诺贝尔物理学奖史演义系列(二)——以实证虚分大奖

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-11-01

为了表示对塞曼的纪念,科学界把月球背面的一座环形山命名为“塞曼”。

>>>传送门《诺贝尔物理学奖史演义(一)——伦琴和X射线》

19世纪以前,人们一直认为电、磁、光是毫不相关的自然现象。步入19世纪,科学家法拉第、麦克斯韦把电、磁、光现象放在一起解释;赫兹则用实验证明了电磁波的存在,电、磁与光效应从此结合起来。

发现阴极射线后,西方物理学家全力研究它的本质。这些人里面包括上回所讲的伦琴。到19世纪70年代,对阴极射线的本质认识,他们之中存在两种截然不同的看法:英国科学家克鲁克斯等认为它是带负电的粒子流,德国物理学家赫兹等认为它不过是电磁波产生的辐射物。两派之间发生过激烈的讨论。

阴极射线示意图(来源:百度)

阴极射线示意图(来源:百度)

荷兰物理学家亨得里克·安顿·洛伦兹也加入到这场讨论中。经过深入研究,他得出如下结论:阴极射线是由比原子更小的微粒振动产生的,这种微粒存在于任何物体的原子之中,而发光现象即与这种微粒振动相关,这种微粒进行振动后会产生电场和磁场,只要改变电场或磁场的方向,光线也会发生偏移。

可是,这些先进的理论在当时完全站不住脚。一则,著名科学家法拉第生前研究过磁场对光源的影响,但以失败告终,后来几乎无人研究;二则西方科学界一直认为,物体是由原子构成的,原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球,无法打开。

亨德里克.洛伦兹像(来源:读史春秋博客)

亨德里克.洛伦兹像(来源:读史春秋博客)

洛伦兹偏不信邪。他决心用自己的强项——理论研究来证明原子是可分的。他于1870年进入莱顿大学,受天文学教授弗雷德里克·凯瑟影响,对理论物理学产生浓厚的兴趣。1878年1月25日,他就任莱顿大学理论物理学教授。此后近20年时间,他的理论研究包括阴极射线的本质,解释电、磁、光的关系等,紧跟时代潮流。

经过理论研究,洛伦兹发现物体的原子里有带负电的微粒,这些微粒由于围绕原子核运动产生电场。根据法拉第的实验推断,运动的微粒也会产生磁场。原子核自转产生电场和磁场,与负电微粒相互制衡形成了原子磁场。

原子示意图,洛伦兹发现的微粒即为电子。(来源:科学人网)

原子示意图,洛伦兹发现的微粒即为电子。(来源:科学人网)

“当光源经过原子磁场时,它原子里的微粒振动将发生改变,光源的谱线一定会加宽或分裂。”洛伦兹经过反复推理,得出这样的结论。

物理学的发展,离不开理论与实践的结合。尽管洛伦兹从“虚”的理论方面证实原子里有带负电的微粒,那怎么才能通过“实”的实验方面来证明理论呢?

正当他为此苦恼不堪时,他的学生——彼得•塞曼出现了。

塞曼也是荷兰人。1865年5月24日深夜,荷兰泽兰小岛上的拦海大坝决堤。一条无舵无桨的小木船上,一位中年产妇在撞击中,痛苦地生下塞曼。塞曼小学时成绩平平,中学毕业考试物理成绩居然没有及格。母亲用出生的故事进行感化,他于是刻苦攻读,进入代尔夫特中学。在这里,塞曼遇到了比他大12岁的海克·卡末林·昂内斯。后来获诺贝尔物理学奖的昂内斯聪明好学,给塞曼留下极深的印象。

塞曼通过不懈努力终于考上了莱顿大学。他1890年大学毕业后留校,并有幸成为物理学教授洛伦兹的学生兼助手。

作为洛伦兹的助手,塞曼最高兴的事儿莫过于可以继续研究磁光克尔效应。磁光克尔效应是指光线射入磁体会发生偏转的现象,因1877年由英国科学家约翰·克尔发现而得名。研究3年后,塞曼完成了关于磁光克尔效应的博士论文。后来,他受聘为莱顿大学的讲师,暂时离开了洛伦兹的实验室。

磁光克尔效应示意图(来源:原创文档网)

磁光克尔效应示意图(来源:原创文档网)

1896年,塞曼被开除了,起因是他不听莱顿大学实验室主管的安排,悄悄进行光谱线磁场分裂的实验。他把光源放在很强的磁场里,结果发光体的光谱发生变化,谱线一分为三。塞曼平静地把实验过程和结果写成论文提交给荷兰皇家艺术与科学院,然后离开莱顿大学。

当年10月31日,洛伦兹在皇家艺术与科学院开会时偶然间发现塞曼关于光谱研究的论文,大为震惊。两天后的星期一早上,他把塞曼请到办公室。塞曼详细叙述了关于光谱实验的过程,洛伦兹仔细聆听后表示,磁场中光谱发生变化的根本原因是原子中带负电的微粒振动。

由于洛伦兹的强力推荐,塞曼的实验引起西方科学界的重视。

彼得.塞曼(来源:读史春秋博客)

彼得.塞曼(来源:读史春秋博客)

他的实验首先证明了原子内部具有细致的结构,并非“不可再分”,这是对洛伦兹关于“原子里有带电微粒”的最好支持。其次,实验证实了洛伦兹关于“磁场中发出的光会发生偏振”的理论。这也意味着电、磁、光可以相互影响。后世科学家把磁场分裂光谱的现象称为塞曼效应。作为著名的磁光效应,塞曼效应使世人对物质的原子、光谱等有了更多了解,被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。为了表示对塞曼的纪念,科学界把月球背面的一座环形山命名为“塞曼”。

塞曼效应可用于测量星球的磁场,海尔等美国天文学家在威尔逊山天文台用塞曼效应首次测量到了太阳黑子的磁场。物理学家汤姆逊则用塞曼效应来测量谱线分裂的频率间隔,把原子中带负电的微粒称为电子,还用数据证实了电子的存在。汤姆逊因此获1906年诺贝尔物理学奖。

1902年12月10日下午16:30,瑞典斯德哥尔摩皇家音乐学院大礼堂里座无虚席。第二届诺贝尔奖颁奖典礼在此举行。在严肃的乐曲中,各国获奖者分别领取了奖牌、证书和奖金。轮到塞曼上台时,只见他胸前没有戴花,而是挂着一个五六寸大的金制相框,相片上是他去世的母亲。他每次领奖都会挂着这个相框,以示对母亲的尊重。这已成为诺贝尔奖史上的一段佳话

诺贝尔奖颁奖典礼现场(来源:果壳网)

诺贝尔奖颁奖典礼现场(来源:果壳网)

从诺贝尔物理学奖颁奖典礼回来的洛伦兹,也因此受到世人的尊敬和爱戴。由于他提出原子中存在电子的理论,所以被尊称为经典电子论的创立者。后来,他的名字在物理学上被用作学术名词,比如洛伦兹-洛伦兹公式、洛伦兹力、洛伦兹分布、洛伦兹变换等。爱因斯坦在科学研究中,把洛伦兹变换用于力学关系式,这才有著名的狭义相对论。1928年2月4日,洛伦兹在荷兰的哈勒姆市逝世。葬礼当天,荷兰全国电话中止3分钟,以示哀悼。公认的新一代物理学领袖、著名科学家爱因斯坦发来悼词,称洛伦兹是“我们时代最伟大、最高尚的人”。再后来,为纪念洛伦兹的巨大贡献,荷兰政府从1945年起把他的生日(7月18日)定为一年一度的“洛伦兹节”。

洛伦兹从理论上创立经典电子论,塞曼则用实验证明了电子的存在,师生两人共同分享了1902年度诺贝尔物理学奖。在以阴极射线为起点的科学研究中,除了伦琴、洛伦兹、塞曼外,还有不少科学家取得非凡的成就,获得诺贝尔物理学奖,其中包括1903年度的几位获奖者。他们又是谁呢?到底有何杰出成就?欲知后事如何,且听下回分解。

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【参考资料】

1、 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2、 图书《诺贝尔物理学奖明星故事》,陕西人民出版社,2012年9月.

3、 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

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