實驗“失敗”的偉大

呂付國

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）05-0182-02

物理學的發展是一場史詩般壯麗的革命，更像是一個傳奇，好多是由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，亂花迷眼，我們看到了物理大廈在狂風暴雨下的轟然坍塌，卻又能在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。在驚濤駭浪的狂潮中，物理實驗中的“意外”現象總能發揮出具大的作用，可徹底的推倒一座華麗的殿堂，也可以構建另一幢雄偉的建筑。用“意外”這個詞，指的是實驗未能取得預期的成果，在某種程度上也可以稱為“失敗”實驗，現列舉四例，以饗讀者。

一、泊松亮斑

一直以來，物理學界對光的認識處于微粒說與波動說的爭戰中。在十八世紀以牛頓為代表的微粒說因牛頓力學的崇高而深入人心，惠更斯提出的光是縱波及“波前”概念卻只是曇花一現，隨即淹沒在歷史的滾滾長河中，但1807年托馬斯·楊正式向世人描述的光的雙縫干涉實驗，點燃了物理史上“第二次波粒戰爭”的導火索，這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現象證據確鑿，向微粒說提出了挑戰。決定性的時刻在1819年到來了，一個不知名的法國年輕工程師菲涅爾向法國科學院提交了一篇論文，在論文中菲涅爾采用了光是一種波動的觀點，并以嚴密的數學推理極為圓滿地解釋了光的衍射問題，他的體系洋洋灑灑，完美無缺，令科學院專家成員為之深深驚嘆。但有些擁護微粒說的科學家并不相信這一結論，其中包括泊松，泊松對菲涅爾的論文進行了仔細的審查，結果發現當把這個理論應用于圓盤衍射的時候，在圓盤陰影中間將會出現一個亮斑，這在泊松看來是十分荒謬可笑的，陰影中間怎么會出現亮斑呢？這一審查結果差點使得菲涅爾的論文中途夭折，但菲涅爾的同事，同為科學院專家的阿拉果在關鍵時刻堅持要進行實驗檢測，泊松對此不以為然。最終，“奇跡”卻發生了，讓泊松感到震驚的是在圓盤陰影的正中心，確確實實的出現了一個亮點，位置亮度和菲涅爾的理論符合得相當完美，這個“意外”的實驗結果給統治了近一個世紀的微粒說當頭一棒，最終導致在隨后的一個世紀里光的波動說成了光領域的統治理論。

二、探測光以太對于地球的漂移速度

十九世紀中葉，麥克斯韋的理論預言：光其實是電磁波的一種。預言又在1887年被赫茲的實驗所證實，光的波動說終于成為了一個板上釘釘的事實，但此時波動說認為光是跟聲音一樣需要介質才能傳播的，并把能傳播光的介質叫做“以太”。依波動說的理論，以太是一種剛性粒子，分布相當稀薄，以至物質在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力，以太是一種異常堅硬、看不到的固體，以太在宇宙中是絕對靜止的。由此人們想到，地球在太空中運動就相當于一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的“以太風”。1886年，邁克爾遜和莫雷合作，想測出以太相對于地球的漂移速度。如圖1所示安裝實

驗器材，反光鏡A與反光

鏡B與光源的距離相等，

A鏡與光源間的光線傳播

方向與以太風方向垂直，以

太風不影響它的傳播時間；

B鏡與光源間的光線傳播方

向與以太風方向共線，因為

相對運動，它傳播的時間會跟

A鏡的反射光到達光源的時間會不一樣。然而實驗結果卻讓他們失望比：兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差，以太似乎對穿越于其中的光線毫無影響，邁克爾遜和莫雷不甘心的一連觀測了四天，但否定的結果是如此清晰而不容置疑了。這是物理史上最有名的“失敗的實驗”，它當時在物理界引起了轟動，因為以太這個概念作為絕對運動的代表，是經典物理學和經典時空觀的基礎，這根支撐著經典物理學大廈的梁柱因一個實驗結果無情地否定而轟然崩潰，這個否定的證據，最終使得“光以太”的概念壽終正寢，使得相對論的誕生成為了可能，這個實驗的失敗在物理史上卻應該說是一個偉大的勝利，科學從來只相信事實。

三、元素放射性的發現

1896年，X射線剛被發現不久，人們對它的來由不是很清楚，貝克勒爾對此的研究推測出太陽光照射鈾的氧化物能夠產生X射線，他把鈾的氧化物放在太陽底下暴曬，發現黑紙中的底片的確感光了，但是正當他要進一步研究時，意外的事情發生了。天氣轉陰，烏云一連幾天遮蔽了太陽。貝克勒爾只好把他的全套實驗用具，包括底片和鈾鹽全部放進了黑暗的保險箱里，然而到了第五天，天氣仍然沒有轉晴的趨勢，貝克勒爾忍不住了，決定把底片沖洗出來再說，鈾氧化物曾受了一點微光的照射，無論如何在底片上應該會留下一些模糊的痕跡。然而在拿到照片時貝克勒爾的腦中卻是一片眩暈：底片曝光得是如此徹底，上面的花紋是如此的清晰，反而比陽光照射的效果要強上百倍。這是一個歷史性的時刻，貝克勒爾突然意識到對底片感光更多的是鈾元素自身變化產生的射線，隨著研究的深入，元素的放射性第一次被人們發現了！在一個戲劇性的場合下，貝克勒爾的“意外”打開了通向原子內部的大門，使得人們很快就看到了一個全新的世界。

四、原子內部結構的研究

1897年，J·J·湯姆遜在研究陰極射線時

發現了原子中電子的存在，打破了“原子不

可再分”的理念，明確向人們展示:原子是可

以繼續分割的，它有著自己的內部結構。湯

姆遜想象出原子的“葡萄干布丁”模型：原子

核呈球狀，帶正電荷,帶負電荷的電子一粒

粒地“鑲嵌”在這個圓球上，如圖2所示。

1910年，盧瑟福在認同原子“葡萄干布丁”模型的情形下，他和他的學生們在實驗室里用α粒子（帶正電的氦核）來轟擊一張極薄的金箔，想通過散射來確認“葡萄干布丁”的大小和性質。與預料極不吻合的情況出現了：有極少數α粒子散射角度超過了90°。對此盧瑟福描述到：“這就像你用十五英寸的炮

彈向一張紙轟擊，結果炮彈被反彈了回來。

”盧瑟福由此決定修改他老師湯姆遜的“葡

萄干布丁”模型，他認識到α粒子反彈回來

必定是碰撞了某種極為堅硬密實的核心，且

這個核心應該是帶正電，而且集中原子的大

部分質量，同時也認識到發生大角度偏轉的

α粒子畢竟只是極少一部分的原因是核心占

據的地方是很小的，不到原子半徑的萬分之

一。于是盧瑟福在次年(1911年)提出了原子

結構新的模型—行星模型，如圖3所示。

實驗的“意外”還有很多，這些意外為科學添加了一份絢麗的傳奇色彩，也使人們對神秘的自然更加興致勃勃，也是科學給我們帶來的快樂之一啊！