄當時正為《數理百科全書》物理卷撰寫“波動光學”條目,并為此研究了晶格理論,把一維條紋光柵理論推廣到二維格子光柵。討論過程中,勞厄關注到諧振子的周期性位置和遠小于可見光波波長的間距,立即想到x射線在晶體中衍射的可能性,并設計了將晶體視為三維光柵讓x射線照射的衍射實驗。

勞厄的新想法起初并沒有得到索莫菲和維恩(W.Wien)等著名物理學家的支持,因為后者認為晶體中原子的熱騷動可能會破壞任何衍射現象。但是,勞厄得到了索莫菲的助手弗里德里希和倫琴的博士生尼平(P.Knipping)的支持和參與。三個年輕人在勞厄基于晶格衍射理論產生的天才想法指導下,結合弗里德里希和尼平高超的x射線實驗技術,成功觀測到x射線透過硫酸銅晶體的衍射現象。隨后勞厄把二維光柵衍射理論推廣到三維光柵,得到描述晶體衍射的勞厄方程。弗里德里希和尼平也為后來x射線衍射技術的發展做出了杰出貢獻。

二、對科學研究和創新教育的啟示

(一)科學研究方面

勞厄對“x射線波動性”和“晶體空間點陣”兩個似乎互不相干理論(學說)的熟悉和關注,在靈感思維指導下“一箭雙雕”的獨特實驗設計,解決了兩個領域懸而未決的兩大科學難題,并導致了兩個領域科學技術的劃時代進展。就科學研究本身來說,無論是發現的過程,還是產生的深遠影響,勞厄的發現都可謂是創新的典范。

勞厄的成功對科學研究方面的啟示已有較多論述[4-6]。勞厄發現x射線衍射的獨特創意,既非源于長期的實驗研究,也不是偶然的觀察,而是來自與厄瓦爾德討論問題時觸發的靈感思維[3]。靈感思維,作為創新思維的特殊形式,是指長期地專注、聚精會神于某一疑難問題的過程中豁然開朗,使問題得到解決的一種思維活動過程。其產生需要有厚實的相關知識積累和對問題的長期關注。對于勞厄而言,大學時代福格特、盧梅爾、普朗克等大師的課程、對光的波動理論的長期研究及隨后的助教工作經歷,為其奠定了完整的理論物理基礎;在慕尼黑大學對空間點陣學說的耳聞目染,使其堅信該理論的正確;倫琴、索莫菲等大師對x射線本質的關注和激勵,使他一直關注并清楚闡明x射線波動性本質的關鍵在于實現x射線的干涉和衍射;《數理百科全書》中“波動光學”條目的編纂使其對空間點陣和波動過程有著一種“特別的感受”。這些基礎和積累,使他對兩個互不相干的理論(假說)都有明確而具體的概念,為其靈感的觸發奠定了基礎。正如勞厄所說:“在此之前,我就注意到了產生x射線干涉的問題……在我忽然找到取得成功的捷徑以前,我并沒有過多地接觸這方面的工作,因此談不上有更多的預備工作”[2],“正是空間點陣理論觸發了研究透射束附近區域的思想”[3]。

(二)創新教育方面

就科研的主體——科學家本人來說,勞厄到慕尼黑大學工作時年僅29歲,33歲發現x射線衍射,35歲獲諾貝爾獎,并在以后的研究中取得了卓越成就和榮譽[3]。思考其成長經歷,特別是大學階段的教育和x射線衍射發現過程,對我國高校當前推進的創新教育同樣富有啟迪。

創新教育是以構建合理的知識結構為基礎、以創新思維培養為核心、以培養創新能力和塑造創新人格為目標的教育。在合理知識結構的構建方面,勞厄輾轉求學于4所大學,在自傳中特別提到福格特、赫伯特等這些促使他走上理論物理研究具有決定性影響的教授和課程。他們的課程使他驚嘆并折服于數理方法所揭示的關于自然的豐富信息,當課程中闡述的“理論的光芒意外照亮先前模糊不清的事實”時,他便充滿對真理最深的敬畏[3]。同時,他們理論聯系實際的教學使勞厄即便對純數學的學習也興趣盎然,使他感到努力不是“在空氣中游泳”或“向不存在的目標施力”。“麥克斯威電磁理論”課程起初令其抓狂、最終卻帶來最大愉悅,使其對光學有了“嶄新”的認識,為光學成為電動力學的一部分而倍加熱愛光學[3]。柏林大學普朗克的“理論光學”、盧梅爾(O.Lummer)的“光學專題”等課程無疑都對勞厄日后的研究和發現產生了重要影響。勞厄還特別提到哲學課程和博士學位儀式上的莊嚴宣誓對其生命的影響,哲學徹底轉變了其對物理學和生命意義的看法,莊嚴的宣誓使其終生持守“捍衛真理,從事科研不為利益和虛榮,只為真理的照耀和擴增”的信念。這些大學課程無疑都在勞厄的成長過程中留下了深刻痕跡,不僅豐富了其知識,更重要的是這些課程對其日后的成長產生了持久、深刻的影響。這些大師究竟采取了何種授課方式,我們不得而知,但從勞厄的“驚嘆”“敬畏”“豁然開朗”“徹底改變”等一系列深刻感受中,可以感知其對學習過程的享受和課程或教師對其產生的巨大影響。正是這些深刻的主體感受,使他獲得的知識不再是“儲存在器皿里的應付考試的客觀知識”,而是“構成”在里面成為可隨時支取的“活的知識”。也正是這些活的知識和對具體問題的專注,使他在適當時機產生靈感思維和對問題的深刻洞察力。因此,創新型人才合理知識結構的構建,除了在宏觀上圍繞特定專業培養目標制定合理課程體系外,知識獲取的過程(從何處獲取和如何獲取)對知識的使用效能、創新思維和創新人格的形成更為重要。注重課程教學和學習過程,探究能夠對學生產生深刻、持久影響的教學和學習新模式,是勞厄學習經歷對當前創新教育的重要啟示之一。

勞厄的偉大發現對創新教育的另一啟示是要注重質疑精神和團隊精神的培育。x射線衍射發現過程是在高水平研究氛圍中“靈感思維“的顯現,也是質疑精神和團隊合作的完美體現。勞厄最早提出的用晶體衍射x射線的新想法并沒有得到索莫菲和維恩等著名物理學家的支持,甚至x射線的發現者倫琴對他的想法也持懷疑態度。要知道他們分別是研究x射線本質和熱輻射的權威專家!維恩還因為發現輻射定律剛剛獲得前一年度(1911年)的諾貝爾物理獎。他們認為晶體中原子的熱騷動可能會破壞任何衍射現象。但是,勞厄得到了弗里德里希和尼平兩個年輕人的支持和參與。他們并沒有囿于大師的成見和理論的預測,三個年輕人獨立完成了這一偉大發現,并以實驗證實晶體中原子的熱騷動并不像理論預測的那么強烈。另一值得注意的方面是,勞厄最初想法的形成來源于與厄瓦爾德的討論,想法的驗證實驗的進行得益于年輕人之間的討論、交流才形成共識,驗證實驗的成功更是得益于弗里德里希和尼平的合作。兩人都是實驗物理學大師倫琴的學生,對相關的實驗環節和設備非常熟悉。最終,先進想法(理論)和高超實驗技術的完美結合,避免了很多彎路。21世紀現代科學技術更是復雜,任何創新的成功,團隊合作顯得尤為重要。

實在說來,勞厄成功的啟示,對我們并不陌生,有些甚至正在得到大力提倡。然而遺憾的是這些理念并沒有得到更多的貫徹。這些理念在創新教育中的成功實施涉及“教”與“學”兩個方面。近年來雖然在兩方面都有一些局部的探索,并產生了積極的影響。如教學方面,大師親自授課、不僅實現知識的傳輸,更重要的是對學生未來職業趨向有引領作用,受到學生的普遍歡迎;基于情景的合作式學習、探究式學習等注重過程和知識構建的深層次學習模式也有探索。但相比我國宏大的教育規模,這些探索仍顯單薄。

教育本身是科學,也是藝術,除應繼續在宏觀上探索教學、學習理論以及相應的方案調整外,在微觀層次上(具體課程、教與學的各環節)加強探索“注重知識構建過程”的途徑并大力推行,顯得更為迫切。由于我國高校教師科研和教學職能的長期分離,科研上成功的教師往往隨科研成績的提高逐漸脫離教學一線,使得擔任教學任務的主力大都是相對年輕的教師。盡管,年輕教師都具有較高的學歷,但擁有知識本身,甚至有豐富的自然科學成果,并不一定自然是一個卓越的教師。積極探索將科研能力轉化為教學能力和藝術的途徑,造就更多的科研和教學并重、能使學生能夠進入“角色”的大師,使學生在不同的課程中,能夠找到生命的意義,能夠在構建知識過程中驚嘆科學大師的創新思維和精妙實驗方法,能夠主體享受“模糊不清事實被真理照亮時豁然開朗”的愉悅,能夠在學習過程中認識自己的價值并學會合作,能夠對其日后成長產生深刻、持久的影響。誠如是,則我國人才培養質量的提高指日可待。

[1]Waston.E.C.T he discovery of X-rays[J].Am.J.Phys,1945,13(5):281-291.

[2]Von Laue M.Concerning the detection of X-ray interferences[R].Nobel Lecture Address,1915.11.12,http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Max_von_Laue.

[3]von Laue M.My Development as a Physicist.In:Ewald P.P.Editor,50 Years of X-Ray Diffraction[M],Utrecht:Published for the International Union of Cry stallog raphy by A.Oosthoek's Uitgeversmij.1962:278-307.

[4]郭可信.x射線衍射的發現[J].物理,2003,32(7):427-433.

[5]麥振洪.晶體x射線衍射的發現及其深遠影響[J].現代物理知識,2003,15(5):53-55.

[6]苑紅霞,劉戰存.勞厄對晶體衍射的發現[J].大學物理,2004,23(5):47-50.