久久為功的堅持獲得的重要科學發現

陳敬全

馬克思說：“在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點。”一些科學家在攀登頂點的征途上不畏艱險，他們久久為功的堅持獲得了重要科學發現。

瑞利

拉姆塞

拉姆塞堅持不懈“捕捉”惰性元素

1892年英國物理學家瑞利在測定氮的密度時發現，從大氣中除去氧、碳酸氣和水蒸氣所得的氮氣的密度為1.257 2克/升，而由亞硝酸氨制得的氮的密度卻是1.250 8克/升，兩者相差為0.006 4克/升，他沒有放過這細小的誤差。他和年輕的化學家拉姆塞（W.Ramsay，1852—1916）一起探究，發現從空氣中制得的氮不是純氮，含有較重的新氣體，他們用分光鏡對新氣體進行光譜分析，發現有橙色和綠色的各組明線，這有別于已知氣體元素的光譜。他們很快確證了新氣體是一種新的元素，把它命名為氬（Argon，意為“懶惰者”）。

在氬發現后，拉姆塞并沒有停下腳步，他想，元素周期表最末一行的位置還空著，是不是專為類似氬的氣體留的?

1895年2月，拉姆塞從朋友的來信中得知有人把釔鈾礦在硫酸中加熱時，得到了一種氬和鈾的化合物。拉姆塞把倫敦所有的釔鈾礦都買來做實驗，得到了5立方厘米氣體。他花了4天的工夫提純了這些氣體，放在分光計上測定，果然出現了一條新譜線，這譜線跟27年前天文學家觀察日食時，在日冕中發現的太陽元素一樣。拉姆塞把氣體樣品送到光譜學權威克魯克斯那里，請他做進一步的鑒定。克魯克斯用最先進的分光儀進行觀察，驗證了果然是氦。就這樣，這個號稱只有太陽上才有的元素，在地球上被拉姆塞“捕捉”到。

氦被“捉住”后，拉姆塞對填補周期表的空白更有信心了。以后在空氣中也發現了氦，這啟發他把注意力集中到空氣上來。這些“懶惰”的家伙會不會隱藏在空氣中呢？1895年5月，他從朋友漢普松那里搞到了750毫升液態空氣，他想從液態空氣中找出新的元素。

拉姆塞和學生特拉弗斯用紅熱銅屑除去其中的氧氣，再用鎂除去氮氣，只剩下10毫升氬氣，把氬氣體封入放電管，在分光計下，又顯出—條新譜線，又一個新元素被發現!拉姆齊把它取名為氪（Krypton，“隱藏”的意思）。此時是1898年5月30日深夜，師生倆欣喜若狂。

拉姆塞堅信空氣中還隱藏著其他惰性氣體。他改進了分離空氣法，在減壓下蒸發液態空氣和反復分次萃取。1898年6月他從漢普松那里又求得上百升液態空氣，從中能得到1.5升氬氣，這真是如虎添翼。他和特拉弗斯巧妙地把液態空氣蒸發、降溫，使氬氣凝成液體，得到13毫升氣體，依樣畫葫蘆，他們又發現了一種新元素氙（Xenon，“陌生”的意思）。

發現氙后，拉姆塞他們再接再厲，在液態氬揮發后的微量氣體中，又發現了一種新的惰性氣體。此時拉姆塞的小兒子在實驗室看父親做實驗，看見新氣體在放電管內放出美麗的紅光，感到十分新奇，便向父親建議取名氖（Neon，“新奇”的意思）。不久，用氖氣制成的霓虹燈出現在倫敦街頭。

至此，在周期表零族元素中，只剩下一個空格了，這意味著，還存在一種未知的惰性氣體。拉姆塞又花了幾年時間想在空氣中找到它，但一無所獲。直到1900年，幸運兒才向他招手。這一年英國物理學家盧瑟福發現釷元素會放射出一種氣體，收集起來只有0.11毫升，把它送給拉姆塞鑒定，很快證實了這是一種能發光的放射性惰性元素，并給它取名Niton（“發光”的意思）。拉姆塞設計出一臺靈敏度高達0.5微克的精密天平，要用放大鏡來觀察指針。他利用這臺太平，對微量的氡氣稱量，計算出它的原子量為222。1923年國際化學會改名為氡（Radon，“鐳放射出來的氣體”的意思）。

拉姆塞因發現氣態惰性元素榮獲1904年的諾貝爾化學獎。

魏格納終生不渝確立“大陸漂移說”

魏格納

《海陸的起源》中譯本（2018）

大陸漂移的過程示意圖

1910年初，德國氣象學家魏格納（A.L.Wegener，1880—1930）在看世界地圖時發現，大西洋兩岸大陸的輪廓有驚人的對應性，南美洲巴西的海岸線以直角的形態向大西洋突出，與此相對應的是非洲西海岸呈直角凹進的幾內亞灣。直覺告訴他：或許地球上的各大洲原本是一整塊陸地，后來破裂成幾塊，慢慢漂移成現在的樣子。1911年，他在文集中讀到“根據古生物學的證據，巴西與非洲間有過陸地相連”的記載，這促使他進一步去證實“直覺的閃光”。

魏格納的老師柯彭教授勸他打消離奇的猜想，安心氣象學的研究。柯彭知道，在地質學界信奉的是海陸固定說：地殼運動以垂直升降為主，各地帶可以上升為陸，下降為海，但基本位置不變，沒有大規模的水平運動。但柯彭的勸告反而激勵魏格納積極投身到陌生的地質學領域。自1911年起，他廣泛收集資料，對各大洲之間的聯系進行考察與追索，尋找大陸漂移的證據。

1912年1月，在法蘭克福的地質學年會上，魏格納在報告中提出了大陸漂移說：在古生代的地球表面，只有一個大陸，叫泛大陸，在它周圍是泛大洋，自2.25億年前中生代以來，在太陽月亮的引力和地球自轉產生的離心力的作用下，泛大陸分成幾塊，并做水平運動，形成了今天的海陸地貌。對魏格納的“活動論”新假說，有人贊成，但更多人懷疑和反對。

魏格納為了給大陸漂移說提供更充分的證據，在1912—1913年，第二次橫跨格陵蘭島去探險，并在理論上做更深入的思考。

1915年，魏格納出版了《海陸的起源》一書，綜合了地貌學、地質學、古生物學和古氣象學的知識和事實，系統論述了大陸漂移說，形成了比較完整的理論體系。

在書中他列舉了地質學的證據。如格陵蘭島與歐洲大陸之間的距離在逐漸加大。又如南美和非洲兩塊大陸在地質構造上有一致性：在非洲南部有自東向西延伸的二疊紀山系——茲瓦特山，相對應的南美洲布宜諾斯艾利斯以南的地段也分布著一條山系，它們的構造和巖層都非常相似。這說明這兩塊大陸曾經是一塊大陸，后來才漂移分開。

魏格納論述較多的是古氣候方面的證據。廣泛分布于南美、非洲、印度和澳大利亞大陸的石炭、二疊紀古冰川遺跡，說明這幾塊陸地原是連在一起的，它們以南非為中心位于極地和寒冷地帶。在石炭、二疊紀地質史上，地球正處于寒冷時期，在這里形成了一個廣布的冰蓋。后來這塊大陸分崩離析成幾塊，各自向四面漂移，在其地層中就留下了古冰川的遺跡。

《海陸的起源》震驚了整個地質學界，從根本上沖擊了長期以來人們對于地表海陸分布與起源的認識，在學術界引起了軒然大波。一些明智的學者洞察到了它的意義，認為大陸漂移說一經證實，將引起思想上的革命。

然而持傳統地質學觀點的學者表示反對，他們認為，魏格納采用的方法是不科學的，他只選取了那些與自己觀點一致的論據，而忽略了相對立的事實。一些地球物理學家認為，魏格納提出的促使大陸漂移的原動力沒有說服力，無論是地球自轉所引起的離心力，還是太陽和月球的吸引力，都不足以推動大陸漂移。魏格納本人也承認在這方面存在很大困難。

大陸漂移說的支持者和反對者展開了長期的激烈爭論。1926年在紐約舉行的一次美國石油地質學家協會的年會上，出席會議的14人中，有5人支持大陸漂移說，2人保留地支持，7人反對，兩派打了個平手。

魏格納不折不撓地堅持自己的信念，他一再修改原著，進行再版。1930年，他第三次踏上格陵蘭島進行探測。是年9月，他不顧暴風雪的襲擊，冒著零下65℃的嚴寒，由海岸基地向中部的愛斯密特基地艱難跋涉100多英里，不少追隨者在險惡環境下紛紛退縮。在中部基地逗留不久，他在10月30日頂風冒雪返回海岸基地，卻不料過度疲憊誘發心力衰竭，于11月2日去世，時年50周歲，他為自己的學說獻出了寶貴的生命。

魏格納的學說在以后一段時間里銷聲匿跡。但他的“活動論”新思想的火種并沒有熄滅，20世紀50年代，古地磁學等地球物理學上的新發現以及海洋底部研究的新進展，促使沉寂多時的大陸漂移說開始復蘇。1961年提出的海底擴張說，解決了大陸漂移說最令人困惑的原動力問題。地質學家繼大陸漂移說、海底擴張說之后，又提出了“板塊構造說”，從此“活動論”思想成為地學界的主宰，掀起了轟轟烈烈的地學革命。

愛因斯坦百折不撓構建統一場論

1916年，愛因斯坦（1879—1955）創立了廣義相對論。在這以后，他致力于統一場論的研究。他認為，建立統一場論是發展相對論，特別廣義相對論的必然要求。在廣義相對論創立之后，人們熟知的電磁場和引力場仍然統一不起來，既然廣義相對論用黎曼幾何描述引力場取得了驚人成就，那就一定能用一種新的幾何把引力場和電磁場統一成一個整體。如果能做到的話，這將是巨大進步。愛因斯坦充滿了堅定信念，以致在后來把統一場論看成是繼狹義相對論、廣義相對論之后發展的第三階段。

在愛因斯坦以前，就已經有人開始了建立統一場論的嘗試。1923年前后，愛因斯坦對已有的統一場論的種種方案作了通盤考慮以后，認為英國天文學家愛丁頓的方案是可取的。愛丁頓的想法是在數學上把“場物理學”建立在仿射關系的理論之上，愛因斯坦想在此基礎上進一步建立起統一場論。但在1925年以后，愛因斯坦覺得愛丁頓的方案在物理學上給不出更多的新東西，于是尋找另一條“有較好的物理學根據”的出路。經過幾年的努力之后，他在1929年發表了“關于統一場論”的新論文，他曾經以興奮的心情告訴朋友說“大功告成了”，但事實上情況并沒有他想象的那樣樂觀，這一理論遇到了很大的麻煩。

以后愛因斯坦又致力于推廣卡魯查的理論。卡魯查不是建立非黎曼幾何，而是把黎曼幾何從4維增加到5維。愛因斯坦認為卡魯查的理論接近實在，專門寫了文章評價這個理論。但卡魯查的理論有困難，他增加的第5維沒有物理意義，愛因斯坦想克服其困難加以推廣。自1931年至1941年，愛因斯坦和他的合作者在這方面做了多次努力，但都未能取得成功。

在推廣卡魯查的理論的同時，愛因斯坦也嘗試著向新的方向突破。他認為卡魯查的理論沒有考慮物質，因此需要面對“關于物質的場論”來表達這一問題。1936年，他與羅森一起提出了一個不帶奇點解的場方程。他們認為這可能得到一個物質及其相互作用的統一場論，并且可以不用附加的假說，然而這一理論所面臨的數學上的困難卻無法解決。

愛因斯坦

溫伯格

薩拉姆

格拉肖

到了20世紀40年代初，愛因斯坦近20年的探索全部失敗，但他沒有灰心，仍進行新的嘗試。1945年他發表了題為“相對論性引力論的一種推廣”的論文。一年后他指出，這嘗試在邏輯上是令人滿意的，但又存在著物理檢驗上的困難。1948年以后，他又連續發表了有關“廣義引力論”的文章，然而正如他自己在1952年坦率承認的那樣：“到目前為止，我的努力尚未成功。也沒有任何別的人獲得成功……所有這種情況，原因在于數學問題的復雜性。” 愛因斯坦一次又一次地奮起，一次又一次地失敗，到1954年，他致力于探索統一場論已有30年之久。他寫了最后一篇關于統一場論的論文“非對稱場的相對性理論”作為《相對論的意義》一書第5版的“附錄二”公布于世。由于這個統一場論模型中的場方程無法求解，愛因斯坦帶著終生的遺憾在1955年離開了人世。

愛因斯坦的預言在今天已經開始得到證實。在20世紀60年代，美國物理學家溫伯格和英國物理學家薩拉姆獨自提出了電磁作用和弱作用統一的量子場理論，美國物理學家格拉肖又把他們的理論推廣到所有的基本粒子。這個理論預言了一種弱相互作用，即所謂的中性流作用，1973年，在中微子實驗中發現了這種相互作用。溫伯格、薩拉姆和格拉肖提出的弱電統一理論引起了轟動。他們三人因對基本粒子之間弱作用和電磁作用的統一理論的貢獻，尤其是對弱中性流的預言，獲得1979年的諾貝爾物理學獎。

科學探究需要久久為功的精神

在科學史上，許多科學家堅持久久為功的科學探索。布拉德雷對恒星進行仔細觀測20多年，發現了地球自轉軸有微小的周期性擺動（章動）；牛頓受蘋果掉地的啟發思考引力問題，經歷了近20年，建立萬有引力定律；法拉第花了整整10年時間，經過無數次的實驗，終于發現了電磁感應；居里夫婦經過3年9個月提煉數噸瀝青殘渣，才分離出微量（一分克）的氯化鐳，證實了放射性元素鐳的存在……

科學探索需要久久為功的精神。科學家探索自然界的奧秘，要找到自然現象的真相、本質和規律，然而自然界不輕易泄露自己的奧秘，只有持之以恒，鍥而不舍，經過長期的努力，方能洞察自然界的奧秘。有許多奧秘，不是一代人，而是好幾代人經過努力才能探究到。

探索自然界的奧秘，沒有現成的道路可走，科學是在不斷的摸索中艱難前進的，走錯路，走彎路是經常的事情，科學研究中的重大成就，都是需要經過幾十次、幾百次，甚至上千次上萬次的失敗，才能取得的。對一個科學家來說，失敗是經常的，而成功只是少量的，失敗的教訓是要比成功的經驗豐富得多，他必須經得起失敗和挫折的考驗，具有百折不撓的韌勁。

古希臘哲學家柏拉圖說：“耐心是一切聰明才智的基礎。”居里夫人說：“一個人只有堅持不懈地追求，他才能達到目的。”我國著名的數學家華羅庚教導青年學者說，科學研究的過程，是曲折上升的過程，青年人不要光看到知名科學家取得的成就，更要知道他們取得成就付出的艱辛勞動和經歷的失敗。青年人在科學研究工作中，切忌圖僥幸。任何科學研究成果都不是偶然出現的。科學上的發現如果有什么偶然機遇的話，那么這種“偶然機遇”只能給那些學有素養的人，給那些善于獨立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人，而不會給懶漢。