劳厄x射线衍射的发现及其对大学创新教育的启示

卢都友 石防震 张 华

(南京工业大学材料科学与工程学院,南京 10009)

1895年伦琴(W.C.Rontgen)发现x射线在全球引起轰动,但随后的十几年物理学界对x射线本质的认识并无显著进展。1912年,劳厄(M.Von Laue)发现x射线晶体衍射,一箭双雕,解决了当时的两大科学难题:证实了晶体点阵结构的周期性和x射线的波动性。这一发现被爱因斯坦称为“物理学中最完美的实验”,劳厄因此获得了1914年度诺贝尔物理奖。更重要的是,劳厄的发现直接启发了随后布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.Bragg)对晶体衍射的进一步研究和晶体结构测定方法的建立,从而为x射线晶体学和x射线光谱学奠定了基础。这些工作不仅使物理学中关于物质结构的认识从宏观进入微观、从经典过渡到现代,而且开拓了现代化学、生物医学等,使科学技术产生了划时代的进展。

x射线衍射的发现不仅对自然科学产生了深远的影响,作为科学创新的典范,天才物理学家劳厄的成长经历和x射线晶体衍射的发现过程也蕴涵着丰富的创新教育资源。深入认识劳厄成功对科学研究和创新教育的启示,并在科学研究和人才培养过程中自觉践行,对我国高校正在大力推进的创新教育具有现实意义。

一、x射线衍射发现的科学背景

(一)1895—1912年x射线性质研究进展

1895年伦琴x射线的发现吸引了大批物理学家和医学工作者竞相投入该领域研究。医疗方面的需求,促进了x射线管技术的进步和商业化进程,但物理学界对研究的热点——x射线本质的认识并无显著进展。

物理学界对x射线本质存在对立的两种观点——电磁波和微观粒子。波动性研究方面,伦琴在第一篇通讯中就写道:“我已按很多方法检测x射线的干涉现象,但不幸的是都没有成功,也许仅仅是由于它们的微弱强度”[1]。1903年,荷兰物理学家哈戈(H.Haga)和温德(C.H.Wind)以及沃尔特(B.Walter)和坡耳(R.W.Pohl)的楔形狭缝实验观察到楔形端点处射出的x射线束加宽,并将其归结于x射线的衍射所致。伦琴的主要助手科赫(P.P.Koch)对该实验照片进行了光度学测量,索莫菲(A.Sommerfeld)根据这些测量结果和传统衍射理论计算的x射线的波长为4×10-9cm[2]。1905年英国物理学家巴克拉(C.G.Barkla)发现了x射线的偏振性,似乎为x射线的波动理论提供了进一步证明,对认识x射线的本质前进了一大步。但这些实验还不足以判定x射线是波还是粒子。英国物理学家亨利.布拉格(W.H.Bragg)根据γ射线和x射线能使原子电离、在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实,认为x射线和γ射线一样是粒子。1904年x射线可使气体电离的实验巩固了其粒子观点。除此之外,1905年,爱因斯坦(A.Einstein)将普朗克提出的能量子概念推广到光,提出了光量子概念,成功解释了赫兹(H.R.Hertz)于1887年首次提出的“光电效应”[2]。x射线也同样具有这一效应,进一步支持了x射线的粒子性观点。

1907—1908年,巴克拉和布拉格在科学期刊上展开了一场关于x射线是波还是粒子的争论。双方都有一些实验事实支持,争论并没有得出明确结论。但这场争论促进了对x射线本质认识的研究,加速了后来对x射线波粒二相性的融合。巴克拉的x射线偏振实验和波动性观点是后来劳厄发现x射线衍射的前奏。

对x射线性质认识的另一进展是1909年巴克拉发现的特征辐射,即元素发出的x射线辐射都具有和该元素有关的特征谱线(也叫标识谱线)。

(二)晶体学研究进展[2]

1784年,法国结晶学家奥伊(Hauy)提出晶体结构理论——晶胞学说;1848年,法国结晶学家布拉维(A.Bravais)确定了14种空间点阵型式——空间点阵学说。在奥伊和布拉维的时代,矿物学家便根据原子的空间点阵的简单排列直观地解释了结晶学的基本定律,即有理指数定律。松克(L.Sohncke,1879年)、费多罗夫(Federow)和申夫利斯(Schoenflies,1891年)使空间点阵的数学理论达到了最大程度的完善,但是并未从这条思路得出更深刻的物理结论,因此对于物理学家来说,这个理论仍是一个待商榷的假设。

1912年前后,尽管这些理论在其他地方几乎销声匿迹,但慕尼黑大学仍然用空间点阵学说解释晶体结构[3]。该校矿物学教授格罗特(P.Groth)主持矿物学研究室工作,除主编《晶体学与矿物学报》,还编著《化学晶体学》专著[4]。在慕尼黑大学的研究所里陈放着松克的空间点阵模型。劳厄在慕尼黑大学的耳闻目染,使其确信原子的真实性,并赞同空间点阵理论。正如劳厄在颁奖演说中所说:“与当时为数不多的哲学家对原子的真实性所持的怀疑态度相反,我很早就确信,没有什么严谨的认识论的论据能够反对这个事实,同时实践经验也不断地提供新的证据来支持这个理论”[2]。空间点阵理论为劳厄日后x射线晶体衍射的发现奠定了晶体学基础。

(三)劳厄的教育和工作经历[3]

劳厄1879年生于德国科布伦茨附近的普法芬多夫。1898年进入斯特拉斯堡大学,次年秋天转入哥廷根大学学习数学、物理学和化学课程。在哥廷根大学深受物理学教授福格特(W.Voigt)和数学教授赫伯特(D.Hilbert)的影响,为从数学方法所能获得关于自然的丰富信息所折服而决定从事理论物理研究[3]。在此期间,劳厄学习了刚刚在德国获得承认的麦克斯威电磁理论。这是一门起初令其抓狂、最终带来巨大喜悦的理论,错综复杂的过程浓缩在优美、简洁的方程中,为其展开了新世界。1901年劳厄进入慕尼黑大学,除了伦琴在其实验室的谈话和“功的理论”课程外,在知识方面没有太多收获。一学期以后,劳厄于1902年进人柏林大学,修读了普朗克(M.Planck)讲授的理论光学、热力学、卢梅尔(O.Lummer)教授讲授的光学专题(干涉光谱学和热辐射等)课程,并在普朗克的指导下做博士论文“关于平行板干涉现象的理论”。同时,劳厄学习了完全反转其日后生活的哲学课程,正是这些哲学课程使他认识到即便是他酷爱的物理学也应以哲学为中心而作为服务哲学的一部分。柏林大学的这段生活是劳厄收获知识、身心愉悦、过得最为充实的一段大学时光[3]。

1903年在柏林大学获得博士学位之后,劳厄到哥廷根大学工作了两年,同时学习了亚伯拉罕(M.Abraham)教授的电子理论课程,该课程从原子层次证实了麦克斯威电磁理论。1905年普朗克为其提供“理论物理”课程的助教位置。3年的助教工作,劳厄实现了由学生到老师的转变。尽管学生时代曾认真地做过相关题目,但在评判、修改别人错误的过程中使其对课程有了更深刻的理解和更多向普朗克讨论、交流的机会。与此同时,劳厄开始了自己独立的科学研究,解决了光学反射和衍射更多的深层次问题。1909年,劳厄作为编外教师到慕尼黑大学,在伦琴和索莫菲身边工作,讲授光学、热力学和相对论。

慕尼黑大学当时充满着关注x射线本质的研究氛围[3-4]。伦琴领导实验物理方面的实验室从事晶体物理学的研究。索莫菲作为理论物理的实验室主任,专注于 x射线理论研究。实验室成员包括德拜*(P.Debye)、劳厄和刚刚毕业的伦琴的博士生弗里德里希(W.Friedrich)。该实验室基于波动理论,成功制备了对阴极x射线管(anticathode tube),估算了x射线波长,并在研讨会上讨论巴克拉发现的x射线偏振证据和元素的特征辐射等关于x射线研究的最新进展。劳厄在理论物理方面的知识基础,慕尼黑大学理论物理大师、实验物理大师、晶体学大师云集和浓厚的学术氛围,为劳厄的发现提供了客观条件。

(四)劳厄发现x射线衍射的过程

劳厄发现x射线衍射的过程在多处文献中有过描述[1-6]。如前所述,劳厄在慕尼黑大学处在一个关注x射线本质研究的氛围里。但是,用晶体衍射x射线思想的形成得益于与厄瓦尔德(P.P.Ewald)的一次学术讨论的启发。厄瓦尔德当时在索莫菲的指导下攻读博士学位论文“各向同性的谐振子在各向异性介质中的光学性质”。厄瓦尔德在提交论文前就论文中关于晶体光学理论问题请教在光学方面有很高声誉的劳厄。由于劳厄当时正为《数理百科全书》物理卷撰写“波动光学”条目,并为此研究了晶格理论,把一维条纹光栅理论推广到二维格子光栅。讨论过程中,劳厄关注到谐振子的周期性位置和远小于可见光波波长的间距,立即想到x射线在晶体中衍射的可能性,并设计了将晶体视为三维光栅让x射线照射的衍射实验。

劳厄的新想法起初并没有得到索莫菲和维恩(W.Wien)等著名物理学家的支持,因为后者认为晶体中原子的热骚动可能会破坏任何衍射现象。但是,劳厄得到了索莫菲的助手弗里德里希和伦琴的博士生尼平(P.Knipping)的支持和参与。三个年轻人在劳厄基于晶格衍射理论产生的天才想法指导下,结合弗里德里希和尼平高超的x射线实验技术,成功观测到x射线透过硫酸铜晶体的衍射现象。随后劳厄把二维光栅衍射理论推广到三维光栅,得到描述晶体衍射的劳厄方程。弗里德里希和尼平也为后来x射线衍射技术的发展做出了杰出贡献。

二、对科学研究和创新教育的启示

(一)科学研究方面

劳厄对“x射线波动性”和“晶体空间点阵”两个似乎互不相干理论(学说)的熟悉和关注,在灵感思维指导下“一箭双雕”的独特实验设计,解决了两个领域悬而未决的两大科学难题,并导致了两个领域科学技术的划时代进展。就科学研究本身来说,无论是发现的过程,还是产生的深远影响,劳厄的发现都可谓是创新的典范。

劳厄的成功对科学研究方面的启示已有较多论述[4-6]。劳厄发现x射线衍射的独特创意,既非源于长期的实验研究,也不是偶然的观察,而是来自与厄瓦尔德讨论问题时触发的灵感思维[3]。灵感思维,作为创新思维的特殊形式,是指长期地专注、聚精会神于某一疑难问题的过程中豁然开朗,使问题得到解决的一种思维活动过程。其产生需要有厚实的相关知识积累和对问题的长期关注。对于劳厄而言,大学时代福格特、卢梅尔、普朗克等大师的课程、对光的波动理论的长期研究及随后的助教工作经历,为其奠定了完整的理论物理基础;在慕尼黑大学对空间点阵学说的耳闻目染,使其坚信该理论的正确;伦琴、索莫菲等大师对x射线本质的关注和激励,使他一直关注并清楚阐明x射线波动性本质的关键在于实现x射线的干涉和衍射;《数理百科全书》中“波动光学”条目的编纂使其对空间点阵和波动过程有着一种“特别的感受”。这些基础和积累,使他对两个互不相干的理论(假说)都有明确而具体的概念,为其灵感的触发奠定了基础。正如劳厄所说:“在此之前,我就注意到了产生x射线干涉的问题……在我忽然找到取得成功的捷径以前,我并没有过多地接触这方面的工作,因此谈不上有更多的预备工作”[2],“正是空间点阵理论触发了研究透射束附近区域的思想”[3]。

(二)创新教育方面

就科研的主体——科学家本人来说,劳厄到慕尼黑大学工作时年仅29岁,33岁发现x射线衍射,35岁获诺贝尔奖,并在以后的研究中取得了卓越成就和荣誉[3]。思考其成长经历,特别是大学阶段的教育和x射线衍射发现过程,对我国高校当前推进的创新教育同样富有启迪。

创新教育是以构建合理的知识结构为基础、以创新思维培养为核心、以培养创新能力和塑造创新人格为目标的教育。在合理知识结构的构建方面,劳厄辗转求学于4所大学,在自传中特别提到福格特、赫伯特等这些促使他走上理论物理研究具有决定性影响的教授和课程。他们的课程使他惊叹并折服于数理方法所揭示的关于自然的丰富信息,当课程中阐述的“理论的光芒意外照亮先前模糊不清的事实”时,他便充满对真理最深的敬畏[3]。同时,他们理论联系实际的教学使劳厄即便对纯数学的学习也兴趣盎然,使他感到努力不是“在空气中游泳”或“向不存在的目标施力”。“麦克斯威电磁理论”课程起初令其抓狂、最终却带来最大愉悦,使其对光学有了“崭新”的认识,为光学成为电动力学的一部分而倍加热爱光学[3]。柏林大学普朗克的“理论光学”、卢梅尔(O.Lummer)的“光学专题”等课程无疑都对劳厄日后的研究和发现产生了重要影响。劳厄还特别提到哲学课程和博士学位仪式上的庄严宣誓对其生命的影响,哲学彻底转变了其对物理学和生命意义的看法,庄严的宣誓使其终生持守“捍卫真理,从事科研不为利益和虚荣,只为真理的照耀和扩增”的信念。这些大学课程无疑都在劳厄的成长过程中留下了深刻痕迹,不仅丰富了其知识,更重要的是这些课程对其日后的成长产生了持久、深刻的影响。这些大师究竟采取了何种授课方式,我们不得而知,但从劳厄的“惊叹”“敬畏”“豁然开朗”“彻底改变”等一系列深刻感受中,可以感知其对学习过程的享受和课程或教师对其产生的巨大影响。正是这些深刻的主体感受,使他获得的知识不再是“储存在器皿里的应付考试的客观知识”,而是“构成”在里面成为可随时支取的“活的知识”。也正是这些活的知识和对具体问题的专注,使他在适当时机产生灵感思维和对问题的深刻洞察力。因此,创新型人才合理知识结构的构建,除了在宏观上围绕特定专业培养目标制定合理课程体系外,知识获取的过程(从何处获取和如何获取)对知识的使用效能、创新思维和创新人格的形成更为重要。注重课程教学和学习过程,探究能够对学生产生深刻、持久影响的教学和学习新模式,是劳厄学习经历对当前创新教育的重要启示之一。

劳厄的伟大发现对创新教育的另一启示是要注重质疑精神和团队精神的培育。x射线衍射发现过程是在高水平研究氛围中“灵感思维“的显现,也是质疑精神和团队合作的完美体现。劳厄最早提出的用晶体衍射x射线的新想法并没有得到索莫菲和维恩等著名物理学家的支持,甚至x射线的发现者伦琴对他的想法也持怀疑态度。要知道他们分别是研究x射线本质和热辐射的权威专家!维恩还因为发现辐射定律刚刚获得前一年度(1911年)的诺贝尔物理奖。他们认为晶体中原子的热骚动可能会破坏任何衍射现象。但是,劳厄得到了弗里德里希和尼平两个年轻人的支持和参与。他们并没有囿于大师的成见和理论的预测,三个年轻人独立完成了这一伟大发现,并以实验证实晶体中原子的热骚动并不像理论预测的那么强烈。另一值得注意的方面是,劳厄最初想法的形成来源于与厄瓦尔德的讨论,想法的验证实验的进行得益于年轻人之间的讨论、交流才形成共识,验证实验的成功更是得益于弗里德里希和尼平的合作。两人都是实验物理学大师伦琴的学生,对相关的实验环节和设备非常熟悉。最终,先进想法(理论)和高超实验技术的完美结合,避免了很多弯路。21世纪现代科学技术更是复杂,任何创新的成功,团队合作显得尤为重要。

实在说来,劳厄成功的启示,对我们并不陌生,有些甚至正在得到大力提倡。然而遗憾的是这些理念并没有得到更多的贯彻。这些理念在创新教育中的成功实施涉及“教”与“学”两个方面。近年来虽然在两方面都有一些局部的探索,并产生了积极的影响。如教学方面,大师亲自授课、不仅实现知识的传输,更重要的是对学生未来职业趋向有引领作用,受到学生的普遍欢迎;基于情景的合作式学习、探究式学习等注重过程和知识构建的深层次学习模式也有探索。但相比我国宏大的教育规模,这些探索仍显单薄。

教育本身是科学,也是艺术,除应继续在宏观上探索教学、学习理论以及相应的方案调整外,在微观层次上(具体课程、教与学的各环节)加强探索“注重知识构建过程”的途径并大力推行,显得更为迫切。由于我国高校教师科研和教学职能的长期分离,科研上成功的教师往往随科研成绩的提高逐渐脱离教学一线,使得担任教学任务的主力大都是相对年轻的教师。尽管,年轻教师都具有较高的学历,但拥有知识本身,甚至有丰富的自然科学成果,并不一定自然是一个卓越的教师。积极探索将科研能力转化为教学能力和艺术的途径,造就更多的科研和教学并重、能使学生能够进入“角色”的大师,使学生在不同的课程中,能够找到生命的意义,能够在构建知识过程中惊叹科学大师的创新思维和精妙实验方法,能够主体享受“模糊不清事实被真理照亮时豁然开朗”的愉悦,能够在学习过程中认识自己的价值并学会合作,能够对其日后成长产生深刻、持久的影响。诚如是,则我国人才培养质量的提高指日可待。

[1]Waston.E.C.T he discovery of X-rays[J].Am.J.Phys,1945,13(5):281-291.

[2]Von Laue M.Concerning the detection of X-ray interferences[R].Nobel Lecture Address,1915.11.12,http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Max_von_Laue.

[3]von Laue M.My Development as a Physicist.In:Ewald P.P.Editor,50 Years of X-Ray Diffraction[M],Utrecht:Published for the International Union of Cry stallog raphy by A.Oosthoek's Uitgeversmij.1962:278-307.

[4]郭可信.x射线衍射的发现[J].物理,2003,32(7):427-433.

[5]麦振洪.晶体x射线衍射的发现及其深远影响[J].现代物理知识,2003,15(5):53-55.

[6]苑红霞,刘战存.劳厄对晶体衍射的发现[J].大学物理,2004,23(5):47-50.