借助“他山之石”获得的重大科学成就

陈敬全

牛顿

经典著作《自然哲学的数学原理》

牛顿“站在巨人的肩膀上”发现万有引力定律

相传，1665年，牛顿为躲开瘟疫，离开剑桥避居乡间。一天，他坐在苹果树下，一只熟透了的苹果从树上掉落下来，引起了他的注意。牛顿从苹果落地想到了“月亮为什么不落地？”他猜想，使苹果落地的重力，在最高的山峰之巅仍可观察到，这会不会延伸到月球并影响到这个天体，并使之维持在轨道上。

牛顿以伽利略对平抛运动的研究为基础提出，月球和其他行星的轨道运动与抛射体的运动相似，或者是后者的一种极限情形。就像一块被抛射出去的石头由于其自身重量而偏离直线，在空中划出一条曲线，石块沿这条弯曲路径运动最后落到地面。抛射的初速度越大，石块落地之前行经的路程就越远，如初速度足够大，石块就绕地球运转了。

牛顿根据惠更斯的圆周运动公式和开普勒的行星运动第三定律，推出月亮的向心加速度与它离地心距离的平方成反比，这也适用在地球吸引作用之下的苹果的加速度。他由此估计，苹果到地心的距离是月球到地心距离的1/60，于是月球所受的引力大概也是苹果所受引力的1/602。由月球的运行速度和月地距离可以求得月球的向心加速度，对这一加速度与苹果所表现出来的重力加速度进行检验（月地检验），如果后者确为602倍，那么原先的猜想成立。

牛顿在当时没能完成月地检验。他缺乏地球半径的精确资料，根据粗略估计得到的地球半径值，算得的苹果加速度比实测值小20%左右。另一个原因是他尚未证明，对有一定质量的球的引力作用可看作质量集中于该球球心的作用，这是检验的先决条件。另外牛顿所用的是圆轨道，而在开普勒定律中用的是椭圆轨道，这一替换是不合适的。

1677年，牛顿又回到了引力问题的研究上，专门探讨了平方反比定律。1680年，他证明了，在平方反比定律的力的作用下，质点的轨道是一个以吸引体为一个焦点的椭圆，反过来，质点围绕处在一个焦点的力的中心做椭圆轨道运动，必然遵循力的平方反比定律。1685年，牛顿应用自己建立的流数术（微积分）证明了，在考虑地球在吸引一个外部物体时可以把物体的全部质量都集中在其质心上。他又用最新测量地球所得到的数值，算得月球离开直线路径向地球坠落的速度为每秒0.004 4英尺（1英尺约合30.5厘米），而在地面上的物体的坠落的速度为每秒3 600 × 0.004 4英尺，即每秒约16英尺，这与观察事实相符合，月-地检验最终完成，平方反比定律得到了圆满的证明。

牛顿认为有充分的理由把太阳系中的各个天体都看成质点，天体间引力的结果可以推广到宇宙间的一切物体上去，这一普遍存在的力就是万有引力。1687年，牛顿把他的研究成果写成《自然哲学的数学原理》一书出版。牛顿把天体的运动和地面上物体的运动规律统一了起来。引力既然存在于宇宙间一切物质之间，那古希腊学者亚里士多德把运动分为“月上”“月下”就是一种人为的划分。牛顿排除了千百年来人们在认识自然现象方面的先入之见，实现了科学史上第一次大综合。

苹果落地或重物落地的自然现象许多人司空见惯，为什么只有牛顿发现万有引力定律呢？牛顿敢于想一般人未曾经想过的“月亮为什么不落地？”的问题，迈出了关键的一步。为解决这一问题，他接过了伽利略、开普勒、惠更斯等前人的研究成果，他自己说“站在巨人的肩膀上看得更远”。他具有锲而不舍的执着精神，对引力问题做了长期的艰深思考，敢于突破权威人士长期设置的认识方面的禁区，经过严密谨慎的推理和应用先进的科学方法，最终做出了划时代的贡献。

查德威克

卢瑟福

约里奥•居里夫妇

查德威克深入探究被人忽略的实验发现中子

1935年，英国物理学家查德威克因发现新的基本粒子——中子——获得了诺贝尔物理学奖。消息传到法国，著名物理学家居里夫人的女婿约里奥•居里悔恨得用拳头连连砸自己的脑袋，连声说：“我这么笨，我这么笨！”

约里奥•居里为什么如此怨恨自己？话要从几年前说起。1928年，德国物理学家玻特用钋发射的α粒子轰击铍，发现铍发射出穿透能力极强的中性射线，他没能解释这种射线是什么。约里奥•居里夫妇重复了玻特的实验，发现这一中性射线能量极高，打到石蜡板上，甚至可以打出质子来，表明其能量高达5千万电子伏。约里奥•居里夫妇和其他人认为这中性射线是γ射线。十分遗憾的是，他们没能做进一步更深入的考虑，其实γ射线是不可能达到这么高的能量的。另外这一射线的能量是会变化的，而的γ射线的能量是不会变的。

1932年1月，约里奥•居里夫妇通报了他们的实验。在卡文迪许实验室工作的查德威克得知铍辐射具有惊人的特性后，马上开始了实验。他测得石蜡放出的质子具有5.7×109电子伏的能量。根据碰撞的能量和动量关系，γ射线由光子组成，不具有静质量，不可能使碰出的质子具有如此高的能量。他相信铍辐射的不是γ射线，而是质量与质子质量相当的粒子。他利用云室粗略地求得这种粒子质量，之后又根据质谱仪器测得的数据精确地算出它的质量，与质子质量几乎相等，他把这种粒子称为中子，并对中子的性质进行了详尽的分析。

查德威克写了题为《中子可能存在》的信给英国《自然》杂志，信中说“如果我们假设这种放射性物质是由质量为1，电荷为0的粒子，即由中子组成，那么一切问题就可以迎刃而解了”。稍后他又在《英国皇家学会通报》上发表了题为《中子的存在》一文，详细报告了自己实验结果和理论分析。他的发现很快就得到了学术界的公认。

查德威克能发现中子并非偶然。他有充分的思想准备。他的导师、著名的物理学家卢瑟福早在1920年的一次会议上就预测在核里很有可能存在一个中性的粒子。他依据氮蜕变成氢的实验事实，判定质子（氢核）是氮核、也是各种元素的核的组成部分之后，认识到元素的质量数与电荷数之间存在矛盾，势必要假设在原子核内有电子，而电子只有与质子结合，才有可能在原子核中长期呆下去。

查德威克为寻找中子付出了艰苦的努力。自1923年起，他在卢瑟福的指导下，尝试从大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射、一些稀有气体和任何一种到手的稀有元素，以发现形成中子和发射中子的信号，还设想在强电场中用快速质子打入原子序数大的原子，以检验中子的存在，受实验条件的限制，其设想未能实现。约里奥•居里夫妇的实验，恰好为他提供了契机，他从中得到了启示，十分幸运地找到了突破口。

约里奥•居里在反省错过发现中子的难逢机会时这样说：“中子这个词早就由卢瑟福这位天才在1920年的一次会议上用来指一个假设的中性粒子，这个粒子和质子一起组成了原子核。大多数物理学家包括我自己在内，没有注意到这个假说，但是它一直存在于查德威克工作的卡文迪许实验室的氛围里，因此最终在那里发现了中子。”约里奥•居里夫妇并没有因此一蹶不振，他们因实现稳定的人工放射性获得了1935年诺贝尔化学奖。

劳伦斯借鉴新的设计思想研制回旋加速器

1919年，卢瑟福用天然放射源放射出的粒子去轰击氮核，得到了质量数为17的氧核，第一次实现了人工核反应。1928年，美籍俄裔物理学家伽莫夫提出以质子来实现人工核反应。质子的获得要比天然产生的粒子容易，但由氢原子电离得到的质子的能量较小，必须通过电场或磁场进行加速，使质子得到足够大的能量。人们开始了设计“粒子加速器”的尝试。

英国物理学家麦克罗夫特在1929年制成了第一台实用的加速器。在加速管内设有金属圈，金属圈同高压发生器的不同负压相连接，使质子从上到下速度不断增大。这台静电加速器能产生80万伏的脉冲高压，质子具有较高的能量，可以触发核反应。1932年，他们利用加速后的质子使锂-7原子核发生了分裂，实现了人工轰击粒子引起的核反应。

静电加速器工作的时候主要靠高电压，可是电压越高，对绝缘的要求也就越高，要进一步提高质子的速度很困难。

美国物理学家劳伦斯提出了新的设计思想来解决这一难题。1929年初的一天晚上，他到大学图书馆翻阅当月的期刊，在德文《电气工程学》杂志上看到了维德罗写的一篇关于多次加速正离子的文章。从文中的示意图和照片来判断，作者解决问题的方法，是把高频振荡电压加到一连串的圆筒形电极上来加速正离子。劳伦斯立刻意识到，这正是自己长期寻找的加速正离子的技术问题的答案！

劳伦斯

维德罗多次加速离子的直线加速器示意图

劳伦斯回旋加速器示意图

劳伦斯设计出了新型的加速器——回旋加速器。加速器采用了适当的磁场装置，用了两个电极，它的工作原理并不复杂：两个金属D形盒置于真空室中，两盒之间施以高频电压，离子源处于两D形盒的中心，均匀磁场垂直加于盒的平面。由于盒内无电场，离子在盒内空间受洛伦兹力作匀速圆周运动，只有在两盒间的空隙才受电场作用。如果电场方向的改变恰好与离子运动的周期合拍，就有可能在每次通过间隙时加速。随着速度的增加，离子作圆周运动的半径也将逐步增大，最后从窗口逸出。

1930年春，他和他的学生制作了结构简单的微型回旋加速器，用不到l千伏的电压，使质子加速到8万电子伏，这表明回旋加速器是可以工作的。1932年，劳伦斯又制成了22.86厘米（磁极直径）和27.94厘米的同类仪器，可把质子加速到1.25兆电子伏。他用27.94厘米的回旋加速器很轻易地实现锂-7原子核的分裂，显示出了回旋加速器具有的优越性和广阔的应用前景。

劳伦斯并不满足于加速器对轻核实现人工转变，决心要实现重核转变。1936年，他制成了91.44厘米的加速器，粒子能量达到6兆电子伏，并且产生出第一个人造元素——锝。回旋加速器在应用方面取得了重要进展。利用它陆续发现了多种放射性同位素，并可以大量生产。每天生产的放射性钠的辐射强度相当于200毫克镭，医生、生物化学家、农业专家和工程师们将此应用到各自的研究领域之中。

劳伦斯由于发明了回旋加速器并在人工核反应方面取得卓越成就，荣获1939年诺贝尔物理学奖。有人认为，劳伦斯似有神助——他是在无意之中看到了示意图和照片，萌生了新的加速器的设计思想的。事实上，劳伦斯有充分的知识储备。他在明尼苏达大学当研究生时，深人学习电磁理论，研究了电离现象，测量金属蒸气的电离电位。他之后到芝加哥大学，在著名物理学家康普顿的指导下进行X射线的实验研究，康普顿称赞他“有非凡的天赋，能想出高招，使一些看来解决不了的问题迎刃而解”。

劳伦斯为克服静电加速器的局限性进行了深入的思考，努力寻找产生高能量粒子的各种方法和途径。充分的知识储备和紧张的思考，使得劳伦斯有思想准备，维德罗解决问题的方法触发了他的灵感，他带领团队经过数年艰巨的努力使自己的设计思想得以实现。劳伦斯对给他工作启示的前人充满了感激之情，他得知维德罗的方法来自艾新教授，在诺贝尔奖授奖大会上他特意提到了“艾新教授在1924年就发表了这个重要的原理，数年后，我才知道了他的这项重要的贡献，我想借此对他的工作表示敬佩，他是多次加速方法真正的开创者”。

科学研究要善于从他人的工作得到启示

科学的发展具有很强的历史继承性，科学问题的提出，科学问题的解决，都必须对历史有全面的了解，了解前人已提出的问题，前人为解决问题所做的工作，解决问题的方法，他们解决了哪些问题，还有哪些问题没解决，从中得到启发，找到新的进步的起点，“百尺竿头，更进一步”，不断攀登新的高峰，取得新的成就。

要从他人的工作中得到启发，必须对所研究的问题有浓厚的兴趣，有充分的知识储备和深入的思考，“心有灵犀一点通”，从他人的工作中捕捉线索，触发灵感，取得突破。要善于进行广泛的学术交流，加强学术协作，及时从科学共同体中获取有价值的信息，得到有益的启示。要关注不同学科的交叉点和边缘处，在这些科学发展的新的处女地，不同的学科思想互相交流、发生碰撞，会不时撞击出智慧的火花，启迪人们获得新的发展方向和突破口。

许多有成就的科学家对于前人辛勤的劳动、开创性的工作和给出的启示表示深切的感激之情，表现了谦虚的美德和高尚的品质。他们具有宽广的胸怀，把自己的工作看成是对前人工作的继承，也甘愿为后来人提供自己的经验和教训。正如卢瑟福指出的：“科学家不是依赖于个人的思想，而是综合了几千人的智慧，所有的人想同一个问题，并且每个人做他那部分工作，添加到正在建立起来的伟大知识大厦之中。”他们乐意成为一块块砖石，为后人建成更雄伟的知识大厦奠基。