一 物理篇
现代物理革命的序曲——X射线
今天,再简陋的医院里也少不了透视方面的设备:患者不必受开膛破肚之苦,就可看到自己的五脏六腑;有没有毛病,有什么毛病,都能在极短的时间内。以极高的效率得以确认。我们是否想过,这样的恩泽来源于哪里呢?这样的恩泽来源于德国一个叫伦琴的科学家,是他发现X射线,才使今天的透视成为可能。
X射线的发现,既具有偶然性又具有必然性。科学家们是在有关阴极射线的研究中,偶然发现X射线的。阴极射线的发现也带有一定的偶然性——它是科学家们在研究真空放电现象时无意中发现的,但一经发现,阴极射线立即成为19世纪下半叶各国物理学家普遍关心的一个课题。*早研究真空放电现象的是法国的法拉第,他在19世纪30年代时就发现,稀薄气体在放电时会发生辉光。但限于当时的科研条件,他无法获得只有千分之几的大气压的高真空,因此无法对此课题进行更加深入的研究,颇有些“英雄无用武之地”的悲哀。随后。德国许多科学家都在这个方面作了持久的努力,并取得了相应的成就。这期间,盖斯勒、普吕克、希托夫、哥尔德施泰因功不可没:盖斯勒是德国波恩大学管理科学仪器方面的技术工人,却研制成了简易水银泵,并把金属电极封进玻璃管内,由此制成的放电管在真空度方面提高了一个数量极,为以后的研究打下了基础。普吕克是一位数学家和物理学家,他利用“盖斯勒管”进行真空放电实验,并有新的发现。希托夫是普吕克的弟子,他在实验中发现放电源于阴极,并以直线运动。哥尔德施泰因则顺水推舟地把这种源于阴极的射线,命名为“阴级射线”。以此为契机,英国物理学家克鲁克斯进一步改良了真空泵,研制了真空度更高的阴极射线管,发现阴极射线是一种带电的粒子流。不久,德国的实验物理学家勒纳德在放电管的玻璃上开了一个小薄铝窗,使阴极管射线成功地射出窗外,但他认为阴极射线不是一种带电的粒子流,而是一种以太波。
虽然这些科学家都有所创造,在发现X射线自历史上留下了不灭的足迹,但他们均功亏一篑。真正作出了实质性发现并轰动世界的,是至今名扬寰宇的德国物理学家伦琴,他改变了人们对阴极射线的看法,准确地确认了阴极射性的本质。他首先使用勒纳德管重复了勒纳德实验,以确证阴极射线能使放电管近旁的荧光屏发光,并达到了目的。随后他又改用克鲁克斯管,继续这项实验。他用黑色纸板把放电管密封起来,然后露出一条缝隙。当检查是否漏光时,他意外发现一米之外的荧光屏上有神秘的闪光。他感到惊奇:何以如此?很显然,这无法用阴极射线的有关理论予以恰当的解释:当时科学家们普遍认为,阴极射线的穿透力很差,只能在空气中穿行几厘米。他震惊了,决心搞他个水落石出。于是反复实验,连续进行了几个星期之久,然后他确信这不是一般的阴极射线,而是一种具有极强穿透力的神秘射线,是由阴极射线打到玻璃管壁上产生出来的。因为当时整个科学界对这种神秘光线的性质还所知甚少,所以他很谨慎地将之命名为“X射线”。尽管伦琴对这种神秘光线所知同样不多,但这种光线的穿透力给他留下了极其深刻的印象:它能穿透厚达1000个页码的图书、2-3厘米厚的木板、15毫米厚的铝板,相当神奇。此外,用X射线照相。可以照出木盒中的法码、有绝缘包皮的金属线等:他还给他夫人的手照了相,手骨根根可见,手指上戴的戒指历历在目,令人喷啧称奇,觉得不可思议。有了这个重大发现,他很快写出相关论文,提交给维尔茨堡物理医学学会出版,3个月内印刷5次。很快,发现了X射线的消息便传遍了全世界文明国度的每一角落,并引起巨大的轰动和强烈的反应,出现了科学史上极其罕见的一幕。伦琴夫人的手骨照片更是一石激起千层浪,成了当时世界上*具轰动效应的新闻。医学界深受启发:既然X射线可以穿透皮肉,让人看到里面的骨头,那么当然可以用X射线透视人体任一器官,而不再需要“隔皮猜瓜”,一味地“望闻听切”了。因此医学界中的骨科和内科,*早获得X射线的恩泽。
开始为无数人造福。**的**保健事业依然得益于X射线的发现;我们难以想像,如果没有X射线,今天的**保健事业将会变成怎样一副模样。X射线的发现还打破了当时物理学家踌躇满志、洋洋自得的自满情绪,向科学家们展示出尚待探索的未知领域,因而打开了物理学革命的大门,为日后众多的发现发明奠定了基础。
物质的*小单位——电子
X射线的发现不仅促成了“放射性”的发现,而且促成了电子的发现。发现X射线的伦琴和一些科学家一度十分着迷于阴极射线的本质问题。阴极射线的本质究竟是什么,它是由何种元素构成的?这是他们苦苦思索的问题。围绕着这些问题,出现了截然不同的两种意见:赫兹认为阴极射线不是粒子或粒子流,而是以太波,德国所有的科学家都附和这一观点;克鲁克斯认定阴极射线是一种带电的粒子流,与以太波无关,英国多数科学家对此异口同声地予以声援。就在双方各持己见之时,法国物理学家佩兰以其实验雄辩地证明:阴极射线不是以太波,而是带负电的粒子流。不过,在“粒子”的本质问题上,他又误入歧途:断定这种粒子是气体离子。
与佩兰接力也是踏上佩兰肩膀继续前行的,是英国物理学家汤姆逊。他吸收了X射线研究的成果,在佩兰工作的基础上,于1897年开始对阴极射线作定性和定量的研究。佩兰的实验固然大体上可以证明阴极射线是带负电的粒子流,但他的实验并非**无缺的:他没有能够提供证据,以证明从阴极发出的带负电的微粒同阴极射线路径相同,这为以太波说留下了空隙。针对佩兰实验的缺陷。汤姆逊巧妙地设计了一个实验装置,用实验证明:阴极射线在电场和磁场作用下同带负电的粒子路径相同。这有力地证明了克鲁克斯的假想是完全正确的:阴极射线的的确确是由带负电荷的粒子组成的,以为阴极射线是以太波的说法是没有根据因而也是站不住脚的。至此,阴极射线究竟是带电的粒子流还是以太波的争论,戛然而止。
汤姆逊的实验内容当然不**于此。它发现和证明的东西还有许多。他不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转,而且使阴极射线在电场中发生了偏转。在此基础上,他根据这两种偏转的量度,推算出阴极射线粒子的质量与电荷之比m/e(即荷质比的倒数)——其数值约等于氢离子的千分之一。与此同时,他还注意到,无论怎样改变电管中气体的构成成分和阴极材料,阴极射线粒子的荷质比永远保持不变。由此汤姆逊推断,来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是完全相同的,阴极射线粒子与物质成分没有任何关系;阴极射线粒子小于原子,它是构成一切化学元素的物质,是一切化学原子的构成成分。无论这些“推断”是怎样的合乎情理和合乎逻辑,但它毕竟还是“推断”,不经过科学的“实验”仍然不够**。而且从理论上讲,阴极射线粒子的荷质比约等于氢离子的千分之一,这存在着两种可能:一是电荷(e)很大,二是质量(m)很小。意识到这个问题后,汤姆逊与其学生一道,用云雾法测定阴极射线粒子的电荷同电解中的氢离子所带的电荷是同一数量级,这就直接证明:阴极射线粒子的质量只是氢离子的千分之一。这构成一切原子的粒子,当初汤姆逊命名为“微粒”(corpuscle),后来汤姆逊改称为“电子”。
科学总是走在时代的前面,汤姆逊这过于新颖的电子理论一时难以为社会所认可,其重要性也没有被人们立即认识。但“金子总是要发光的”,电子理论不久即引起强烈的社会反响,汤姆逊所主持的卡文迪许实验室也因此成为世界**的物理实验**。
2000多年以来,人们一直认为原子是构成物质的*小单位——希腊文中的“原子”一词ajuos意为“不可分”,这个观念历经2000余年后宣告土崩瓦解,“分裂原子”成为当时科学领域中*具震撼力天籁之音一无线电广播
1906年圣诞节前夕的**晚上,大约8点钟左右,新英格兰附近几艘轮船上的无线电报务员突然从耳机里听到一个男人的说话声,讲的是《圣经》“路加福音”中的圣诞故事。接着耳机中又传来一首优美的小提琴曲和祝大家圣诞快乐的声音。几分钟后。声音消逝了,耳机里重新响起莫尔斯电码那熟悉的滴答声。这意外的声音使收听到它的无线电报务员既惊异又兴奋,他们谁也没有想到,这是世界上**次无线电广播,主持这次历史性广播的是美籍加拿大发明家费森登。自此以后,一个新的通讯时代便开始了。
费森登曾在美国新泽西州的爱迪生实验室工作过,并在几所大学里讲授过电力工程学。他不仅对刚刚问世的无线电技术有着透彻的了解,而且长期以来一直梦想着把人的声音通过无线电播送出去。1900年,费森登为美国**气象局进行无线电实验时就开始考虑有声广播的问题了,他要用人富有变化的声音去代替电报枯燥呆板的滴答声。
两年后,在匹兹堡两位金融家的赞助下,费森登在马萨诸塞州的布兰特罗建起无线电广播实验室,开始了实现自己梦想的艰难历程。他把自己关在试验室里,整天与电线、管子、电池、天线打交道,试图利用电磁波把人的声音传播到远方。
大家都知道,马可尼和波波夫发明的无线电报,是利用产生电火花的方式发射出电磁波,但是电火花只能持续很短的时间,因此要用这种方法得到稳定的长时间连续发射的电磁波,是不可能的。这样一来,怎样产生一种把声音传到远方去的电磁波,就成了一个很关键的问题。电磁波的频率比一般交流电的频率要高成百上千倍,甚至几万倍,而一般发电机只能产生出低频交流电。为了解决这个问题,费森登进行了反复实验,花了很大气力,发明了高频发电机,利用它产生的高频振荡电流来发射电磁波。这样,就可以应用电话机和麦克风的原理,将声音的强弱转换成电流的强弱,然后再将其载到高频电流上去,随电磁波一起传送出去。
但接下来的问题是,从电磁波接收来的交变电流,因为频率很高,流过受话器时都消失了,不能推动耳机或扬声器工作。正当费森登的实验举步维艰时,美国物理学家德福雷斯特,于1996年发明了一种可以把人的声音传送出去的真空管——真空三极管,并于1907年获得专利。它具有非常重要的放大功能,可以将弱电流放大成强电流,解决了无线电的接收问题。真空三极管的发明和应用,等于给无线电装上了心脏,很快它就成了一切无线电收音机通用的标准真空管。
德福雷斯特还用三极管制作成功了电子管振荡器。它所产生的高频电磁波,要比费森登的高频发电机产生的电磁波的性能高很多,解决了无线电的发送问题。后来,德福雷斯特又把若干个放大三极管级联起来,制成了多级放大器,再给电子管振荡器安装上多级放大器,制成了**无线电发射机。
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