自牛顿以来的科学家--近现代科学-第29部分
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祭吕祝↗。Bradley）得出光速为310000千米/秒；1849年，法国人菲索（A。H。Fizeau）测得光速是315000千米/秒；1850年，法国物理学家傅科（J。L。Foucault）测出光速是298000 千米/秒；1874年，考尔纽（M。Arnu）测得光速为299990千米/秒。接下来以光速测定为终身目标的是迈克耳孙。
迈克耳孙1873年毕业于美国海军学院，并留校教物理和化学。大约在5年后，开始进行光速的测量工作，随后游学欧洲，在德国和法国学习光学。回国后离开海军成为凯斯学院物理学教授。迈克耳孙因为精密光学仪器和和借助这些仪器进行的光谱学和度量学的研究工作作出的贡献获得1907年的诺贝尔物理学奖。
迈克耳孙自己设计了旋转镜和干涉仪，用以测定微小的长度、折射率和光波波长。1879年，他得到的光速为299910±5千米/秒；1882年，他得到的光速为299853±6千米/秒。这个结果被公认为国际标准，沿用了40年。迈克耳孙最后一次测量光速在加利福尼亚两座相差35千米的山上进行的，光速测量精确度最后达到了299798±4千米/秒。他就在这次测量过程中中风，于1931年去世。
迈克耳孙的一个着名实验是被称为迈克耳孙—莫雷的测定以太是否存在的实验。迈克耳孙用干涉仪考察与地球运动同一方向传播的光线是否慢于与地球表面垂直方向传播的光线，这样就可以考察“以太”是否存在，而过去假设以太是一种除了地球的大气以外在整个空间存在的物质。因为以太被假设为静止不动的，地球穿过以太而运动，于是与地球同一方向传播的光线就会比与地球表面垂直方向传播的光线受到更大的障碍，产生干涉条纹。1881年迈克耳孙第一次在柏林进行了这项实验，得到一种否定结果，即没有干涉条纹出现，结果不能证明两束光线是以不同速度传播的。他在不断提高精度的条件下，几次重复了这个过程。直到1887年他又在凯斯学校同美国化学家爱德华·莫雷一起以近乎完美的条件作了这个实验。物理学家不得不认真考虑以太确实并不存在，这种结果向正统的物理理论提出了许多问题，并直接导致了爱因斯坦狭义相对论的提出和解释。
制作更好的仪器，做更多的观察和测量是实验科学家的追求目标。1922年获得诺贝尔化学奖的英国物理学家阿斯顿就是一个典型的例子。
阿斯顿从伯明翰大学毕业后阿斯顿来到卡文迪什实验室，改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置，用来测定同位素及其原子量。后来，阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置，又参照了当时光谱分析的原理，设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的，可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器，这就是质谱仪。该仪器对于测量的结果精度达到千分之一。他用这一新的仪器对氖作重新测定，证明氖的确存在20Ne和22Ne两种同位素，又因它们在氖气中的比例约为10：1所以氖元素的平均原子量约为20。2（后来的研究又发现氖存在第三种同位素21Ne，氖元素的平均原子量为20。18）。随后，阿斯顿使用质谱仪测定了几乎所有元素的同位素。阿斯顿在71种元素中发现了202种同位素。
阿斯顿运用质谱仪对众多元素所作的同位素研究，不仅指出几乎所有的元素都存在同位素，而且还证实自然界中的某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体，因此该元素的原子量也是依据这些同位素在自然界占据不同比例而得到的平均原子量。
在他荣获1922年的诺贝尔化学奖后，他仍然坚持工作在实验室，对质谱仪作进一步的改进和完善，从而使他后来又制成了3台质谱仪，其倍率达两千倍，精度达十万分之一。
4、理论物理学家举例：爱因斯坦、杨振宁和霍金
20世纪3个最伟大的理论物理学家可能是爱因斯坦、杨振宁和霍金。
爱因斯坦一生中最重要的贡献是相对论。1905年他发表了题为《论动体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。这一理论把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内。它揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性，而且还进一步揭示了物质和运动的统一性（质量和能量的相当性），发展了物质和运动不可分割原理，并且为原子能的利用奠定了理论基础。随后，经过多年的艰苦努力，1915年他又建立了广义相对论，进一步揭示了四维空时同物质的统一关系，指出时空不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，它并不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。根据广义相对论的引力论，他推断光在引力场中不沿着直线而会沿着曲线传播。这一理论预见，在1919年由英国天文学家在日蚀观察中得到证实，当时全世界都为之轰动。1938年，他在广义相对论的运动问题上取得重大进展，即从场方程推导出物体运动方程，由此更深一步地揭示了空时、物质、运动和引力之间的统一性。广义相对论和引力论的研究，20世纪60年代以来，由于实验技术和天文学的巨大发展受到重视。另外，爱因斯坦对宇宙学、用引力和电磁的统一场论、量子论的研究都为物理学的发展作出了贡献。
杨振宁原本想做个实验物理学家，但他的实验能力很差，动手时总是显得笨手笨脚的。在芝加哥大学艾里逊实验室进行加速器实验时，哪里炸得乒乓作响，哪里就有杨振宁。他羡慕那些实验能力强的同学的天赋，“实验室里的一些同学具有神秘莫测令我惊愕的第六感觉，他们知道在什么地方可以找到漏气孔；当定标电路失常时他们知道应该在什么地方踢一脚。”但是他能现场解决同学们遇到的理论方面的难题。在泰勒的建议下，杨振宁最终选择了理论物理学作为自己一生的研究对象。
杨振宁在理论物理学上有3项重要成就。1954年与米尔斯发表了《同位旋守恒和一种广义规范不变性》和《同位旋守恒合同位旋规范不变性》两篇论文，建立了杨—米尔斯规范场，规范场是关于包括引力作用在内的四种相互作用的理论。1956年杨振宁和李政道合作发表了《弱相互作用中的宇称守恒问题》，打破了曾被物理学家奉为金科玉律的宇称守恒原理，他们因此获得1957年的诺贝尔物理学奖。1967年和1968年，杨振宁发表了两篇论文，建立了一个方程，后来被称为杨—巴克斯特方程。后来，物理学家发现此方程也是一个最基本的数学结构。
理论科学家更多地使用脑子进行思考，身体的好坏不会影响其科学成就。史蒂芬·霍金是一个典型的例子。史蒂芬在17岁时进入牛津大学学习物理，21岁时诊断患了卢伽雷病，即运动神经细胞病，医生宣判他活不了多久了。霍金只能顽强地与疾病对抗。与此同时，霍金开始沉入对世界的思索中，向爱因斯坦这位前辈伟人的相对论迈出批判的第一步。不过，霍金身体状况的确越来越糟糕，他渐渐失去了行动的能力，在1985年因肺炎造成的手术中，甚至失去了讲话的能力。在一段时间中，他飞驰的思想只能被封闭在自己的大脑中。无法与人交流，这使他觉得生不如死。所幸的是，科技的发达最终使他得以借助电脑和语言合成器，重新表达自己的思想，甚至能够在众人面前演讲。
在这期间，他的思想在广阔的宇宙中遨游—他指出爱因斯坦的广义相对论将在所谓“大爆炸奇点”失效，因此将量子力学引入对宇宙诞生的探索，最终得到宇宙无始无终的结论，并创造出“虚时间”这一概念；他指出“黑洞”事实上一直都在发“光”，只是极其微弱而已；他以幽默的方式证明了上帝的虚无……
霍金这个名字渐渐在人类科学的世界显露出自己的光彩：1975年，教皇在梵蒂冈步下圣坛，将嘉奖“有杰出成就的年轻科学家”的勋章授与霍金，而他的前任在多年前曾经严酷地迫害过布鲁诺、伽利略；1985年霍金英国皇家学会吸纳为有史以来最年轻的院士；他在剑桥大学担任着牛顿曾经就位多年的重要教职，被世界公认为是继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家之一，是对20世纪人类观念产生了重大影响的人物。
5、理论实验双料物理学家举例：牛顿与费米
在整个科学史上，牛顿被认为是最伟大的科学家，因为他是一个真正集实验科学家、理论科学家和数学家三位一体的人物。
牛顿的理论贡献最辉煌的成就是万有引力定律的发现。他认为太阳吸引行星，行星吸引行星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力，还用微积分证明了开普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力，证明了任何一曲线运动的质点，若是半径指向静止或匀速直线运动的点，且绕此点扫过与时间成正比的面积，则此质点必受指向该点的向心力的作用，如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比，则向心力与半径的平方成反比。牛顿还通过了大量实验，证明了任何两物体之间都存在着吸引力，总结出了万有引力定律。牛顿的理论贡献得益于数学。在同一时期哈雷和胡克等科学家都在探索天体运动奥秘，其中以胡克较为突出，他早就意识到引力的平方反比定律，但他缺乏象牛顿那样的数学才能，不能得出定量的表示。
1687年，牛顿出版了代表作《自然哲学的数学原理》，这是一部力学的经典着作。牛顿在这部书中，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、力）和基本定律（运动三定律）出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，建立了经典力学的完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。
牛顿的实验才能表现在光学方面。他利用三棱镜试验了白光分解为的有颜色的光，最早发现了白光的组成。他对各色光的折射率进行了精确分析，说明了色散现象的本质。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外，他还制作了牛顿色盘和反射式望远镜等多种光学仪器。
牛顿的研究领域非常广泛，他在几乎每个他所涉足的科学领域都做出了重要的成绩。他研究过计温学，观测水沸腾或凝固时的固定温度，研究热物体的冷却律，以及其他一些只有在与他自己的主要成就想比较时，才显得逊色的课题。
在现代科学史上，费米则是理论与实验俱佳的着名科学家，他在现代物理理论和实验物理学方面都有重大贡献。
1925～1926年，费米根据泡利不相容原理，与英国物理学家狄拉克各自导出量子统计中的“费米…狄拉克统计”。1934年，费米开始了史无前例的关于中子引起的核反应的研究，提出热中子的扩散理论。他在用中子轰击铀原子的核反应实验中，得到了一种“新元素”。当时他把这种元素起名为“超铀”元素，首创了β衰变的定量理论，为原子能研究奠定了重要的理论基础。
费米因利用中子辐射发现新的放射性元素，及慢中子所引起的有关核反应，获1938年诺贝尔物理学奖。其实，费米得到的并不是“超铀”元素。1939年费米到了美国。当时德国科学家哈恩与斯特拉斯曼用化学方法检验了费米的实验，发现用中子轰击铀原子，只能得到地球上已存在的钡。从费米的错误结论出发，竟然得到一个意想不到的惊人成就。哈恩与斯特拉斯曼便大胆地提出一种新设想，认为铀原子核受到中子的轰击后，不是衰变，而是分裂为大致相等的两个中等质量的原子。这就是着名的裂变理论。
“裂变理论”诞生之时，费米正在外出途中。当他从杂志上获悉这一惊人的消息后，马上返回哥伦比亚大学，一头扎进物理实验室。他用精密细致的实验验证了“裂变理论”的正确性，并致力于研究裂变的“链式反应”，进而建立了一整套“链式反应”的基本概念和基础理论。
沉缅于科学研究中的费米用自己的心血，换取了人类科学史上的又一个划时代的进步。铀核反应的实验成功及其基础理论的产生，为后来原子弹的试制成功提供了有力的实验基础和可靠的理论依据。这一重大成果，打开了长期封闭的原子核能宝库的巨锁，为人类找到了取之不尽、用之不竭的新能源宝藏。由于取得如此巨大的成就，费米成为原子能事业的先驱，成为世界上最有声望的科学家之一。20世纪在基本粒子理论物理学研究中作出杰出贡献的两位华裔科学家之一的杨振宁（另一位是李政道），于1945年获奖学金离开中国赴美国留学，他渴望在费米的指导下学习，为此来到哥伦比亚大学。当他得知费米已转到芝加哥大学时，便又前往芝加哥读研究生。后来，费米和杨振宁在基本粒子的研究中共同提出了“费米－杨振宁模型”。
费米发现链式反应，为原子能的利用迈进了极其关键的一步。在费米领导下，1942年12月2日于芝加哥大学，世界上第一座用碳作减速剂的核反应堆竣工落成，实现了链式核反应。费米还研究了宇宙射线的来源。为纪念费米对核物理学的贡献，美国原子能委员会建立了“费米奖”，以表彰为和平利用核能作出贡献的各国科学家。100号化学元素镄和原子核物理学使用的“费米单位”（长度单位）就是以费米的名字命名的＇2＇。
注：
1、I。阿西莫夫，你知道吗—现代科学中的100个问题，科学普及出版社，1980年。
2、用科学家命名的化学元素集中在95号元素之后，如96号用居里、99号用爱因斯坦、101号用门捷列夫、102号用诺贝尔、103号用劳伦斯、104号用卢瑟福、106号用西博格、107号用玻尔、109号用迈特纳
