歪打正著”獲得的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

陳敬全

倫琴“偶然發(fā)現(xiàn)” X 射線

19世紀(jì)下半葉，一些物理學(xué)家研究氣體的放電過程。德國物理學(xué)家倫琴自1895年起，在實(shí)驗(yàn)室里研究陰極射線管中的氣體放電過程。在他之前，已有人做過這方面的實(shí)驗(yàn)研究，德國的勒納德發(fā)現(xiàn)陰極射線有很強(qiáng)的穿透能力，他認(rèn)為這是一種電磁波；英國的克魯克斯也研究過陰極射線，認(rèn)為是這一種粒子流。

倫琴認(rèn)為，他們的研究中有些問題還有待解決。他重復(fù)了這些人的實(shí)驗(yàn)。為防止陰極射線管內(nèi)的光線漏出，他用硬紙板和錫箔把管子包起來。1895年11月8日晚，倫琴發(fā)現(xiàn)了一個意外的現(xiàn)象：在接上高壓電流時，在1米以外的一個涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏上發(fā)出微弱的閃光，而切斷電源，熒光就消失。這一發(fā)現(xiàn)使他十分驚奇。他全神貫注地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，把熒光屏一步步移開，發(fā)現(xiàn)即使在2米左右，屏上仍有熒光出現(xiàn)。倫琴確信，這一新奇的現(xiàn)象已無法用陰極射線的性質(zhì)加以解釋，因?yàn)殛帢O射線只能在空氣中行進(jìn)幾厘米，不能使從1米到2米遠(yuǎn)的熒光屏閃光。

倫琴對這一新發(fā)現(xiàn)緊追不放。他設(shè)想，當(dāng)陰極射線撞擊玻璃壁時，可能會形成一種未知的射線，透過玻璃射在熒光屏上，激發(fā)出熒光。他竭盡全力要得出“完整無瑕的結(jié)果”。為此，他一連在實(shí)驗(yàn)室里忘我地工作了6周。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)，金屬片放在陰極射線管與熒光屏之間，在屏上有金屬片投射的陰影，說明這種未知的射線不能穿過金屬片；拿走金屬片，放上不透光的木片和紙片等，在屏上幾乎沒有陰影，表明射線能穿過這類物質(zhì)。倫琴確認(rèn)這是一種新的射線，因其性質(zhì)不明，暫名為“X射線”。

12月22日，倫琴做了一個十分有趣的實(shí)驗(yàn)，他請夫人到實(shí)驗(yàn)室來，請她把手放在用黑紙包嚴(yán)的照相底片上，然后用X射線照相。由于射線對肌肉和骨骼的穿透不一樣，在顯影后，看到了倫琴夫人的手骨像，手指上的結(jié)婚戒指也十分清晰。這是一張有歷史意義的極其珍貴的照片。

12月28日，倫琴向《維爾茨堡物理醫(yī)學(xué)學(xué)會會刊》提交論文“論一種新的射線”，把他的新發(fā)現(xiàn)公之于眾。1896年1月5日，維也納《新聞報(bào)》率先做了報(bào)道，引起了人們的驚奇，世界各地許多實(shí)驗(yàn)室都開動了儀器，重復(fù)倫琴的實(shí)驗(yàn)，并向民眾做示范。這一年，全世界發(fā)表了近百篇關(guān)于X射線研究的論文和報(bào)告，一門新的學(xué)科——X射線學(xué)——應(yīng)運(yùn)而生，這展示了科學(xué)研究新的未知領(lǐng)域，把人們的注意力引向更廣闊的天地，拉開了現(xiàn)代科學(xué)革命的序幕。

倫琴說，他是“偶然發(fā)現(xiàn)射線穿過黑紙的”。誠然，倫琴做出重大發(fā)現(xiàn)多少帶有偶然性，但在偶然中卻有必然性。是倫琴而不是其他人做出了這一發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)樗哂袖J利的探索目光、追究意外現(xiàn)象鍥而不舍的精神、周密細(xì)致的觀察能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。倫琴所具備的科學(xué)素養(yǎng)，也是他成功的重要原因。早年他在吉森大學(xué)工作期間，深入研究了電磁學(xué)和光學(xué)，根據(jù)電動力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動電荷的磁場。他受過成為一名工程師的嚴(yán)格訓(xùn)練，養(yǎng)成了自己動手制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的習(xí)慣，并善于利用儀器進(jìn)行觀察、獲得高精度的結(jié)果。他具備了必需的數(shù)學(xué)手段和以直觀形式提出物理思想和理論的能力。

倫琴

倫琴夫人的手骨X光相片

倫琴在實(shí)驗(yàn)室里

倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線榮獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎，這是第一屆諾貝爾物理學(xué)獎！柏林科學(xué)院在給倫琴的賀信中指出：“科學(xué)史告訴我們，在每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中，功勞和幸運(yùn)獨(dú)特地結(jié)合在一起。在這種情況下，許多外行人也許認(rèn)為幸運(yùn)是主要的因素。但是，了解您的創(chuàng)造個性特點(diǎn)的人將會懂得，正是您，一位擺脫了一切成見的、把完善的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)與最高的科學(xué)誠意和注意力結(jié)合起來的研究者，應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶龀鲞@一偉大發(fā)現(xiàn)的幸福?！?/p>

戴維森從 “意外的” 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)電子波的存在

20世紀(jì)初，美國西方電氣公司買了一種新式真空三極管的專利，以改進(jìn)長途電話通信。這種三極管的電子發(fā)射源是用涂敷氧化物的鉑絲做的。不久，美國通用電氣公司發(fā)明了用鎢絲作為陰極的真空三極管，并申請真空三極管的專利。通用電氣公司提出訴訟，聲稱自己的三極管是真正的高真空管，而西方電氣公司的三極管真空度不高，里面有殘余空氣，依靠空氣中的陽離子轟擊涂敷氧化物的燈絲才能引起陰極發(fā)射電子。

這場官司延續(xù)了好幾年。西方電氣公司一邊打官司，一邊做實(shí)驗(yàn)探究三極管的電子發(fā)射機(jī)理。公司實(shí)驗(yàn)室（后來的貝爾實(shí)驗(yàn)室）的戴維森和助手革末測試了陽離子轟擊涂敷氧化物發(fā)射出的電子量，證明了鉑絲發(fā)射電子與陽離子的轟擊根本無關(guān)。美國最高法院最終判西方電氣公司勝訴，擁有真空三極管的專利權(quán)。

之后，戴維森和革末繼續(xù)研究電子管里的電子輻射問題。1925年的一天，他們用電子束轟擊放在真空系統(tǒng)里的鎳靶，突然一個盛放液態(tài)空氣的容器因放置不當(dāng)?shù)沟卣?，液態(tài)空氣蒸發(fā)，鉆進(jìn)了真空系統(tǒng)，那塊鎳靶立即被氧化。

他倆長時間地進(jìn)行熱處理以凈化鎳靶表面，待表面的氧化膜去除后，再裝回真空管中。重新啟動實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)了奇異的現(xiàn)象：投射到鎳靶上的電子束強(qiáng)度會隨著鎳靶的取向而變化。在某些取向上，強(qiáng)度達(dá)到最大值。這種現(xiàn)象很像一束波繞過障礙物時發(fā)生了“衍射”。

戴維森深感困惑，因?yàn)樵缭?897年，英國物理學(xué)家湯姆孫（J. J.Thomson）已經(jīng)證實(shí)：電子是一種帶負(fù)電的微粒，現(xiàn)在怎么又變成了“波”呢？

1926年夏天，戴維森到英國劍橋參加學(xué)術(shù)活動時，結(jié)識了一些物理學(xué)家，其中有德國著名的物理學(xué)家玻恩。戴維森對玻恩提起了自己的實(shí)驗(yàn)，玻恩向他介紹了新的“物質(zhì)波”理論，這是法國物理學(xué)家德布羅意在1924年提出的：包括電子在內(nèi)的一切微觀粒子既有波動性又有粒子性，概括為“波粒二象性”。另外，德布羅意還給出了粒子的波動性和粒子性的關(guān)系式。玻恩認(rèn)為，戴維森得到的“意外”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很可能是由于鎳的晶格引起電子的衍射而引起的，這或許是確認(rèn)物質(zhì)波存在的一個證據(jù)。

戴維森深受啟發(fā)，他想起那回?zé)崽幚肀谎趸逆嚢斜砻娴倪^程，始料未及的，熱處理竟會使鎳發(fā)生了變化：它原先由無數(shù)小晶體構(gòu)成，處理后成了大塊的單晶體，使電子發(fā)生了衍射。戴維森回國之后，開始以更仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)電子波的存在。

戴維森與革末在實(shí)驗(yàn)中，把一個長12.70厘米、高5.08厘米的裝置密封在玻璃泡里，其真空度為1.33×10-6帕斯卡。電子收集器是個雙層的用石英絕緣的法拉第圓筒，兩層加反向電壓，收集器可以在一個固定平面中圍繞電子束的入射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，散射角在20o~90o的范圍內(nèi)，用一只靈敏電流計(jì)來測量不同方向上被反射的電子電流強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)時使電子槍的熱鎢帶發(fā)射電子，用電場把電子加速到所需要的速度，再通過準(zhǔn)直孔徑形成窄細(xì)的電子束，投射到一個經(jīng)過研磨和腐蝕制備的單晶鎳的表面上，晶體可以繞與入射電子束一致的軸旋轉(zhuǎn)。

他們在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)真觀測了散射電子束的強(qiáng)度與散射角之間的關(guān)系。1927年1月他們利用散射電子束的強(qiáng)度最大值與散射角之間的定量關(guān)系，計(jì)算出了電子的德布羅意波長，與用德布羅意關(guān)系算出的結(jié)果一致。

幾乎與此同時，英國湯姆孫的兒子小湯姆孫（G. P. Thomson）在不知道戴維森實(shí)驗(yàn)的情況下，也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，他用一束窄陰極射線，使快速電子穿過金屬薄膜，在金屬膜后面的照相底片上留下了環(huán)狀的衍射圖樣。他的實(shí)驗(yàn)與戴維森的實(shí)驗(yàn)，異曲同工，殊途同歸，都證明了電子波的存在，確認(rèn)了電子的“波粒二象性”。

1937年，戴維森和小湯姆孫因發(fā)現(xiàn)電子的在晶體中的衍射現(xiàn)象而共獲諾貝爾物理學(xué)獎。

休伊什和貝爾 “出人意料” 探測到脈沖星

英國劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室射電天文小組的休伊什自20世紀(jì)50年代起，利用星光閃爍現(xiàn)象來研究地球大氣結(jié)構(gòu)，測出電離層的一系列數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了上電離層風(fēng)的存在，風(fēng)速為每秒100米至300米。在60年代，他進(jìn)一步研究太陽風(fēng)。太陽風(fēng)是由太陽噴發(fā)的高速帶電粒子流，當(dāng)它強(qiáng)勁地吹過行星際空間，同樣會使射電源的信號出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

戴維森

G.P.湯姆孫

電子在晶體表面的衍射

休伊什研制了一種新式閃爍射電望遠(yuǎn)鏡，以進(jìn)一步觀測太陽風(fēng)。1963年美國帕洛瑪天文臺的馬丁 ? 施密特發(fā)現(xiàn)類星體，休伊什期望自己的這臺望遠(yuǎn)鏡也能發(fā)現(xiàn)新的類星體和射電星系。他用2 048個全波偶極天線擺成一個長方形矩陣，接收面積為1.8萬平方米，矩陣具有高靈敏度和高時間分辨率，在大于0.1秒時間內(nèi)信號強(qiáng)度如發(fā)生變化，都能準(zhǔn)確地記錄下來。他使用了4臺接收機(jī)，同時接受來自4個不同天區(qū)的信號。

1967年7月，休伊什的這架射電望遠(yuǎn)鏡投入巡天觀測。望遠(yuǎn)鏡對整個天空掃視一遍需4天時間，由于與射電望遠(yuǎn)鏡天線配套的計(jì)算機(jī)還未安裝，收到的信號記錄在紙帶上，每天輸出的記錄紙帶長達(dá)30米。對海量的信號進(jìn)行處理，是一件非常枯燥的工作，工作量十分浩大，休伊什把這項(xiàng)任務(wù)交給24歲的女研究生喬瑟林 ? 貝爾。

貝爾每隔4天就必須整理近122米長的記錄紙帶，她要一點(diǎn)一點(diǎn)地審視記錄紙帶，既要從紙帶上分離出地球上人類發(fā)出的各種無線電信號，又要把真正由射電體發(fā)出的射電信號標(biāo)示出來。

休伊什

貝爾

脈沖星

這一年10月份的一天，貝爾從紙帶上發(fā)現(xiàn)了一個波長約1.27厘米的特殊信號，以前的紙帶上是否也有這樣的信號呢？貝爾仔細(xì)地審查一下以往的記錄，發(fā)現(xiàn)最早在8月6日出現(xiàn)過這種奇怪的信號，到9月底為止，已記錄到6次之多。她把這一情況報(bào)告給休伊什，休伊什指示她改用新安裝的時間分辨率很高的快速記錄儀記錄下信號。到11月底，貝爾發(fā)現(xiàn)這是一種短暫的脈沖，其周期為1.33728秒，而且很有規(guī)律，出現(xiàn)的間隔是23小時56分，這正好是恒星周日視運(yùn)動的時間間隔。

這個發(fā)現(xiàn)出人意料，為慎重起見，休伊什寫信給全英國的天文研究小組，詢問他們是否有類似的發(fā)現(xiàn)，回答是否定的。休伊什起初認(rèn)為，這種脈沖是人為的，沒有什么自然物體可以保持其周期振動如此快速且又準(zhǔn)確，是不是在遙遠(yuǎn)星球上的“外星人”以某種方式在尋呼呢？小組的成員很振奮、并為“外星人”起了一個很好聽的名字——“小綠人”。

貝爾對“小綠人”的說法不以為然。她認(rèn)為，這種射電天體有固定的位置，天線接收的方向和速度也都不變，不像是“小綠人”所為。如果是“小綠人”所為，那么它們居住的行星的運(yùn)行會影響信號的速度，進(jìn)而產(chǎn)生所謂的“多普勒頻移”，但幾個月的觀測并未發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)。貝爾接著又發(fā)現(xiàn)3個輻射脈沖的天體，“小綠人”不可能在4個相距如此遙遠(yuǎn)的天體上同時使用同頻段發(fā)射射電信號。

1968年2月，休伊什和貝爾等5人署名在《自然》雜志上發(fā)表了題為“對一個快速脈動射電源的觀測”的報(bào)道，文中對發(fā)出輻射脈沖的天體作了嘗試性解釋，認(rèn)為它可能是物理學(xué)家預(yù)言的超級致密的脈沖星（中子星）。他們的設(shè)想很快得到了證實(shí)，做出了天文學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，這個發(fā)現(xiàn)與類星體、星際分子、微波背景輻射被稱為2 0世紀(jì)6 0 年代天體物理學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)。這四大發(fā)現(xiàn)為天文學(xué)研究開辟了新的研究方向，而且對現(xiàn)代天體物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

1974年，休伊什獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這是天文學(xué)家第一次獲得該獎項(xiàng)。不少著名的科學(xué)家為喬瑟林 ? 貝爾沒能同時得獎深表遺憾，然而他們充分肯定了貝爾在發(fā)現(xiàn)脈沖星的過程中發(fā)揮的至關(guān)重要的作用。

機(jī)遇偏愛有準(zhǔn)備的頭腦

在科學(xué)探究過程中由于意外的事件導(dǎo)致科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)，稱為機(jī)遇。其最大的特點(diǎn)是意外性，這種意外性十分有意義：意外的偶然的發(fā)現(xiàn)會使研究遇到的難題迎刃而解；意外地發(fā)現(xiàn)的另一事物，或許會比原先要研究的事物更有價(jià)值，從而開辟了新的研究方向和目標(biāo)。

在科學(xué)史上，當(dāng)某些重大發(fā)現(xiàn)公布之后，常有一些科學(xué)家后悔莫及——他們也曾遇到過類似的現(xiàn)象，可惜未予注意，與重大的發(fā)現(xiàn)失之交臂。在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前，克魯克斯和勒納德都發(fā)現(xiàn)在陰極射線管附近的密封照片被感光的現(xiàn)象，卻沒有重視。與此相反，倫琴抓住了偶然現(xiàn)象并追蹤不放，從而發(fā)現(xiàn)了未知射線。

如何才能抓住機(jī)遇獲得成功呢？法國微生物學(xué)家巴斯德說得好：“在觀察的領(lǐng)域里，機(jī)遇只偏愛那些有準(zhǔn)備的頭腦?！边@里，“有準(zhǔn)備”的含義主要是：一要有哲學(xué)素養(yǎng)方面的準(zhǔn)備，深刻理解偶然性與必然性之間的辯證關(guān)系，認(rèn)識到偶然性背后可能隱藏著某種必然性，抓住偶然性去揭示其事物內(nèi)在的必然性或規(guī)律性、有可能做出科學(xué)發(fā)現(xiàn)。二是有及時發(fā)現(xiàn)問題的認(rèn)識能力上的準(zhǔn)備，要具有廣博的知識背景、開放的思路、活躍的思想、敏銳而深刻的洞察力和分析批判能力。