借助“他山之石”獲得的重大科學成就

陳敬全

牛頓

經典著作《自然哲學的數學原理》

牛頓“站在巨人的肩膀上”發現萬有引力定律

相傳，1665年，牛頓為躲開瘟疫，離開劍橋避居鄉間。一天，他坐在蘋果樹下，一只熟透了的蘋果從樹上掉落下來，引起了他的注意。牛頓從蘋果落地想到了“月亮為什么不落地？”他猜想，使蘋果落地的重力，在最高的山峰之巔仍可觀察到，這會不會延伸到月球并影響到這個天體，并使之維持在軌道上。

牛頓以伽利略對平拋運動的研究為基礎提出，月球和其他行星的軌道運動與拋射體的運動相似，或者是后者的一種極限情形。就像一塊被拋射出去的石頭由于其自身重量而偏離直線，在空中劃出一條曲線，石塊沿這條彎曲路徑運動最后落到地面。拋射的初速度越大，石塊落地之前行經的路程就越遠，如初速度足夠大，石塊就繞地球運轉了。

牛頓根據惠更斯的圓周運動公式和開普勒的行星運動第三定律，推出月亮的向心加速度與它離地心距離的平方成反比，這也適用在地球吸引作用之下的蘋果的加速度。他由此估計，蘋果到地心的距離是月球到地心距離的1/60，于是月球所受的引力大概也是蘋果所受引力的1/602。由月球的運行速度和月地距離可以求得月球的向心加速度，對這一加速度與蘋果所表現出來的重力加速度進行檢驗（月地檢驗），如果后者確為602倍，那么原先的猜想成立。

牛頓在當時沒能完成月地檢驗。他缺乏地球半徑的精確資料，根據粗略估計得到的地球半徑值，算得的蘋果加速度比實測值小20%左右。另一個原因是他尚未證明，對有一定質量的球的引力作用可看作質量集中于該球球心的作用，這是檢驗的先決條件。另外牛頓所用的是圓軌道，而在開普勒定律中用的是橢圓軌道，這一替換是不合適的。

1677年，牛頓又回到了引力問題的研究上，專門探討了平方反比定律。1680年，他證明了，在平方反比定律的力的作用下，質點的軌道是一個以吸引體為一個焦點的橢圓，反過來，質點圍繞處在一個焦點的力的中心做橢圓軌道運動，必然遵循力的平方反比定律。1685年，牛頓應用自己建立的流數術（微積分）證明了，在考慮地球在吸引一個外部物體時可以把物體的全部質量都集中在其質心上。他又用最新測量地球所得到的數值，算得月球離開直線路徑向地球墜落的速度為每秒0.004 4英尺（1英尺約合30.5厘米），而在地面上的物體的墜落的速度為每秒3 600 × 0.004 4英尺，即每秒約16英尺，這與觀察事實相符合，月-地檢驗最終完成，平方反比定律得到了圓滿的證明。

牛頓認為有充分的理由把太陽系中的各個天體都看成質點，天體間引力的結果可以推廣到宇宙間的一切物體上去，這一普遍存在的力就是萬有引力。1687年，牛頓把他的研究成果寫成《自然哲學的數學原理》一書出版。牛頓把天體的運動和地面上物體的運動規律統一了起來。引力既然存在于宇宙間一切物質之間，那古希臘學者亞里士多德把運動分為“月上”“月下”就是一種人為的劃分。牛頓排除了千百年來人們在認識自然現象方面的先入之見，實現了科學史上第一次大綜合。

蘋果落地或重物落地的自然現象許多人司空見慣，為什么只有牛頓發現萬有引力定律呢？牛頓敢于想一般人未曾經想過的“月亮為什么不落地？”的問題，邁出了關鍵的一步。為解決這一問題，他接過了伽利略、開普勒、惠更斯等前人的研究成果，他自己說“站在巨人的肩膀上看得更遠”。他具有鍥而不舍的執著精神，對引力問題做了長期的艱深思考，敢于突破權威人士長期設置的認識方面的禁區，經過嚴密謹慎的推理和應用先進的科學方法，最終做出了劃時代的貢獻。

查德威克

盧瑟福

約里奧?居里夫婦

查德威克深入探究被人忽略的實驗發現中子

1935年，英國物理學家查德威克因發現新的基本粒子——中子——獲得了諾貝爾物理學獎。消息傳到法國，著名物理學家居里夫人的女婿約里奧?居里悔恨得用拳頭連連砸自己的腦袋，連聲說：“我這么笨，我這么笨！”

約里奧?居里為什么如此怨恨自己？話要從幾年前說起。1928年，德國物理學家玻特用釙發射的α粒子轟擊鈹，發現鈹發射出穿透能力極強的中性射線，他沒能解釋這種射線是什么。約里奧?居里夫婦重復了玻特的實驗，發現這一中性射線能量極高，打到石蠟板上，甚至可以打出質子來，表明其能量高達5千萬電子伏。約里奧?居里夫婦和其他人認為這中性射線是γ射線。十分遺憾的是，他們沒能做進一步更深入的考慮，其實γ射線是不可能達到這么高的能量的。另外這一射線的能量是會變化的，而的γ射線的能量是不會變的。

1932年1月，約里奧?居里夫婦通報了他們的實驗。在卡文迪許實驗室工作的查德威克得知鈹輻射具有驚人的特性后，馬上開始了實驗。他測得石蠟放出的質子具有5.7×109電子伏的能量。根據碰撞的能量和動量關系，γ射線由光子組成，不具有靜質量，不可能使碰出的質子具有如此高的能量。他相信鈹輻射的不是γ射線，而是質量與質子質量相當的粒子。他利用云室粗略地求得這種粒子質量，之后又根據質譜儀器測得的數據精確地算出它的質量，與質子質量幾乎相等，他把這種粒子稱為中子，并對中子的性質進行了詳盡的分析。

查德威克寫了題為《中子可能存在》的信給英國《自然》雜志，信中說“如果我們假設這種放射性物質是由質量為1，電荷為0的粒子，即由中子組成，那么一切問題就可以迎刃而解了”。稍后他又在《英國皇家學會通報》上發表了題為《中子的存在》一文，詳細報告了自己實驗結果和理論分析。他的發現很快就得到了學術界的公認。

查德威克能發現中子并非偶然。他有充分的思想準備。他的導師、著名的物理學家盧瑟福早在1920年的一次會議上就預測在核里很有可能存在一個中性的粒子。他依據氮蛻變成氫的實驗事實，判定質子（氫核）是氮核、也是各種元素的核的組成部分之后，認識到元素的質量數與電荷數之間存在矛盾，勢必要假設在原子核內有電子，而電子只有與質子結合，才有可能在原子核中長期呆下去。

查德威克為尋找中子付出了艱苦的努力。自1923年起，他在盧瑟福的指導下，嘗試從大質量的氫化材料中檢測γ輻射的發射、一些稀有氣體和任何一種到手的稀有元素，以發現形成中子和發射中子的信號，還設想在強電場中用快速質子打入原子序數大的原子，以檢驗中子的存在，受實驗條件的限制，其設想未能實現。約里奧?居里夫婦的實驗，恰好為他提供了契機，他從中得到了啟示，十分幸運地找到了突破口。

約里奧?居里在反省錯過發現中子的難逢機會時這樣說：“中子這個詞早就由盧瑟福這位天才在1920年的一次會議上用來指一個假設的中性粒子，這個粒子和質子一起組成了原子核。大多數物理學家包括我自己在內，沒有注意到這個假說，但是它一直存在于查德威克工作的卡文迪許實驗室的氛圍里，因此最終在那里發現了中子?！奔s里奧?居里夫婦并沒有因此一蹶不振，他們因實現穩定的人工放射性獲得了1935年諾貝爾化學獎。

勞倫斯借鑒新的設計思想研制回旋加速器

1919年，盧瑟福用天然放射源放射出的粒子去轟擊氮核，得到了質量數為17的氧核，第一次實現了人工核反應。1928年，美籍俄裔物理學家伽莫夫提出以質子來實現人工核反應。質子的獲得要比天然產生的粒子容易，但由氫原子電離得到的質子的能量較小，必須通過電場或磁場進行加速，使質子得到足夠大的能量。人們開始了設計“粒子加速器”的嘗試。

英國物理學家麥克羅夫特在1929年制成了第一臺實用的加速器。在加速管內設有金屬圈，金屬圈同高壓發生器的不同負壓相連接，使質子從上到下速度不斷增大。這臺靜電加速器能產生80萬伏的脈沖高壓，質子具有較高的能量，可以觸發核反應。1932年，他們利用加速后的質子使鋰-7原子核發生了分裂，實現了人工轟擊粒子引起的核反應。

靜電加速器工作的時候主要靠高電壓，可是電壓越高，對絕緣的要求也就越高，要進一步提高質子的速度很困難。

美國物理學家勞倫斯提出了新的設計思想來解決這一難題。1929年初的一天晚上，他到大學圖書館翻閱當月的期刊，在德文《電氣工程學》雜志上看到了維德羅寫的一篇關于多次加速正離子的文章。從文中的示意圖和照片來判斷，作者解決問題的方法，是把高頻振蕩電壓加到一連串的圓筒形電極上來加速正離子。勞倫斯立刻意識到，這正是自己長期尋找的加速正離子的技術問題的答案！

勞倫斯

維德羅多次加速離子的直線加速器示意圖

勞倫斯回旋加速器示意圖

勞倫斯設計出了新型的加速器——回旋加速器。加速器采用了適當的磁場裝置，用了兩個電極，它的工作原理并不復雜：兩個金屬D形盒置于真空室中，兩盒之間施以高頻電壓，離子源處于兩D形盒的中心，均勻磁場垂直加于盒的平面。由于盒內無電場，離子在盒內空間受洛倫茲力作勻速圓周運動，只有在兩盒間的空隙才受電場作用。如果電場方向的改變恰好與離子運動的周期合拍，就有可能在每次通過間隙時加速。隨著速度的增加，離子作圓周運動的半徑也將逐步增大，最后從窗口逸出。

1930年春，他和他的學生制作了結構簡單的微型回旋加速器，用不到l千伏的電壓，使質子加速到8萬電子伏，這表明回旋加速器是可以工作的。1932年，勞倫斯又制成了22.86厘米（磁極直徑）和27.94厘米的同類儀器，可把質子加速到1.25兆電子伏。他用27.94厘米的回旋加速器很輕易地實現鋰-7原子核的分裂，顯示出了回旋加速器具有的優越性和廣闊的應用前景。

勞倫斯并不滿足于加速器對輕核實現人工轉變，決心要實現重核轉變。1936年，他制成了91.44厘米的加速器，粒子能量達到6兆電子伏，并且產生出第一個人造元素——锝?；匦铀倨髟趹梅矫嫒〉昧酥匾M展。利用它陸續發現了多種放射性同位素，并可以大量生產。每天生產的放射性鈉的輻射強度相當于200毫克鐳，醫生、生物化學家、農業專家和工程師們將此應用到各自的研究領域之中。

勞倫斯由于發明了回旋加速器并在人工核反應方面取得卓越成就，榮獲1939年諾貝爾物理學獎。有人認為，勞倫斯似有神助——他是在無意之中看到了示意圖和照片，萌生了新的加速器的設計思想的。事實上，勞倫斯有充分的知識儲備。他在明尼蘇達大學當研究生時，深人學習電磁理論，研究了電離現象，測量金屬蒸氣的電離電位。他之后到芝加哥大學，在著名物理學家康普頓的指導下進行X射線的實驗研究，康普頓稱贊他“有非凡的天賦，能想出高招，使一些看來解決不了的問題迎刃而解”。

勞倫斯為克服靜電加速器的局限性進行了深入的思考，努力尋找產生高能量粒子的各種方法和途徑。充分的知識儲備和緊張的思考，使得勞倫斯有思想準備，維德羅解決問題的方法觸發了他的靈感，他帶領團隊經過數年艱巨的努力使自己的設計思想得以實現。勞倫斯對給他工作啟示的前人充滿了感激之情，他得知維德羅的方法來自艾新教授，在諾貝爾獎授獎大會上他特意提到了“艾新教授在1924年就發表了這個重要的原理，數年后，我才知道了他的這項重要的貢獻，我想借此對他的工作表示敬佩，他是多次加速方法真正的開創者”。

科學研究要善于從他人的工作得到啟示

科學的發展具有很強的歷史繼承性，科學問題的提出，科學問題的解決，都必須對歷史有全面的了解，了解前人已提出的問題，前人為解決問題所做的工作，解決問題的方法，他們解決了哪些問題，還有哪些問題沒解決，從中得到啟發，找到新的進步的起點，“百尺竿頭，更進一步”，不斷攀登新的高峰，取得新的成就。

要從他人的工作中得到啟發，必須對所研究的問題有濃厚的興趣，有充分的知識儲備和深入的思考，“心有靈犀一點通”，從他人的工作中捕捉線索，觸發靈感，取得突破。要善于進行廣泛的學術交流，加強學術協作，及時從科學共同體中獲取有價值的信息，得到有益的啟示。要關注不同學科的交叉點和邊緣處，在這些科學發展的新的處女地，不同的學科思想互相交流、發生碰撞，會不時撞擊出智慧的火花，啟迪人們獲得新的發展方向和突破口。

許多有成就的科學家對于前人辛勤的勞動、開創性的工作和給出的啟示表示深切的感激之情，表現了謙虛的美德和高尚的品質。他們具有寬廣的胸懷，把自己的工作看成是對前人工作的繼承，也甘愿為后來人提供自己的經驗和教訓。正如盧瑟福指出的：“科學家不是依賴于個人的思想，而是綜合了幾千人的智慧，所有的人想同一個問題，并且每個人做他那部分工作，添加到正在建立起來的偉大知識大廈之中?！彼麄儤芬獬蔀橐粔K塊磚石，為后人建成更雄偉的知識大廈奠基。