物理科學(xué)家的科學(xué)故事突出物理精神

物理科學(xué)家的科學(xué)故事突出物理精神阿基米德秤皇冠發(fā)現(xiàn)浮力定律在一般人看來(lái)，阿基米德是個(gè)“怪人”。用羅馬歷史學(xué)家普魯塔克的話說(shuō)：“他象是一個(gè)中了邪術(shù)的人，對(duì)于飯食和自己的身體全不關(guān)心?！庇袝r(shí)候，飯擺在桌子上叫他吃飯，他好象沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)，仍舊在火盆的灰里畫他的幾何圖形。他的妻子，要時(shí)時(shí)看守他。譬如他用油擦身的時(shí)候，便呆坐著用油在自己身上畫圖案，而忘記原來(lái)是作什么事的了。他的妻子更怕送他到浴堂里去洗澡，這個(gè)笑話是因?yàn)閲?guó)王的一個(gè)新冠冕而引起的。國(guó)王在前不久，叫一個(gè)工匠替他打造一頂金皇冠。國(guó)王給了工匠他所需要的數(shù)量的黃金。工匠的手藝非常高明，制作的皇冠精巧別致，而且重量跟當(dāng)初國(guó)王所給的黃金一樣重?？墒?，有人向國(guó)王報(bào)告說(shuō)：“工匠制造皇冠時(shí)，私下吞沒(méi)了一部分黃金，把同樣重的銀子摻了進(jìn)去?！眹?guó)王聽(tīng)后，也懷疑起來(lái)，就把阿基米德找來(lái)，要他想法測(cè)定，金皇冠里摻?jīng)]摻銀子，工匠是否私吞黃金了。這次，可把阿基米德難住了。他回到家里苦思苦想了好久，也沒(méi)有想出辦法，每天飯吃不下，覺(jué)睡不好，也不洗澡，象征了魔一樣。有一天，國(guó)王派人來(lái)催他進(jìn)宮匯報(bào)。他妻子看他太臟了，就逼他去洗澡。他在澡堂洗澡的時(shí)候，腦子里還想著稱量皇冠的難題。突然，他注意到，當(dāng)他的身體在浴盆里沉下去的時(shí)候，就有一部分水從浴盆邊溢出來(lái)。同時(shí)，他覺(jué)得入水愈深，則他的體量愈輕。于是，他立刻跳出浴盆，忘了穿衣服，就跑到人群的街上去了。一邊跑，一邊叫：“我想出來(lái)了，我想出來(lái)了，解決皇冠的辦法找到啦！”他進(jìn)皇宮后，對(duì)國(guó)王說(shuō):“請(qǐng)?jiān)试S我先做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，才能把結(jié)果報(bào)告給你?！眹?guó)王同意了。阿基米德將與皇冠一樣重的金子、一塊銀子和皇冠，分別一一放在水盆里，看金塊排出的水量比銀塊排出的水量少，而皇冠排出的水量比金塊排出的水量多。阿基米德對(duì)國(guó)王說(shuō)：“皇冠摻了銀子！”國(guó)王看了實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有弄明白，讓阿基米德給解釋一下。阿基米德說(shuō)：“一公斤的木頭和一公斤的鐵比較，木頭的體積大。如果分別把它們放入水中，體積大的木頭排出的水量，比體積小的鐵排出的水量多。我把這個(gè)道理用在金子、銀子和皇冠上。因?yàn)榻鹱拥拿芏却螅y子的密度小，因此同樣重的金子和銀子，必然是銀子的體積大于金子的體積。所以同樣重的金塊和銀塊放入水中，那么金塊排出的水量就比銀塊的水量少。剛才的實(shí)驗(yàn)表明，皇冠排出的水量比金塊多，說(shuō)明皇冠的密度比金塊的密度小，這就證明皇冠不是用純金制造的?！卑⒒椎掠袟l理的講述，使國(guó)王信服了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，那個(gè)工匠私吞了黃金。阿基米德的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是“靜水力學(xué)”的胚胎。但他并不停留在這一點(diǎn)上，繼續(xù)深入研究浮體的問(wèn)題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了自然科學(xué)中的一個(gè)重要原理―阿基米德定律。即：把物體浸在一種液體中時(shí)，所排開(kāi)的液體體積，等于物體所浸入的體積;維持浮體的浮力，跟浮體所排開(kāi)的液體的重量相等。牛頓科學(xué)探索的中止牛頓雖然在科學(xué)探索領(lǐng)域里成果豐碩，但在他從事科學(xué)探索的漫長(zhǎng)歲月里，經(jīng)濟(jì)收入?yún)s一直很不寬裕。1692年，50歲的牛頓被富裕的物質(zhì)生活所吸引，決定拋棄科學(xué)探索的艱辛生活，尋找一個(gè)能夠帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)收入的職位。消息傳出，人們紛紛為牛頓推薦去處。開(kāi)始有人推薦他去擔(dān)任倫敦查特蒙斯公立學(xué)校校長(zhǎng)，但當(dāng)牛頓問(wèn)清這個(gè)職位的月薪不夠高時(shí)，便辭掉了這個(gè)職位。1696年，好心的哈利發(fā)克斯爵士推薦牛頓去當(dāng)英國(guó)皇家造幣廠督辦，這個(gè)職位的年薪可觀，牛頓欣然同意遷居倫敦，當(dāng)上了皇家造幣廠的督辦。牛頓走馬上任后毫不停歇，把他那偉大的頭腦從此轉(zhuǎn)到了鑄造貨幣之上。在財(cái)政部花園后面，牛頓派人建起了10座大熔爐，先是一爐爐地把舊幣熔化掉，然后把熔化后的貴金屬運(yùn)送到倫敦塔，在那里重新鑄成貨幣。牛頓就這樣投身于熔舊鑄新工作，一晃到了1699年，才告結(jié)束。牛頓的熱情工作受到了皇家的贊許，因而被皇家授予終生“造幣廠廠長(zhǎng)”職銜。造幣廠廠長(zhǎng)這個(gè)職銜給牛頓帶來(lái)了豐碩的薪俸，他每年可以得到一筆多達(dá)2000英鎊的可觀經(jīng)濟(jì)收入。我們說(shuō)這筆收入可觀，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)建立格林尼治天文臺(tái)，即所謂弗拉姆斯蒂德大廈，才花去500英鎊的資金。牛頓把整個(gè)身心都投入到了貨幣鑄造之中，因而整日為此奔忙，使得他無(wú)法繼續(xù)擔(dān)任劍橋大學(xué)的教學(xué)和科研工作，不得不于1701年辭去了劍橋大學(xué)教授職務(wù)，退出了三一學(xué)院。這樣，就使得牛頓后半生生活發(fā)生了巨變：即從清貧之境變成了富裕之境，與此同時(shí)也使他從一個(gè)在劍橋大學(xué)過(guò)著相當(dāng)寧?kù)o隱居生活的學(xué)者，一舉變成了一個(gè)在倫敦官場(chǎng)上頗有影響的人物，同英國(guó)皇室結(jié)成了日益密切的聯(lián)系。牛頓生活事業(yè)的這一急劇變化，當(dāng)然成了當(dāng)時(shí)人們的笑談。在一出話劇中，一個(gè)逗人發(fā)笑的丑角說(shuō)：“牛頓嗎?唉―我是聽(tīng)過(guò)伊薩克先生的名字的一誰(shuí)都知道伊薩克先生的大名。偉大嘛，鑄幣大臣！”牛頓的全名叫做伊薩克?牛頓。生活道路的如此巨變，導(dǎo)致了牛頓科學(xué)探索道路的閉塞，使其科學(xué)探索工作徹底中止了下來(lái)。高斯的話柄高斯雖然被譽(yù)為18世紀(jì)是偉大的數(shù)學(xué)家，贏得了同代人的廣泛尊敬，但與此同時(shí)他也給同代和后代人留下了不可避開(kāi)的話柄。即他雖然在1824年以前，已經(jīng)獨(dú)立地得到了非歐幾何學(xué)的令人滿意結(jié)果，但由于康德的唯心主義空間觀念占據(jù)著統(tǒng)治地位，高斯沒(méi)有勇氣去突破它，因而一直沒(méi)有把研究結(jié)果發(fā)表出來(lái)，造成了他的一大失誤?？档抡f(shuō)，空間觀念是天賦的，人生下就有空間觀念，這種空間就是歐幾里德空間，它是惟一的空間?？档抡f(shuō)的歐幾里德空間觀念在當(dāng)時(shí)占據(jù)著統(tǒng)治地位，人們都相信它，認(rèn)為不可突破。高斯發(fā)現(xiàn)在非歐幾何學(xué)則突破了這一傳統(tǒng)的空間觀念，所以高斯害怕他的非歐幾何學(xué)與傳統(tǒng)空間觀念相違背，引起不理解者的反對(duì)，因此這一研究成果到他死后才被人們披露出來(lái)。高斯不僅沒(méi)有勇氣發(fā)表已經(jīng)取得的非歐幾何學(xué)研究成果，而且在別的數(shù)學(xué)家得出這一成果之時(shí)，他也不敢拿出勇氣進(jìn)行公開(kāi)支持。1826年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家羅巴切夫斯基在喀山大學(xué)物理學(xué)會(huì)議上，宣布他創(chuàng)立了非歐幾何。此后，他又連續(xù)發(fā)表了一系列非歐幾何學(xué)著作。羅巴切夫斯基的非歐幾何學(xué)動(dòng)搖了舊的傳統(tǒng)空間觀念，因而引起了教廷的反對(duì)，主教宣布他的學(xué)說(shuō)是邪說(shuō)，更有人用匿名信在反對(duì)雜志上嘲笑、謾罵、侮辱羅巴切夫斯基，甚至宣布他是瘋子，最好的態(tài)度也不過(guò)是“對(duì)一個(gè)錯(cuò)誤的怪人的寬容的惋惜態(tài)度”。高斯是了解羅巴切夫斯基非歐幾何學(xué)正確的人，而且這時(shí)他已大名鼎鼎，完全有能力站出來(lái)為新生的非歐幾何學(xué)進(jìn)行辯護(hù)，但羅巴切夫斯基的遭遇正是高斯先前估計(jì)到的，也正是他不敢發(fā)表自己的非歐幾何學(xué)結(jié)論的“怕處”所在。因此，他沒(méi)有敢于站出來(lái)為之辯護(hù)，只在私人通信里說(shuō)到自己對(duì)羅巴切夫斯基的欽佩。一代數(shù)學(xué)巨匠高斯，因?yàn)槿狈εc舊的傳統(tǒng)觀念斗爭(zhēng)的勇氣，不僅一時(shí)淹滅了自己也淹滅了他人的非歐幾何學(xué)研究成果，給人們留下了奪不去的話柄。愛(ài)因斯坦的否定愛(ài)因斯坦一生科研成果卓著，其中最卓著的是他創(chuàng)立了相對(duì)論，并發(fā)展了普朗克提出的量子假說(shuō)。然而，令人遺憾的是愛(ài)因斯坦雖然在量子力學(xué)初創(chuàng)階段，成為第一位率先站出來(lái)支持并予以發(fā)展的大科學(xué)家，但其后不久，他對(duì)待量子力學(xué)的思想?yún)s倒退僵化起來(lái)。結(jié)果使眾多科學(xué)家在他對(duì)量子力學(xué)成功探索引導(dǎo)下，紛紛投身量子力學(xué)探索并取得了一系列新的成就之時(shí)，他卻從1925年開(kāi)始走上自己的反面，成為量子力學(xué)的頑固反對(duì)者。這一年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡在繼愛(ài)因斯坦之后眾多科學(xué)家探索量子力學(xué)的成就的基礎(chǔ)上，找到了反映量子波粒二象性事實(shí)的“測(cè)不準(zhǔn)原理”。這一原理就是對(duì)于微觀粒子來(lái)說(shuō)。要想精確地測(cè)定其位置，就無(wú)法精確地測(cè)定其速度；反過(guò)來(lái)，要想精確地測(cè)定其速度，就無(wú)法精確地測(cè)定其位置。這一原理為人們后來(lái)認(rèn)識(shí)微觀粒子提供了重要的理論依據(jù)?？墒菒?ài)因斯坦對(duì)這一原理卻給予了否定，說(shuō)量子力學(xué)沒(méi)有理論做依據(jù)，只是偶然的假說(shuō)，“不完整”.就像上帝同世人擲骰子似的，而“上帝是不同世人擲骰子的”；他決不拋棄“可見(jiàn)的”因果關(guān)系而去接受可能性。他不僅口頭上這樣對(duì)量子理論進(jìn)行批駁，而且在行動(dòng)上也停止了對(duì)量子理論的研究，把精力完全轉(zhuǎn)移到了相對(duì)論研究上，結(jié)果使他從此再也沒(méi)有獲得量子力學(xué)研究成果。思想僵化，就這樣給愛(ài)因斯坦造成了令人遺憾萬(wàn)分的倒退和失誤，許多人當(dāng)時(shí)都認(rèn)為“這是一個(gè)悲劇一因?yàn)樗麖拇嗽诠陋?dú)中摸索前進(jìn)，而我們則失去了一位領(lǐng)袖和旗手”。大科學(xué)家愛(ài)因斯坦這令人痛心的失誤。對(duì)我們是多么珍貴的啟示啊！門捷列夫的黑點(diǎn)門捷列夫的元素周期律是化學(xué)領(lǐng)域里的一項(xiàng)革命性發(fā)現(xiàn)。以后：門捷列夫也曾想進(jìn)一步弄清元素的性質(zhì)隨原子量增加呈周期性變化的原因，但是由于他的思想未能從元素不能轉(zhuǎn)化、原子不可分割等形而上學(xué)傳統(tǒng)觀念的束縛中解脫出來(lái)，因而到19世紀(jì)末人們發(fā)現(xiàn)了放射性元素和電子的存在，為揭開(kāi)原子從量變到質(zhì)變內(nèi)幕提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)之時(shí)，他不僅不能利用這些新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)一步發(fā)展他的周期律學(xué)說(shuō)，相反，卻極力否認(rèn)原子的復(fù)雜性和電子的客觀存在，竭盡全力去進(jìn)行反對(duì)。他說(shuō)，承認(rèn)電子存在不但“沒(méi)有多大用處”，“反而只會(huì)使事情復(fù)雜化”，“絲毫不能澄清事實(shí)”。放射性的發(fā)現(xiàn)明明表明元素是可以轉(zhuǎn)化的，他卻說(shuō)“我們應(yīng)當(dāng)不再相信我們已知的單質(zhì)的復(fù)雜性”，“應(yīng)當(dāng)消除任何相信我們已知單質(zhì)復(fù)雜性的痕跡?！辈⑿迹骸瓣P(guān)于元素不能轉(zhuǎn)化的概念特別重要”，“是整個(gè)世界觀的基礎(chǔ)”。然而化學(xué)家們正是在19世紀(jì)末放射性和電子等一系列偉大發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，一步步揭示出了元素周期律的本質(zhì)，揚(yáng)棄了門捷列夫的原子不可分和元素不可轉(zhuǎn)化的陳舊觀念，根據(jù)門捷列夫元素周期律的合理內(nèi)核，制定出了新的元素周期律。在門捷列夫元素周期律基礎(chǔ)上誕生的元素周期律新理論，比門捷列夫的理論更具有真理性。它揭示了元素在周期表中的排列順序是按原子中的質(zhì)子數(shù)排列的。隨著原子序數(shù)的增加，原子的質(zhì)子數(shù)增加，這時(shí)一般地說(shuō)中子數(shù)也增加。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)總合起來(lái)表現(xiàn)為原子量的增加。但實(shí)踐證明，并不是有多少種元素就有多少種原子。一種元素中有含中子數(shù)多的同位素，也有含中子數(shù)少的同位素。元素的原予量是同位素的平均數(shù)。這里的所謂質(zhì)子數(shù)，就是原子核外圍的電子數(shù)，也就是原子核的電荷數(shù)，即原子序數(shù)，從而，解決了門捷列夫解決不了的問(wèn)題。但這些探索元素周期律后來(lái)獲得的成果，都被門捷列夫在反對(duì)放射性發(fā)現(xiàn)和電子存在中喪失了。僵化思想，就這樣使大化學(xué)家門捷列夫在探索元素周期律奧秘的前進(jìn)道路上走向了倒退，喪失了應(yīng)該根據(jù)新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果發(fā)展元素周期律的良機(jī)，為我們留下了珍貴的啟示。阿爾伯特.愛(ài)因斯坦阿爾伯特.愛(ài)因斯坦(Albert.Einstein)1897年3月14曰出生在德國(guó)西南距離慕尼黑八十五哩的烏耳姆城(Ulm)。父母都是猶太人。父親赫爾曼.愛(ài)因斯坦和叔叔雅各布.愛(ài)因斯坦合開(kāi)了一個(gè)制造電器設(shè)備的小工廠。母親玻琳是受過(guò)中等教育的家庭婦女，非常喜歡音樂(lè)，在小愛(ài)因斯坦六歲時(shí)就教導(dǎo)他拉小提琴。這是一個(gè)和睦、愉快的家庭。親人們深愛(ài)著小愛(ài)因斯坦，但都為他的智力發(fā)育感到擔(dān)憂。愛(ài)因斯坦小時(shí)候并不活潑，三歲多還不會(huì)講話，父母很擔(dān)心他是啞巴，帶他去給醫(yī)生檢查。還好小愛(ài)因斯坦不是啞巴可是直到九歲時(shí)講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經(jīng)過(guò)吃力但認(rèn)真的思考。小愛(ài)因斯坦是一個(gè)誠(chéng)實(shí)的孩子，從不做違心的或騙人的事。為此，他受到同學(xué)們的譏笑，給他起了一個(gè)綽號(hào)叫“誠(chéng)實(shí)的約翰”。普通孩子喜歡玩帶有競(jìng)爭(zhēng)性的游戲，可是他卻不喜歡參加。孩子喜歡打仗的游戲，喜歡看士兵操練，但是他卻從小到大不喜歡任何和軍事有關(guān)的東西。他是一個(gè)不想看到人類互相殘殺的和平主義者。愛(ài)因斯坦家的住房周圍有花園，他經(jīng)常一個(gè)人長(zhǎng)時(shí)間地蹲在花園角落的灌木叢里，用手撫摩著小葉片或者凝視著匆匆跑動(dòng)的螞蟻。他很小就喜歡冥想，想了解大自然的奧秘。一次，在依薩爾河岸野餐時(shí)，一位親戚說(shuō)，小愛(ài)因斯坦很嚴(yán)肅，當(dāng)其他的孩子都在互相玩耍、逗樂(lè)時(shí)，他卻獨(dú)自坐著看湖的對(duì)岸。母親玻琳深情的為自己的孩子辯護(hù)：“他是沉靜的，因?yàn)樗谒妓?。等著吧，總有一天他?huì)成為一個(gè)教授！”那位親戚感到可笑，但也理解母親的心情。教授在人們的心目中，只有那些聰敏的人才有可能得到這個(gè)榮譽(yù)的稱號(hào)，這個(gè)連話都說(shuō)不好的笨孩子能成為一個(gè)教授嗎？在四、五歲時(shí)，愛(ài)因斯坦有一次臥病在床，父親送給他一個(gè)羅盤。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)指南針不斷地指著固定的方向時(shí)，感到非常驚奇，覺(jué)得一定有什么東西深深地隱藏在這現(xiàn)象后面。他一連幾天很高興的玩這羅盤，還糾纏著父親和雅各布叔叔問(wèn)了一連串問(wèn)題。盡管他連“磁”這個(gè)詞都說(shuō)不好，但他卻頑固地想要知道指南針為什么能指南。這種深刻和持久的印象，愛(ài)因斯坦直到六十七歲還能鮮明的回憶出來(lái)。愛(ài)因斯坦在念小學(xué)和中學(xué)時(shí)，一般功課屬平常，唯有數(shù)學(xué)成績(jī)遠(yuǎn)在全班同學(xué)之上。由于他舉止緩慢，不愛(ài)同人交往，老師和同學(xué)都不喜歡他。教他希臘文和拉丁文的老師對(duì)他是那么厭惡，曾經(jīng)公開(kāi)罵他：“愛(ài)因斯坦，你長(zhǎng)大后肯定不會(huì)成器?！倍乙?yàn)榕滤谡n堂上會(huì)影響其他學(xué)生，竟想把他趕出校門。愛(ài)因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠里專門負(fù)責(zé)技術(shù)方面的事務(wù)，而愛(ài)因斯坦的父親則負(fù)責(zé)商業(yè)的往來(lái)。雅各布是一個(gè)工程師，自己就非常喜愛(ài)數(shù)學(xué)，當(dāng)小愛(ài)因斯坦來(lái)找他問(wèn)問(wèn)題時(shí)，他總是用很淺顯通俗的語(yǔ)言把數(shù)學(xué)知識(shí)介紹給他。有一天愛(ài)因斯坦跑來(lái)問(wèn)叔叔：“什么是代數(shù)”？叔叔就這樣解釋：“在算術(shù)中有很多問(wèn)題不容易解決，要算又很難。而代數(shù)是一門‘快樂(lè)’的數(shù)學(xué)，能很容易的幫人們解答困難的計(jì)算。我們把我們不知道的數(shù)叫著X，然后來(lái)捕捉它。你把它當(dāng)作已知道的東西，建立一些關(guān)系，最后你就可以容易地得到它了?！比缓笫迨褰o了他一本有代數(shù)問(wèn)題的小冊(cè)子，愛(ài)因斯坦很快就學(xué)會(huì)了解決里面的問(wèn)題。有一次雅各布叔叔給他講了幾何中一個(gè)很美麗的定理―畢達(dá)哥拉斯定理:任何直角三角形的長(zhǎng)邊平方一定等于兩短邊平方的和。叔叔沒(méi)有告訴他這個(gè)定理的證明，但是愛(ài)因斯坦在畫了許多直角三角形后發(fā)現(xiàn)這關(guān)系一直成立，感到非常的驚奇。父親的生意做得并不好，但卻是一個(gè)樂(lè)觀和心地善良的人，家里每星期都有一個(gè)晚上要邀請(qǐng)來(lái)慕尼黑念書(shū)的窮學(xué)生吃飯，這樣等于是救濟(jì)他們。其中有一對(duì)來(lái)自立陶宛的猶太兄弟麥克斯和伯納德，他們都是學(xué)醫(yī)科的，都喜歡閱讀書(shū)籍，興趣廣泛。他們被邀請(qǐng)來(lái)愛(ài)因斯坦家里吃飯，并和羞答答、長(zhǎng)著黑頭發(fā)和棕色眼睛的小愛(ài)因斯坦交成了好朋友。麥克斯可以說(shuō)是愛(ài)因斯坦的“啟蒙老師”，他借了一些通俗的自然科學(xué)普及讀物給他看，看完后就和愛(ài)因斯坦討論，并且再繼續(xù)提供給他新的讀物。麥克斯點(diǎn)燃了愛(ài)因斯坦自學(xué)的興趣火花，還不斷地輔導(dǎo)他。