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第5章 物理科学家的故事(5)

逆境中奋起的哈密顿

哈密顿,英国著名物理学家,发现四元数,并将之广泛应用于物理学各方面,对光学、动力学的发展做出了重要的贡献,他的成果成为量子力学中的主干。

哈密顿建立了光学的数学理论。后来又把这种理论移植到动力学中去,提出哈密顿原理,把广义坐标和广义动量作为典型变量来建立动力学方程,推动了变分法和微分方程理论的进一步研究,并在现代理论物理中得到了广泛的应用。

哈密顿自幼聪明,被称为神童。他3岁能读英语,会算术;5岁能译拉丁语、希腊语和希伯来语,并能背诵荷马史诗;9岁便熟悉了波斯语、阿拉伯语和印地语。14岁时,因在都柏林欢迎波斯大使宴会上用波斯语与大使交谈而出尽风头。然而,哈密顿的生活却不如想象般如意。年少时,他家境贫苦,家中兄弟姐妹很多,常常不能温饱。成年后,自己喜欢的女孩不喜欢自己,仓促的婚姻又不幸福。然而,哈密顿并没有放弃自己。

哈密顿工作勤奋,经常不能正规用餐,而是边吃边工作。他去世后,在他的论文手稿中还找到不少肉骨头和吃剩的三明治等残物。哈密顿思想活跃,发表的论文一般都很简洁,别人不易读懂,但手稿却很详细,因而很多成果都是由后人整理而得。仅在“三一学”院图书馆中的哈密顿手稿,就有250本笔记及大量学术通信和未发表论文。爱尔兰国家图书馆还有一部分手稿。

19世纪30年代,哈密顿发表了历史性论文《一种动力学的普遍方法》,成为动力学发展过程中的新里程碑。文中的观点主要是从光学研究中抽象出来的。他提出的哈密顿原理不但数学形式紧凑,且适用范围广泛,可扩充用于电动力学和相对论力学。用其原理,还可以通过变分的近似算法,直接求解力学问题。他的研究工作涉及不少领域,但在科学史中影响最大的是他对力学的贡献。哈密顿量是现代物理最重要的量,当我们得到哈密顿量,就意味着得到了全部。

尽管家境贫寒,感情不顺,但哈密顿从未停止过对科学领域的探索,他的故事告诉我们,人生不可能事事如意,但只要有一颗积极向上的心,就会取得成就。

自学成才的焦耳

焦耳是英国著名物理学家,也是一位靠自学成才的杰出的科学家。由于他在热学、电学和热力学方面的贡献,被授予英国皇家学会柯普莱金质奖章。

焦耳是一位主要靠自学成才的科学家,他对物理学做出重要贡献的过程不是一帆风顺的。他是通过自己坚持不懈的努力才获得公认的。

焦耳从小体弱多病,不能到学校去学习,只能在家里自学。他后来又投到道尔顿门下学化学、物理、数学。焦耳的父亲是一位啤酒商,他为儿子留下了一个啤酒厂,焦耳便一边经营啤酒厂一边研究科学。在长期的酿酒过程中,使他懂得准确测量的重要性。自从他听说法拉第发现电磁感应后,他又迷恋于电的研究,真是条条大道通罗马,就像迈尔从静脉血液的颜色想到能量转化一样,焦耳从导线通电后可以发热,想到了电能和热能的相互转换。22岁时,他便发现将通电金属丝放在水里,水会因此而发热。经过多次精细地测试,他得出了一条定律:通电导体所产生的热量跟电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比,这就是有名的焦耳定律。当时焦耳将自己的结论写成论文,送给英国皇家学会。但是这篇文章,一直拖到第二年10月才在《哲学杂志》上登出。

焦耳的性格谦和大度又极具有韧性。无论社会上承认不承认,重视不重视,他总是自己干自己的,不去听别人评论长短,对所遇到的难点他总要弄个水落石出。1843年他测了水电解时产生的热,又测了运动线圈中感应电流产生的热,计算出无论化学能、电能等各种各样的能所产生的热都相当于一定的功。

一次,他带上自己最新测得的数据和实验仪器,参加在剑桥举行的学术会议。他当场做完实验,非常肯定地宣布:“自然界的力(能)是不能够毁灭的,如果消耗了机械力(能),总能得到相当的热”。台下的都是一些赫赫有名的大科学家,他们对这种闻所未闻的理论一个个听得直摇头,连法拉第也转过身来对身边的人说:“这恐怕不可能吧。”其中有一人当时便十分恼火。此人叫威廉·汤姆森,后来的英国皇家学会会长,这年才21岁,但已是一个远近闻名的才子了。他父亲是格拉斯大学的数学教授,他8岁就跟随父亲听大学的数学课,10岁就正式考入该大学,后又到剑桥学习,这年刚毕业就获得了数学学士和史密斯奖章,自认为早已是学富五车,才高八斗,那些数理化的规律早就滚瓜烂熟于心。今天听了焦耳的这段奇论,他转身问道:“这台上站着的是哪个大学的教授?”别人告诉他是曼彻斯特啤酒厂的老板。他鼻子一哼道:“原来是个酿酒匠啊,也配来这里讲演?”说完起身退出了会场。台下的议论,汤姆森的举动,焦耳自然也都看在眼里听到耳中。但他不将这些放在心上,回到家里继续一边酿酒,一边搞业余研究。他不仅用水来测机械能转化成的热,还换了水银、鲸鱼油、空气,又用铁片摩擦生热,这样锲而不舍地进行实验竟持续了近4年,其毅力实在是惊人。终于,焦耳设计成一种清楚明了后来在科学史上很著名的实验,即用一个密封水桶在里面装上桨,桨上有轴,轴与两边的重物相连。这样重物下降便带动桨的转动,从而使桶内的水摩擦生热而通过下降的高度来求热功当量。这年英国科学协会又在牛津召开会议。会议主席一见他来便皱起眉头说:“焦耳先生,你的那些东西据我所知现在还没一票支持,最好不要再浪费时间了。”“我匆匆赶来正是为了取得支持,我相信经过现场表演,这些聪明的教授会看得懂其中的道理,会支持我的。”

“那好,但实在是时间有限,请只介绍实验,报告就不必做了。”

“可以。”

焦耳将他的仪器摆好,转动摇把,让重物升高下降,又测出桶内水的温度说:“你们看机械能就是这样可以定量地转化为热,反过来100卡的热也和423.9千克米的功相当。”

他话还没有说完,突然台下站起一个人来高声说道:“这简直是胡扯!热是一种物质,热素,它与功毫无关系。”焦耳抬头一看说话的正是汤姆森,想不到今天他又来了,真是冤家路窄。

现在的汤姆森已是格拉斯大学的教授,春风得意,而比汤姆森大6岁的焦耳却还是一个酿酒匠。焦耳对汤姆森的无礼并不以怨相报,他让自己冷静一下,以一种温和的语调说:“热不能做功,那蒸汽机里的活塞为什么会动呢?能量要是不守恒,那永动机为什么总是造不成呢?”

这个酿酒匠不紧不慢,不软不硬的两句话顿时使会场内鸦雀无声。焦耳虽然没有教授的风度,但是他酿酒房里训练出来的熟练的操作技巧,精细的计算、推理,全都无懈可击,再加上他那双谦虚的眼睛,诚恳的笑容,使这些教授们不得不认真思考起来,一会儿纷纷起来发言,争论得好不热闹。他们上前用眼看、手摸,仔细检查了焦耳的仪器,实在是新颖简明,不能不佩服这个啤酒匠的才智。再说汤姆森自以为聪明多才,不想今天在会上碰了这个钉子,羞愧难当。他回到学校后,也自己动手做起实验来。不久,他在资料室里随意翻阅旧杂志,竟发现前几年迈尔发表的那篇论文,其思想与焦耳完全不谋而合,这才使他大吃一惊。他忙将这篇论文藏在怀里,又带上自己最新的实验结果,急匆匆地赶去见焦耳。他抱定负荆请罪的决心,想请焦耳原谅他过去的傲慢,共同来探讨这个伟大的发现。却说汤姆森来到啤酒厂里,只见满地酒糟、酒瓶。他打听焦耳,别人指向一所房子,他推门进去,酒气扑鼻,雾气腾腾,只见一个身系帆布围裙的大个子正在指挥工人添料、加水。他一眼就认出这就是两次在台上讲演的那个身影,忙趋前几步说道:“焦耳先生,汤姆森前来拜访您。”焦耳满手酒浆,回头一看,不提防却是他这个论敌。看他这身笔挺的教授服装,一副诚恳的神态,不知出了什么事。忙双手在围裙上抹了两把,喊道:“原来是您,汤姆森教授,快到实验室里去休息吧。”两人在实验室里坐定。汤姆森打量着他这间堆着酒瓶、酒罐和各种代用仪器的实验室,暗暗被焦耳这种坚韧不拔的精神所折服。待焦耳洗了手,换了衣服,他站起来说:“焦耳先生,看来是您对了,我今天是特来认错的。”“哪里,哪里。我自己也还有很多地方没有弄通,正要向您求教呢。”“您看,我是看了这篇论文后,才感觉到你们是对的。”说着就掏出迈尔的文章。焦耳不看则罢,一看,刚才脸上的喜色顿时消失了:“汤姆森教授,可惜您再也不能和他当面讨论问题了。这样一个伟大的天才因不为世人所理解,已经愤而跳楼自杀了。”

“啊?”汤姆森惊讶地喊道:“他已经不在人世了吗?”

“在,不过已神经错乱,住进精神病院里,怕难康复了。”

汤姆森低下了头,半天一句话都说不出。一会儿才抬起头,用真诚的目光看着焦耳的眼睛,说:“实在对不起。我现在才知道自己的罪过。过去我,我们这些人曾给了您多大的压力啊。焦耳先生请您原谅,一个科学家在新观点、新事物面前有时也会表现得非常无知的。”

焦耳连忙上前扶他坐下说道:“汤姆森教授,请不要这样说。这是由于我的实验也有许多不完善之处,难以立即服人。”他为了缓和一下气氛又补充道:“况且我这个人一向会自我解嘲,反正我这里有的是酒,不顺心时喝上几大杯,也就愁云四散了。所以我经常醉,却永不会疯的。”说完他先哈哈大笑了。

从此,焦耳和汤姆森成了一对密友。汤姆森毕竟受过专门训练,他帮助焦耳完成了关于能量守恒和转化定律的精确表述。至此,辩证唯物主义得以产生的基础,自然科学中的三大发现之一的能量转化和能量守恒定律宣告得到公认。后来两人又合作发现了著名的汤姆森——焦耳效应,即气体受压通过窄孔后会发生膨胀降温,为近代低温工程奠定了基础。从这个故事中我们看到:做任何事只要半途而废,那前面地辛苦就等于白费。唯有经得起风吹雨打及种种考验的人,才是最后的胜利者。

不经一番寒彻骨,哪得梅花扑鼻香?我们要向焦耳一样,不到最后关头,绝不轻言放弃,要一直不断地努力下去,以求取最后的胜利。

永远被后人铭记的麦克斯韦

麦克斯韦,英国物理学家,近代物理学的巨匠、现代物理学的先驱,经典物理学大厦的主要完成者之一。

麦克斯韦的电磁学理论对人类的社会生活起着积极的作用,尽管,麦克斯韦生前没有看到这一点,但是,在电磁学理论被广泛应用的今天,人们不会忘记这个伟大的科学家。

麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡的一个名门望族,他在14岁时就写了第一篇科学论文,次年发表在爱丁堡皇家学会的刊物上。中学毕业后进入爱丁堡大学学习数学、物理学和哲学。接着转入剑桥大学三一学院,主攻数学和物理学并以优异成绩毕业。

麦克斯韦从剑桥大学毕业后不久就开始研究电磁学。他选择了“场”的概念作为研究的出发点。麦克斯韦从场的观点对法拉第电磁感应定律进行了理论分析,提出了著名的麦克斯韦方程组。这组方程不仅标志着经典物理学大厦的最后完成,而且预见了电磁波的存在,并证明电磁波传播的速度与真空中的光速是相同的。在此基础上,麦克斯韦认为光是频率介于某一范围之内的电磁波。这是人类在认识光的本性方面的又一大进步。正是在这一意义上,人们认为麦克斯韦把光学和电磁学统一起来了,这是19世纪科学史上最伟大的综合之一。

在电磁理论形成以前,人类的活动中没有电报、电灯、电话、收音机、电视机,更没有发电机、电动机、变压器等,而这一切都是电磁理论的产物,是人类智慧的结晶。可以说,电磁理论的形成和应用是科学时代到来的标志。电力的应用是继机械力之后最伟大的动力革命,其对社会经济和生活的意义更远远超出机械力。20世纪计算机的发展也要依赖电磁理论。而今天,电磁波已经成了信息时代最基本的物质载体。

当时,剑桥大学悬赏解决土星光环的组成和稳定性问题。麦克斯韦运用概率理论导出了著名的麦克斯韦速度分布率。他的这一工作奠定了气体统计力学的基础,标志着物理学******的开始。统计观念的确立是近代物理学思想上的一个重要转变,它不仅在近代机械自然观上打开了一个缺口,而且为量子力学的建立和发展提供了思想武器和方法工具。

麦克斯韦的另一项重要工作是筹建了剑桥大学的第一个物理实验室——著名的卡文迪许实验室。该实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响,作为该实验室的第一任主任,麦克斯韦批评当时英国传统的“粉笔”物理学,呼吁加强实验物理学的研究及其在大学教育中的作用,为后世确立了实验科学精神。

麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉,因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。但后人永远记住了他的名字。

在科学领域里,有很多人的名字我们无从知晓,有更多人的名字让我们永远铭记,当我们享受着他们的研究成果的时候,我们要保留一颗感恩的心。

发现X射线的伦琴

伦琴是德国著名物理学家,X射线的发现者。他是第一个获诺贝尔物理奖的人。

伦琴的成功看似偶然,而实际上,X射线的发现是因为他善于观察、积极思考的结果。

1845年,伦琴出生在德国鲁尔地区的一个小镇——莱尼斯。小时候的伦琴是个聪明而又勤奋的孩子,在读书期间,他就以优异的成绩而深受好评。43岁时,他从国外学成回国,担任了巴伐利亚州维尔茨堡大学物理研究所所长。

担任物理所所长之后,他一直孜孜不倦地研究着阴极射线,无论遇到多大的挫折,他始终都没有放弃。在研究过程中,伦琴发现,由于克鲁克斯管的高真空度,低压放电时没有荧光产生。同时期,一位德国物理学家改进了克鲁克斯管,他把阴极射线碰到管壁放出荧光的地方用一块薄薄的铝片替换了原来的玻璃,结果,奇迹发生了,从阴极射线管中发射出来的射线,穿透薄铝片,射到外边来了。这位物理学家就是勒那德。勒那德还在阴极射线管的玻璃壁上打开一个薄铝窗口,出乎意料地把阴极射线引出了管外。他接着又用一种荧光物质铂氰化钡涂在玻璃板上,从而创造出了能够探测阴极射线的荧光板。当阴极射线碰到荧光板时,荧光板就会在茫茫黑夜中发出令人头晕目眩的光亮。伦琴不止一次地重复着勒那德的实验。

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