著名物理学家和近年诺贝尔物理奖获得者
 
牛顿 (1643-1727)


       古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没风尘,黯然失色。15世纪,文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上,自然科学获得新的生命,蓬勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的层层罗网,不断取得胜利。
    牛顿──伟大的科学家,经典物理学理论体系的建立者──正是在欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代诞生的。
   
            家世和生平
    1643年1月4日(儒略历1642年12月25日)牛顿诞生于英格兰林肯郡的小镇乌尔斯普的一个自耕农家庭。牛顿出生之前,父亲已去世。牛顿生而孱弱,过了3年,他的母亲再嫁给一位牧师,把孩子留在他祖母身边抚养。8年之后,牧师病故,牛顿的母亲带着后夫所生的一子二女又回到乌尔斯索普。牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境。牛顿少年时代喜欢摆弄机械小技巧。传说他做过一架磨坊的模型,动力是小老鼠;有一次他放风筝时,在绳子上悬挂着小灯,夜间村人看去惊疑是彗星出现。他喜欢绘画、雕刻,尤喜欢刻日晷,家里墙角、窗台上到处安放着他刻划的日晷,用以验看日影的移动,以知时刻。12岁进离家不远的格兰瑟中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民,能赡养家庭,但牛顿本人却无意于此而酷爱读书,以致经常忘了干活。随着年岁增大,牛顿越发爱好读书,喜欢沉思,做科学小试验。他在格兰瑟姆中学读书时,曾寄寓在一位药剂师家里,使他受到化学实验的熏陶。牛顿在中学时代学习成绩并不出众,只是爱好读书,对自然现象有好奇心,例如颜色、日影四季的移动,尤好几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类地记读书心得笔记,又喜欢别出心裁地做些小工具、小技巧、小发明、小试验。当时英国社会渗入基督教新教思想,牛顿家里有两位都以神父为职业的亲戚,这可能影响牛顿晚年的宗教生活。从这些平凡的环境和活动中,看不出幼年的牛顿是一个才能出众异于常人的儿童。然而格兰瑟姆中学的校长J.斯托克斯,还有牛顿的一位当神父的叔父W.艾斯库别具慧眼,鼓励牛顿上大学读书。牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。17世纪中叶,剑桥大学的教育制度还浸透着浓厚的中世纪经院哲学的气味。当牛顿进入剑桥大学时,那里还在传授一些经院式课程,如逻辑、古文、语法、古代史、神学等等。两年之后三一学院出现了新气象。H.卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座,规定讲授自然科学知识如地理、物理、天文和数学课程。讲座的第一任教授I.巴罗是一位博学的科学家。就是这位教师把牛顿引向自然科学。在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,学习了欧几里得的《几何原理》。他又读了开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的》,R.胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史和早期的《哲学学报》等。牛顿在巴罗的门下学习,是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大12岁,精于数学和光学,他对牛顿的才华极为赞赏,他认为牛顿的数学才能超过自己。1665~1666年伦敦大疫。剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校停课。牛顿于1665年 6月回到故乡乌尔斯索普。
     由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生极为浓厚的兴趣。就在1665~1666年这两年之内,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进前人没有涉及的领域,创建前所未有的惊人业绩。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月,创立正流数法(微分);次年 1月,研究颜色理论;5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿还开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运行轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是在此时发生的轶事。总之,在家乡居住的这两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。由此可见,牛顿一生的重大科学思想是在他青春年华、思想敏锐短短两年期间孕育、萌发和形成的。
    1667年牛顿重返剑桥大学,10月1日被选为三一学院的仲院侣,次年 3月16日选为正院侣。当时巴罗对牛顿的才能有充分认识。1669年10月27日巴罗便让年仅26岁的牛顿接替他担任卢卡斯讲座的教授。牛顿把他的光学讲稿(1670~1672)、算术和代数讲稿(1673~1683)《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)的第一部分(1684~1685),还有《宇宙体系》(1687)等手稿送到剑桥大学图书馆收藏。1672年起他被接纳为皇家学会会员,1703年被选为皇家学会主席直到逝世。其间牛顿和国内外科学家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von莱布尼兹和J.沃利斯等。牛顿在写作《原理》之后,厌倦大学教授生活,他得到在大学学生时代结识的一位贵族后裔C.蒙塔古的帮助,于1696年谋得造币厂监督职位,1699年升任厂长,1701年辞去剑桥大学工作。当时英国币制混乱,牛顿运用他的冶金知识,制造新币。因改革币制有功,1705年受封为爵士。晚年研究宗教,著有《圣经里两大错讹的历史考证》等文。牛顿于1727年 3月31日(儒略历20日)在伦敦郊区肯辛顿寓中逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。
    《光学》和反射式望远镜的发明,光学和力学一样,在古希腊时代就受到注意。用于天文观测的需要,光学仪器的制作很早就得到了发展,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但折射定律直到牛顿出生之前不久才为荷兰科学家W.斯涅耳所发现。玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧。16世纪荷兰磨制透镜的手工业大兴。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜。两种望远镜都无法消除物镜的色散。牛顿发明以金属磨成的反射镜代替会聚透镜作为物镜,这样就避免了物镜的色散。当时牛顿制成的望远镜长6英寸,直径1英寸,放大率为30~40倍。经过改进,1671年他制作了第二架更大的反射式望远镜,并送到皇家学会评审。这台望远镜被皇家学会作为珍贵科学文物收藏起来。为了制造反射式望远镜,牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。牛顿自幼爱好动手制模型,做试验,这对他在光学实验上的成功有极大帮助。光的颜色问题早在公元前就有人在作猜测,把虹的光色和玻璃片的边缘形成的颜色联系起来。从亚里士多德以来到笛卡儿都认为白光是纯洁的、均匀的,是光的本质,而色光只是光的变种。他们都没像牛顿那样认真做过实验。
    大约在1663年,牛顿即开始热衷于光学研究,磨玻璃、制作望远镜也在这个时期。1666年,他购得一块玻璃三棱镜,开始研究色散现象。为了这个目的,牛顿在他的《光学》一书中写道:“把我的房间弄暗,在我的窗板上开一个小孔,以便适量的太阳光射入室内,就在入口处安置我的棱镜,光通过棱镜折射达到对面的墙上。”牛顿看到墙上有彩色的光带,光带之长数倍于原来的白光点,他意识到这些彩色就是组成白色太阳光的原始光色。为了证明这一点,牛顿进一步做实验。在光带投射的屏上也打一个小孔,让光带中彩色的一部分穿过第二个小孔,经过放在屏后的第二个棱镜折射投到第二个屏上,又让第一棱镜绕它的轴缓慢转动,只见穿出第二个小孔落在第二屏上的像随着第一棱镜转动而上下移动。于是看到,为第一棱镜折射最大的蓝光,经过第二棱镜也是折射得最大;反之,红光被前后两个棱镜折射得最小。于是牛顿作出结论:“经过第一棱镜折射后所得长方形的彩色光带不是别的,正是由不同的彩色光所组成的白色光经折射而形成的。”也就是说:“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非均匀的混合体。”这就是牛顿的光色理论。它是通过实验建立起来的,牛顿自称这个实验为“关键性实验”。这个实验可说是一个半世纪后 J.von夫琅和费建立光谱术的基础。事实上牛顿在他的《光学》第 1卷命题4问题1中用过1~2英寸长、宽仅1/10或1/20英寸的长方形的孔代替小圆孔,他说所得结果较前更清晰,但没有夫琅和费线的记载。牛顿在这方面做了大量的实验之后,于1672年把他的结论用书信形式送交皇家学会评审。不料竟引起一场尖锐的论战。当时惠更斯反对他,胡克攻击他尤甚。早在1665年胡克就在英国提出光的波动理论,这只是一个假说。惠更斯则把它完整起来,认为空间的以太是无所不在的,他把以太作为振动的媒质,把媒质的每一个质点都看成一个中心,在中心的周围形成一个波,惠更斯成功地用这个物理图像来解释光的反、折射、还以此来研究冰洲石的双折射(但是光的波动学说的确立还有待于一个半世纪之后由英国的T.杨的干涉实验来证明)。牛顿则持光的微粒说,他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射,甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。但对薄膜形成的彩色,牛顿则承认微粒说不如波动说解释得明快。微粒说与波动说之争在当时是十分激烈的,双方争论持续多年。当年光的微粒说与波动说之争,现在可以引用E.T.惠特克的话来结束这桩公案:“当A.爱因斯坦以M.普朗克的量子原理来解释光电效应,光的微粒思想经过一个世纪的沉寂而在1905年又获得了新生,并因此而导致光量子存在的基本原理。他的思想为实验所充分肯定,特别是光子与电子碰撞所产生的康普顿效应服从经典的碰撞力学定律。而同时,关于光的波动性的实验并没有失效,于是我们不得不承认波动说和微粒假说都是正确的。”无疑,牛顿的《光学》(Opticks)是和他的《原理》同为物理学的巨著,也是科学界的经典著作。《光学》第一版印于1704年,在胡克逝世之后问世。《光学》最后部分以独特的形式附上一份著名的“问题”表,共提出31个“问题”(第一版提出16个“问题”)。在“问题”中所谈到的不仅是光的折射、反射等,还涉及光与真空,甚至重力、天体等问题。在多处谈到光的波动,涉及太阳光与物质的相互作用等问题,这些问题涉及物理学的诸多方面,富有启发性,后人评价这些“问题”是《光学》中最重要的部分,并非虚语。牛顿在《光学》一书中凭借实验的结果与分析,建立了光的理论。但在全书中没有提起不同玻璃具有不同折射率,在全书中也没有做消色差的实验,这或许是由于他当时还没有获得不同质玻璃的三棱镜的缘故。但是牛顿制造反射式望远镜来避免物镜的色散,却是个妙法,迄今大型望远镜的制造还遵从此法。牛顿死后3年(1730)出版了经牛顿生前订校过的《光学》第 4版。现在流行的1931年版本就是根据第4版重印的。
    爱因斯坦在为牛顿《光学》1931年重印本所作的序中说:“牛顿的时代早已被淡忘了……牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库,尽管如此,他的光学著作的这个新版本还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎的,因为只有这本书才能使我们有幸看到这位伟大人物本人的活动。”
    万有引力定律和《自然哲学的数学原理》,16世纪丹麦天文学家第谷对行星绕日运行作了长年累月的观测,他死后德国天文学家开普勒整理并分析了第谷的20年的观测记录,总结出行星运动的著名开普勒三定律。这个发现不仅为经典天文学奠定了基础,更重要的是导致了其后万有引力定律的发现。开普勒在得出行星运动三定律之前,1596年曾提出关于太阳行星间的吸引作用的思想;随之提出物体作圆周运动时出现离心力问题。一般认为伽利略已领悟到离心力,但对它作进一步的认识和计算则有待于牛顿。1664年 1月20日牛顿在他的《算草本》上已提出如何计算物体作圆周运动时的向心力的具体方法。牛顿把推导、计算方法详尽地写入他的《原理》(第 3版)第一编第二章命题4定理4下面推论1中,明确地指出:“因此,由于这些圆弧代表运动物体的速度,向心力就是这个速度的平方除以圆周半径。”从这里可以看出,向心力的求得对于距离平方反比定律的推导是不可少的。顺便提一下,惠更斯从不同途径推导得离心力方程和牛顿的相似,结果于1673年发表。牛顿虽在早年的《算草本》上提出求向心力的方法,但他自己说“惠更斯先生后来所发表的离心力理论,我相信在我之前”。引人注意的是,在《原理》第一编和第三编中,凡提到轨道运行时,牛顿都没有提及离心力一词,总是强调拉向轨道中心的向心力。
    关于引力反比于距离平方定律,历史上记载了当时对此发明权的争论,有人以为距离平方反比定律可以从开普勒第三定律直接推出,但缺乏向心力的概念和运动,不可能推出这定律。而向心力的概念与运算都是牛顿最早做出来的。长牛顿7岁的胡克当年就宣称他早已知道引力反比于距离平方定律,但提不出证据来。当《原理》第1版在印刷时,胡克通过哈雷向牛顿要求分享此定律的发明权。牛顿加以拒。在《原理》(第 3版)上述命题 4下的注释中提到距离平方反比定律适用于天体运动时,牛顿说:“雷恩爵士、胡克博士和哈雷博士曾分别注意过。”同时也提及“惠更斯先生在他的出色著作《钟摆的振荡》中曾把重力比之于旋转体的离心力”。这样,人们对距离平方反比定律的发明权就有所了解了。有人认为,1666年牛顿在乌尔斯索普家中试图以地球表面大圆弧上 1度的长度为60英里来计算月地之间的引力;通过实际计算,月球绕地球的周期与实际不能符合,算稿便弃置一旁。1682年牛顿获悉J.皮卡德的地球经度 1度之长为69.1英里的数据,便重行计算,才使计算与实际观测相吻合。牛顿把日常所见的重力和天体运动的引力统一起来,在科学史上有特别重要的意义。行星绕日运动的轨道究竟是什么样?这是当时科学界所关心的问题。这问题答案的公开和《原理》的出版密切相关,科学史上已有生动的记载。1684年1月C.雷恩、哈雷和胡克 3位英国当时科学界著名人士在伦敦相叙讨论行星运动轨道问题。胡克虽说他已通晓,但拿不出计算结果。于是牛顿的好友哈雷专程去剑桥请教牛顿。牛顿告诉哈雷他自己已计算过了,肯定地说,行星绕日轨道是椭圆;但手稿压置多年一时找不到,应允重行计算,约期3个月后交稿。哈雷如约再度访剑桥,牛顿交给一份手稿《论运动》,哈雷大为赞赏。牛顿在此稿基础上另写一书《论物体运动》,1684年12月送交英国皇家学会。此书第一部分主要相当于后来的《原理》第一编及第二编;而其余部分成为《原理》的第三编。哈雷怂恿牛顿写成《原理》全书公开出版,由他出资印刷,并亲自督校。1687年7月《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturaalis Principia Мathematica)第1版问世, 时距1664年牛顿开始思考并进行草算已23年。《原理》第2版于1713年出版,第3版于1725年出版(见彩图牛顿名著《原理》(1686)扉页)。《原理》原用拉丁文写成。牛顿逝世后2年由A.莫特译成英文付印,即今所见的流行的《原理》英文本。《原理》第一编之前有两部分重要的论述。第一部分为定义。定义共8条,其中有关向心力的有5条。他说,施加于物体的力有不同来源,例如撞击、压力和向心力。向心力一词是牛顿创造的(在另一场合即惠更斯称之为离心力的补充词)。牛顿在定义一章中有长篇诠释,其中提到了一个假想实验:“在高山上发射炮弹、炮力不足,炮弹飞了一阵便以弧形曲线下落地面。假如炮力足够大,炮弹将绕地球面周行,这是向心力的表演。”今日人造卫星的设想在那时牛顿的脑子里已浮现出来了。在定义一章中牛顿尽情阐述了他的时空绝对性概念。他对人们熟知的空间与时间,择名绝对空间和绝对时间。牛顿认为,只有在绝对空间中绝对运动才可以觉察,特别是在物体旋转时。当时惠更斯和英国大主教G.贝克莱对此表示疑问。无论如何,这短短一章定义表达了牛顿对力与时空的基本观点,是研究牛顿的重要原始文献。
    在第一编之前,除定义一章外,还有公理或称运动定理一章。在这章里牛顿阐述著名的运动三定律(见牛顿运动定律)。第一运动定律一般称作惯性定律,通常认为已由伽利略和笛卡儿所道出。为了要变更物体运动方向(或称变更运动速度)必须有外力作用,这其间必然会产生质量的概念。质量(原文物质的量)这个基本概念是由牛顿在《原理》第一编定义章中首先提出的,成为物理学中最基本概念之一。他清楚地把质量和重量区分开来,阐明了在各种不同环境中两个量的相互关系。在力学中牛顿用质量表示物体的特征。爱因斯坦指出:“只有引进质量这一新概念之,他(牛顿)才能把力和加速度联系起来。”动量一词牛顿也作了定义。牛顿指出,动量是衡量物质运动的量,它联系物质与运动两个量;物质加倍,动量加倍;物质与运动都加倍;动量即为原来的4倍。随后阐述动量守恒。牛顿在运动三定律之后有7个推论,其中论述到两力同时作用一物体上,则物体加速度方向和力的合成都在两力平行四边形的对角线上。此后还有一段很长的诠释,总论运动三定律的联系性,还用两摆的弹性碰撞和非弹性碰撞实验来阐述运动守恒并说明第二定律和第三定律之间的关系。从上面看,牛顿运动三定律不是分立的,而是相关的。牛顿早年在《算草本》中以碰撞实验研究力,在《原理》中他强调以“冲量”作为力的概念。随后发展这个概念,说无限短促间隙的相关系列冲量就成为连续作用力。这句话就包含以
    微分形式表达力的定义。牛顿设想,一质点在直线上作惯性运动,这质点和线外某一定点相联,在相等时间内这联线扫过的面积必然相等;如果在线上某点遇到一个外力,则质点要偏向质点原运动方向与外力方向之间的某一方向上运动。牛顿用他创造的无限小概念极限的方法最终证明了:一个运动着的质点,受到某个定点的外力作用,如果这个外力在质点和定点的联线上,而且力的强度反比于距离二次方,那么这质点运动轨迹很可能是个椭圆,这定点就是椭圆的焦点。于此,牛顿得出行星与太阳之间联线所扫过的面积必然和时间成比例。牛顿又设想,质点在椭圆上从一点经过无限短时间运行,这质点在短暂时间运行所到之处偏离切线的距离反比于从焦点到该点的距离平方。而当椭圆上两点相接近时,牛顿得出,在这极限情况下开普勒的面积定律是关键条件。总之,牛顿得到如下结论:假如面积定律有效,椭圆形轨道意味着指向焦点的力必然反比于距离平方。牛顿于是着意证明,面积定律是作用在运动物体的力指向中心的充分和必要条件。这揭示了开普勒的第一、第二两定律的重要性。《原理》第二编论述在有阻力媒质(气体、液体)内的质点运动。牛顿在这里用了更多的数学方法,而物理涵义较前为少。在第一编里牛顿费尽心力用各种方法证明宇宙间引力(向心力)之存在;而在第二编里,牛顿设想,在媒质中阻力与物体运行速度成正比;又设想与速度平方成正比;甚至认为一部分为速度之比,另一部分为速度平方之比。他还论证过一些其他的问题。在这些工作中牛顿以数学技巧来处理一些看来无实际物理意义的问题。他还研究了气体的弹性和可压缩性。在《原理》第二编中,牛顿用摆在流体中的运动实验测定重量(即地球引)和惯性大小的关系。在经典物理学中这两个量只能由实验来测定。关于声学的研究,《原理》第二编中记载了牛顿从理论上研究声速(见定理48、49、50),所得结果比实测低16%。他认为声速正比于所谓“弹性力”的方根而反比于媒质密度方根。牛顿又研究了声传播的形式,他说声的传播是空气的脉动所致,指出波的脉动只是媒质中质点上下交替运动,与摆的运动无异。在第二编最后文字中牛顿澄清了涡旋假设与天体运动无关。牛顿原想把《原理》第三编写成一般性的总结。但后来改变了计划,标题为“宇宙体系”。在这编里讨论了太阳系的行星、行星的卫星、彗星的运行,以及海洋潮汐的产生。他把这些作用的力叫做引力,即今所谓万有引力。他解释引力是两物体间相互作用的力,太阳对行星有引力使之在轨道上运行,同时行星对太阳也有作用力,这是运动第三定律规定的。只是太阳与行星的质量悬殊太大,太阳的运动微乎其微。行星之间运动相互受到引力干扰,所谓多体问题中的摄动,牛顿在第三编中阐述了太阳对月亮的摄动,土星对木星的摄动。在第三编中还计算了木星卫星的距离与卫星运转周期,作为开普勒第三定律的实例。
    1680年11月与1681年 3月大彗星两度出现。牛顿开始以为是在直线上运动的两个不同的彗星,只是方向相反。夫拉姆斯蒂德通过观察提醒牛顿,这只是同一个彗星,绕着太阳运动。于是牛顿通过计算得出,1680年的彗星是以太阳为焦点作抛物线运动,它对太阳的向心力也是服从距离平方反比定律的。1695年哈雷假定这颗1680年彗星的轨道是绕着太阳运行的一个扁而长的椭圆形。哈雷与牛顿对此重作计算。在《原理》第2版和第3版的第三编中有详细的观测记录和推算,预言这颗彗星约以75年绕日运动一周,即今日所知著名的哈雷彗星(中国最早对此彗星的记录在公元前1057年)。最后牛顿在结论中说,“彗星是行星之一种,它绕太阳运行具有极大的偏心率”但他又说“三次观测数据即可定出彗星在抛物线上运动轨道”。
    谈牛顿的物理学,不能不提及他在数学上的伟大贡献。《原理》的全名是《自然哲学的数学原理》。所谓自然哲学在那时的含义包括物理、化学等,而主要是物理学。上面提过第一、第二两编的中心是借数学方法来阐明物体运动的规律,因此可以看出数学在《原理》中的重要地位。读者初读《原理》往往以为是作者写作时崇尚古希腊欧几里得的几何的规范。但细读就可发现作者取几何学的形式而实质赋有崭新的内涵。作者在建立几何条件之后,立即引入某种经过精心下定义的所谓极限法。这种方法基于极限术的一组普遍原理,有别于经典式的古希腊几何学。极限学说详述在《原理》第一编第一章11个引理和诠释之中。在那里详细说明了极限的意义:有两个相互依赖的物理量,当两个量逐渐变小时,牛顿称它为流数,它的比率也在逐渐变化,而自变量达到无限小时比率达到一个极限定值,牛顿叫它流率。即今称导数或微商。牛顿发现他的流变术非常有用,反过来此术可以求曲线包围的面,即今所称积分。第一编第八章命题41即为积分术的应用。可以说,《原理》一书的中心内容是论述了牛顿在数学上的伟大创造即微积分术,并且应用这个创造去解决天体运动以及其他相关物理问题。微积分之发明,史家也归功于莱布尼兹,对于这一数学上的伟大发明,牛顿与莱布尼兹孰先孰后,后世论者纷纷;即在当时两方亦就此书信往来,已有争议。试听爱因斯坦如何赞美牛顿的微分发现。他说“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。
    牛顿一生的重要贡献是集16、17世纪科学先驱们成果的大成,建立起一个完整的力学理论体系,把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一理论中。这是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础,也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。这一成就,使以牛顿为代表的机械论的自然观,在整个自然科学领域中取得了长达两百年的统治地位。
          哲学、宗教和其他
    亚里士多德的哲学讲求事物的和谐,求和谐思想是正确的,但亚里士多德认为天上的日、月、星辰的运行轨道是圆形,因为只有圆运动才是完美的、和谐的,而地上的运动,例如重物直线下落是凡俗的。古希腊哲学家的和谐思想不能在天与地之间连贯。到了17世纪,牛顿用引力理论和运动三定律把天上行星和它们的卫星运动规律,同地上重力下坠的现象统一起来,实现了天上人间的统一,这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。众所周知,牛顿在理解光的本质上持微粒说。但他在同胡、惠更斯等讨论光的本质时,说光具有这种或那种本能激发以太的振动。这意味着以太是光振动的媒质(见以太论)。于此,似乎牛顿对光的双重性有所理解;其实不然,他对以太媒质之存在极似空气之无所不在,只是远为稀薄、微细而具有强有力的弹。他又申说,就是由于以太的动物气质才使肌肉收缩和伸长,动物得以运动。他又进一步以以太来解释光的反射与折射,透明与不透明,以及颜色的产生,他甚至于设想地球的引力是由于有如以大气质不断凝聚使然。《原理》第二编第六章诠释的结尾说,从记忆中他曾做实验倾向于以太充斥于所有物体的空隙之中的说法,虽然以太对于引力没有觉察的影响。14、15世纪以来欧洲的学者对以太着了迷,以太学说风靡一时。当时科学巨擘笛卡儿对以太存在深信不疑。他认为行星之运行可以以太旋涡来解释。以太学说成为一时哲学思潮。尊重实验的牛顿也不免卷入这股哲学思潮激流中去,倾向于它存在。当时人们对超距作用看法不一。牛顿曾经指出他的引力相互作用定律,并不认为是最终的解释,而只是从实验中归纳出来的一条规则。因此,牛顿并未就引力本质作出结论。
    牛顿在科学上的成就须由他的哲学思想和科学方法来寻根求源。牛顿的学生R.科茨曾在《原理》第 2版序言中道出了其中的奥妙。古希腊、罗马的哲学家凭着对自然现象的观察和思考(中国先秦时代也有类似之处)总结出论断,例如泰勒斯的学说:万物的根源是水。即使像德谟克利特、卢克莱修的原子论,现在来评价还是很高的。但是他们的方法凭天才的臆测、思维与辩论,称之为思辨哲学。到了中世,经院哲学统治着欧洲。科学、哲学沦为神学的奴婢。到15、16世纪,哥白尼、G.布鲁诺、伽利略等人不畏坐牢、火刑等坚持不屈地向教会作斗争,挣脱了侍奉上帝的桎梏。对自然现象的观察、测量和实验的风气逐渐形成了。在物理学科中伽利略的实验工作是实验物理学的开端,牛顿深受其影响。随后牛顿使作为实验科学的物理学形成一个光辉体系,同时也使科学实验方法闯入了哲学思想的殿堂。
    牛顿认为从现象中可以得出科学原理,或者说科学基本原理可以从现象中导得或推出。牛顿在《原理》和《光学》两书中明白表达他的做学问的方法,即要明白无误地区别猜测、假设和实验结果(及由此而归纳得出的结论),还有从某些假设条件下所得到数学推导。《原理》第一编十四章中处理细微粒子的运动和第二编命题23中设想气体中有相互排斥质点的模型都是牛顿运用具有物理实质性的数学模型的例子,但是他对这些问题缺少实质性的实验证据,未能写出无可辩驳的论述。论者可能认为牛顿只注重从实验运用归纳法得出定律,而无视演绎法的重要性。这是有违事实的。1713年牛顿在出版《原理》第 2版时在给他的学生科茨的信中提到运动定律是居于首位的定律或称之为公理,并说它们都是从现象中推断或称演绎而来的,并运用归纳法使之普适化。牛顿说:“这是一个命题在哲学中所能达到最高境界的例证。”诚然,必须看到归纳与演绎不能人为地对立起来。恩格斯指出“归纳和演绎正如分析和综合一样,是必然相互联系着的。不应当牺牲一个而把另一个捧到天上去”。牛顿在此早着先鞭。关于实验与假设之间的关系,牛顿在各种场合都有论述。他在给奥尔登堡的信中说:“进行哲学研究的最好和最可靠的方法,看来第一是勤勤恳恳地探索事物的属性并用实验来证明这些属性。然后进而建立一些假说,用以解释这些事物的本性。”给科茨信中说:“任何不是从现象中推论出来的说法都应称之为假说,而这样一种假说无论是形而上学的还是物理学的,无论属于隐蔽性质的还是力学性质的,在实验哲学中都没有它们的地位。”牛顿这些论述奠定了自然哲学的基础,启开了实验科学的大门,300年来为自然科学的繁荣立下了不朽功勋。牛顿研究事物规律的方法不同于那些只从简单的物理假设出发的人,而是通过逻辑的演绎法得到对事物现象的解释。爱因斯坦指出:“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础,从这基础出发他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合。”“在牛顿之前还没有什么实际的结果支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿是完整的物理因果关系创始人;而因果关系正是经典物理学的基石。牛顿出身于笃信基督教的家庭。在剑桥求学时代,他就怀着宗教生活里亦如科学实验一样可以自由自在的幻想和工作。《原理》完成后,他便着手有关基督教《圣经》的研究,并开始写这方面的著作,手稿达150万字之多,绝大部分未发表。可见牛顿在宗教著述上浪费了大量时间的精力。关于牛顿在1692~1693年间答复本特莱大主教 4封信论造物主(上帝)之存在,最为后人所诟病。所谓神臂就是第一推动出于第四封信中。从现代宇宙学来说,第一推动完全可能在物理框架中解决,而无需“神助”。
    牛顿反对那时英国的国教“英格兰教”。他反对三一教义,但不鲜明表白自己的意志,只是隐蔽地表明不愿担任圣职。总之,在对于宗教问题上牛顿比之于他的先驱者如哥白尼、布鲁诺、伽利略等赴汤蹈火而不辞的精神,则逊色多了。
    1942年爱因斯坦为纪念牛顿诞生 300周年而写的文章,对牛顿的一生作如下的评价“只有把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上一幕才能理解他”。此赞语最恰当不过的了。

阿基米德 (公元前287-前212)



       古希腊伟大的数学家、力学家。生于西西里岛的叙拉古,卒于同地。早年在当时的文化中心亚历山大跟随欧几里得的学生学习,以后和亚历山大的学者保持紧密联系,因此他算是亚历山大学派的成员。后人对阿基米德给以极高的评价,常把他和I.牛顿、C.F.高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。他的生平没有详细记载,但关于他的许多故事却广为流传。据说他确立了力学的杠杆定律之后,曾发出豪言壮语:“给我一个立足点,我就可以移动这个地球!”叙拉古的亥厄洛王叫金匠造一顶纯金的皇冠,因怀疑里面掺有银子,便请阿基米德鉴定一下。当他进入浴盆洗澡时,水漫溢到盆外,于是悟得不同质料的物体,虽然重量相同,但因体积不同,排去的水也必不相等。根据这一道理,就可以判断皇冠是否掺假。阿基米德高兴得跳起来,赤身奔回家中,口中大呼:“尤里卡!尤里卡!”(希腊语意思是“我找到了”)他将这一流体静力学的基本原理,即物体在液体中减轻的重量,等于排去液体的重量,总结在他的名著《论浮体》中,后来以“阿基米德原理”著称于世。第二次布匿战争时期,罗马大军围攻叙拉古,阿基米德献出自己的一切聪明才智为祖国效劳。传说他用起重机抓起敌人的船只,摔得粉碎;发明奇妙的机器,射出大石、火球。还有一些书记载他用巨大的火镜反射日光去焚毁敌船,这大概是夸张的说法。总之,他曾竭尽心力,给敌人以沉重打击。最后叙拉古因粮食耗尽及奸细的出卖而陷落,阿基米德不幸死在罗马士兵之手。流传下来的阿基米德的著作,主要有下列几种。《论球与圆柱》,这是他的得意杰作,包括许多重大的成就。他从几个定义和公理出发,推出关于球与圆柱面积体积等50多个命题。《平面图形的平衡或其重心》,从几个基本假设出发,用严格的几何方法论证力学的原理,求出若干平面图形的重心。《数沙者》,设计一种可以表示任何大数目的方法,纠正有的人认为沙子是不可数的,即使可数也无法用算术符号表示的错误看法。《论浮体》,讨论物体的浮力,研究了旋转抛物体在流体中的稳定性。阿基米德还提出过一个“群牛问题”,含有八个未知数。最后归结为一个二次不定方程。其解的数字大得惊人,共有二十多万位! 阿基米德当时是否已解出来颇值得怀疑。除此以外,还有一篇非常重要的著作,是一封给埃拉托斯特尼的信,内容是探讨解决力学问题的方法。这是1906年丹麦语言学家J.L.海贝格在土耳其伊斯坦布尔发现的一卷羊皮纸手稿,原先写有希腊文,后来被擦去,重新写上宗教的文字。幸好原先的字迹没有擦干净,经过仔细辨认,证实是阿基米德的著作。其中有在别处看到的内容,也包括过去一直认为是遗失了的内容。后来以《阿基米德方法》为名刊行于世。它主要讲根据力学原理去发现问题的方法。他把一块面积或体积看成是有重量的东西,分成许多非常小的长条或薄片,然后用已知面积或体积去平衡这些“元素”,找到了重心和支点,所求的面积或体积就可以用杠杆定律计算出来。他把这种方法看作是严格证明前的一种试探性工作,得到结果以后,还要用归谬法去证明它。他用这种方法取得了大量辉煌的成果。阿基米德的方法已经具有近代积分论的思想。然而他没有说明这种“元素”是有限多还是无限多,也没有摆脱对几何的依赖, 更没有使用极限方法。尽管如此, 他的思想是具有划时代意义的,无愧为近代积分学的先驱。他还有许多其他的发明,没有一个古代的科学家,象阿基米德那样将熟练的计算技巧和严格证明融为一体,将抽象的理论和工程技术的具体应用紧密结合起来。

伽利略 (1564-1642)



       伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播N.哥白尼的日心说,伽利略献出了毕生精力。由此,他晚年受到教会迫害,并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他被称为“近代科学之父”。他的工作,为I.牛顿的理论体系的建立奠定了基础。
   
        生平和学术生涯
    早年活动 伽利略1564年2月15日生于比萨,父亲芬琴齐奥·伽利莱精通音乐理论和声学,著有《音乐对话》一书。1574年全家迁往佛罗伦萨。伽利略自幼受父亲的影响,对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓;也像他父亲一样,不迷信权威。17岁时遵从父命进比萨大学学医,可是对医学他感到枯燥无味,而在课外听世交、著名学者O.里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学,感到浓厚兴趣。1583年,伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动,随后用线悬铜球作模拟(单摆)实验,确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的影响,由此创制出脉搏计用来测量短时间间隔。1585年因家贫退学,担任家庭教师,但仍奋力自学。1586年,他发明了浮力天平,并写出论文《小天平》。
    1587年他带着关于固体重心计算法的论文到罗马大学学求见著名数学家和历法家C.克拉维乌斯教授,大受称赞和鼓励。克拉维乌斯回赠他罗马大学教授P.瓦拉的逻辑学讲义与自然哲学讲义,这对于他以后的工作大有帮助。
    1588年他在佛罗伦萨研究院做了关于A.但丁《神曲》中炼狱图形构想的学术演讲,其文学与数学才华大受人们赞扬。次年发表了关于几种固体重心计算法的论文,其中包括若干静力学新定理。由于有这些成就,当年比萨大学便聘请他任教,讲授几何学与天文学。第二年他发现了摆线。当时比萨大学教材均为亚里士多德学派的学者所撰,书中充斥着神学与形而上学的教条。伽利略经常发表辛辣的反对意见,由此受到校内该学派的歧视和排挤。1591年其父病逝,家庭负担加重,他便决定离开比萨。帕多瓦时期 1592年伽利略转到帕多瓦大学任教。帕多瓦属于威尼斯公国,远离罗马,不受教廷直接控制,学术思想比较自由。在此良好气氛中,他经常参加校内外各种学术文化活动,与具有各种思想观点的同事论辩。此时他一面吸取前辈如N.F.塔尔塔利亚、G.B.贝内代蒂、F.科门迪诺等人的数学与力学研究成果,一面经常考察工厂、作坊、矿井和各项军用民用工程,广泛结交各行业的技术员工,帮他们解决技术难题,从中吸取生产技术知识和各种新经验,并得到启发。
    在此时期,他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑等;发现了惯性原理,研制了温度计和望远镜。
    1597年,他收到J.开普勒赠阅的《神秘的宇宙》一书,开始相信日心说,承认地球有公转和自转两种运动。但这时他对柏拉图的圆运动最自然最完善的思想印象太深,以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。1604年天空出现超新星,亮光持续18个月之久。他便趁机在威尼斯作几次科普演讲,宣传哥白尼学说。由于讲得精采动听,听众逐次增多,最后达千余人。
    1609年7月,盛传一荷兰眼镜工人发明了供人玩赏的望远镜。他未见到实物,思考竟日后,用风琴管和凸凹透镜各一片制成一具望远镜,倍率为3,后又提高到9。他邀请威尼斯参议员到塔楼顶层用望远镜观看远景,观者无不惊喜万分。参议院随后决定他为帕多瓦大学的终身教授。1610年初,他又将望远镜放大率提高到33,用来观察日月星辰,新发现甚多,如月球表面高低不平,月球与其他行星所发的光都是太阳的反射光,水星有4颗卫星,银河原是无数发光体的总汇,土星有多变的椭圆外形等等,开辟了天文学的新天地。是年3月,出版了他的《星空信使》一书,震撼全欧。随后又发现金星盈亏与大小变化,这对日心说是一强有力的支持。伽利略日后回顾在帕多瓦的18年时,认为这是他一生中工作最开展、精神最舒畅的时期。事实上,这也是他一生中学术成就最多的时期。
    托斯卡纳时期 20年来伽利略在物理学和天文学研究上的丰硕成果,激起了他学术上的更大企求。为了取得充裕时间致力于科学研究,1610年春,他辞去大学教职,接受托斯卡纳公国大公聘请,担任宫廷首席数学家和哲学家的闲职与比萨大学首席数学教授的荣誉职位。
    为了使科学免受教会干预,伽利略曾多次去罗马活动。1611年他第二次去罗马,目的在于赢得宗教、政治与学术界认可他在天文学上的发现。他在罗马受到包括教皇保罗五世和若干高级主教在内的上层人物的热情接待,并被林赛研究院接纳为院士。当时耶稣会的神父们承认他的观测事实,只是不同意他的解释。这年5月,在罗马大学的大会上,几个高职位的神父公开宣布了伽利略的天文学成就。
    同年,他观察到太阳黑子及其运动,对比黑子的运动规律和圆运动的投影原理,论证了太阳黑子是在太阳表面上;他还发现了太阳有自转。1613年他发表了3篇讨论太阳黑子问题的通信稿。另外,1612年他又出版了《水中浮体对话集》一书。
    1615年,一诡诈的教士集团和教会中许多与伽利略敌对的人联合攻击伽利略为哥白尼学说辩护的论点,控告他违反基督教义。他闻讯后,于是年冬第三次去罗马,力图挽回自己的声誉,企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受到惩处,也不公开压制他宣传哥白尼学说,教廷默认了前一要求,但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达了著名的“1616年禁令”,禁止他以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心说。
    1624年,他第四次去罗马,希望故友新任教皇乌尔邦八世能够同情并理解他的意愿,以维护新兴科学的生机。他先后谒见6次,力图说明日心说可以与基督教教义相协调,说“圣经是教人如何进天国,而不是教人知道天体是如何运转的”;并且试图以此说服一些大主教,但毫无效果。乌尔邦八世坚持“1616年禁令”不变;只允许他写一部同时介绍日心说和地心说的书,但对两种学说的态度不得有所偏倚,而且都要写成数学假设性的。在这辛勤奔波的一年里,他研制成了一台显微镜,“可将苍蝇放大成母鸡一般。”
    此后6年间,他撰写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书,1630年他第5次到罗马,取得了此书的“出版许可证”。此书终于在1632年出版了。此书在表面上保持中立,但实际上却为哥白尼体系辩护,并多处对教皇和主教隐含嘲讽,远远超出了仅以数学假设进行讨论的范围。全书笔调诙谐,在意大利文学史上列为文学名著。  
    教廷的迫害和晚年生活 《对话》出版后6个月,罗马教廷便勒令停止出售,认为作者公然违背“1616年禁令”,问题严重,亟待审查。原来有人在教皇乌尔邦八世面前挑拨说伽利略在《对话》中,借头脑简单、思想守旧的辛普利邱之口以教皇惯用辞句,发表了一些可笑的错误言论,使他大为震怒。曾支持他当上教皇的集团激烈地主张要严惩伽利略,而神圣罗马帝国和西班牙王国认为如纵容伽利略会对各国国内的异端思想产生重大影响,提出联合警告。在这些内外压力和挑拨下,教皇便不顾旧交,于这年秋发出了伽利略到罗马宗教裁判所受审的指令。
    年近七旬而又体弱多病的伽利略被迫在寒冬季节抱病前往罗马,在严刑威胁下被审讯了三次,根本不容申辩。几经折磨,终于在 1633年6月22日在圣玛丽亚修女院的大厅上由10名枢机主教联席宣判,主要罪名是违背“1616年禁令”和圣经教义。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上,在教廷已写好的“悔过书”上签字。主审官宣布:判处伽利略终身监禁;《对话》必须焚绝,并且禁止出版或重印他的其他著作。此判决书立即通报整个天主教世界,凡是设有大学的城市均须聚众宣读,借此以一儆百。
    伽利略既是勤奋的科学家,又是虔诚的天主教徒,深信科学家的任务是探索自然规律,而教会的职能是管理人们的灵魂,不应互相侵犯。所以他受审之前不想逃脱,受审之时也不公开反抗,而是始终服从教廷的处置。他认为教廷在神学范围之外行使权力极不明智,但只能私下有所不满。显然,G.布鲁诺的被处火刑和T.康帕内拉的被长期打入死牢,这两位意大利杰出的哲学家的遭遇,给他精神上投下了可怕的阴影。宗教裁判所的判决随后又改为在家软禁,指定由他的学生和故友A.皮柯罗米尼大主教在锡耶纳的私宅中看管他,规定禁止会客,每天书写材料均需上缴等。在皮柯罗米尼的精心护理和鼓励下,伽利略重行振作起来,接受皮柯罗米尼的建议继续研究无争议的物理学问题。于是他仍用《对话》中的三个对话人物,以对话体裁,和较朴素的文笔,将他最成熟的科学思想和科研成果撰写成《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》。两门新科学是指材料力学(见弹性力学)和动力学。这部书稿1636年就已完成,由于教会禁止出版他的任何著作,他只好托一位威尼斯友人秘密携出国境,1638年在荷兰莱顿出版。
    伽利略在皮柯罗米尼家中刚过了5个月,便有人写匿名信向教廷控告皮柯罗米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略于当年12月迁往佛罗伦萨附近的阿切特里他自已的故居,由他的大女儿维姬尼亚照料,禁例依旧。她对父亲照料妥贴,但4个月后竟先于父亲病故。
    伽利略多次要求外出治病,均未获准。1637年双目失明。次年才获准住在其子家中。在这期间探望他的除托斯卡纳大公外,还有英国著名诗人、政论家J.弥尔顿和法国科学家、哲学家P.伽桑迪。他的学生和老友B.卡斯泰里还和他讨论过利用木卫星计算地面经度的问题。这时教廷对他的限制和监视已明显放松了。  
    1639年夏,伽利略获准接受聪慧好学的18岁青年V.维维亚尼为他的最后一名学生,并可在他身边照料,这位青年使他非常满意。1641年10月卡斯泰里又介绍自己的学生和过去的秘书E.托里拆利前往陪伴。他们和这位双目失明的老科学家共同讨论如何应用摆的等时性设计机械钟,还讨论过碰撞理论、月球的天平动、大气压下矿井水柱高度等问题,因此,直到临终前他仍在从事科学研究。
    伽利略于1642年1月8日病逝,葬仪草率简陋,直到下一世纪,遗骨才迁到家乡的大教堂。
   
           学 术 成 就
    新的科学思想和科学研究方法 在伽利略的研究成果得到公认之前,物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支,没有取得自己的独立地位。当时,哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里,他们苦思巧辩,得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战,不是先臆测事物发生的原因,而是先观察自然现象,由此发现自然规律。他摒弃神学的宇宙观,认为世界是一个有秩序地服从简单规律的整体,要了解大自然,就必须进行系统的实验定量观测,找出它的精确的数量关系。
    基于这样的新的科学思想,伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法;这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉,也是他对近代科学的最重要贡献。用数学方法研究物理问题,原非伽利略首倡,可以追溯到公元前3世纪的阿基米德,14世纪的牛津学派和巴黎学派以及15、16世纪的意大利学术界,在这方面都有一定成就,但他们并未将实验方法放在首位,因而在思想上未能有所突破。伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话:“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道,做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”
    伽利略的数学与实验相结合的研究方法,一般来说,分三个步骤:①先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分,用最简单的数学形式表示出来,以建立量的概念;②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系;③然后通过实验证实这种数量关系。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。
    从落体的加速运动所能作出的最简单设想,可能是其瞬时速度□与路程□成正正,此□□也可能与下落时间□成正比。这就是研究方法的步骤①。通过数学论证,不难发现第一种假设对于匀加速运动是不能成立的。于是采取□□□或□=□□的假设,这里□是加速度。
    由于□值无法直接测量,所以将此式转换为可测量路程的形式:□□如此则落体在□1,2,3,……□秒末所通过的路程依次为□由此得知每隔1秒落体下落的一段距离依' ;&+淝"鴙HE' ;&+淝"鴙H。如此便完成了步骤②。
    最后的步骤是用实验验证:由于自由落体的加速度□值大,即使在短时间内下落的路程也会很大,难于测量。为了“冲淡”加速度,使其减小,伽利略设计了斜面滚球实验,测量从斜面上的光滑小槽内往下滚的青铜小球的行程与时间的关系。他采用精密的漏壶,反复实验100次。所得结果与步骤②中所设想的□-□数量关系符合,且重复性良好,肯定了落体作匀加速运动设想的正确性。
    由此可见,伽利略进行科学实验的目的主要是为了检验一个科学假设是否正确,而不是盲目地收集资料,归纳事实。
    物理学概念和原理的创新 惯性原理和力与加速度的新概念 推动重物时需要的力大,而推动轻物时需要的力小,是人们的直觉经验。亚里士多德据此得出普遍性的结论:一切物体均有保持静止或所谓寻找其“天然去处”的本性,认为“任何运动着的事物都必然有推动者”,并用比例定律把动力与速度联系起来。伽利略则得出新的概念,他观察到一个沿着光滑斜面向上滑动的物体,因斜面的斜角不同而受到不同程度的减速,斜角越小,减速越小。如在无阻力的水平面上滑动,则应保持原速度永远滑动。因而得出这样的结论:“一个运动的物体,假如有了某种速度以后,只要没有增加或减小速度的外部原因,便会始终保持这种速度──这个条件只有在水平的平面上才有可能,因为在斜面的情况下,朝下的斜面提供了加速的起因,而朝上的斜面提供了减速的起因;由此可知,只有在水平面上运动才是不变的”(《两门新科学的对话》,第三天,问题9,假设23注)。这样,伽利略便第一次提出了惯性概念,并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。与前述的匀加速运动实验结合在一起,伽利略提出了惯性和加速度这个全新的概念,以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律,为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。这种新的惯性概念,推翻了1000多年以来亚里士多德学派认为物体运动靠精灵或外界迂回空气推动的说法,也澄清了中世纪含糊的“冲力”说。这是人类长期以来研究机械运动的理论成果,并且得到了当时地动说支持者们的拥护。伽利略虽然没有明确地写出惯性原理,可是表明了这是属于物体的本性的客观规律,在研究其他物理问题时,他熟练地运用了它。然而他未能摆脱柏拉图关于行星作圆运动的观点,相信“圆惯性”的存在,因此未能将惯性运动概念推广到一切物体运动上。完整的惯性原理是在伽利略逝世后两年由R.笛卡儿表述的。
    伽利略把物体速度的大小和方向的改变或加速度的产生归诸力的作用,这是对力的性质的客观认识,也是牛顿第二定律的雏形。惯性原理的发现破除了力是运动原因的旧概念,而认为力是改变运动状态的原因。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中高度评价伽利略对第一、第二两运动定律所作的开创性工作(见牛顿运动定律)。
    运动独立性原理和运动的合成、分解定律 在弹道的研究中,伽利略发现水平与垂直两方向的运动各具有独立性,互不干涉,但通过平行四边形法则又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀速运动,完整地解释了弹道的抛物线性质,这是运动的合成研究的重大收获,并具有实用意义。
    惯性参照系概念 伽利略用物理学原理为哥白尼地动学说进行辩解时,应用运动独立性原理通俗地说明了石子从桅杆顶上掉落到桅杆脚下而不向船尾偏移的道路。他又进一步以作匀速直线运动的船舱中物体运动规律不变的著名论述,第一次提出惯性参照系的概念。这一原理被A.爱因斯坦称为伽利略相对性原理,是狭义相对论的先导。
    单摆周期性质的发现 伽利略由观察到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究,发现单摆的周期与摆长的平方根成正比,而与振幅大小和摆锤重量无关。这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。
    光速有限及其测量 前人对于光速是否有限从来没有明确的认识。伽利略观察了闪电现象,认为光速是有限的,并设计了测量光速的掩灯方案。但限于当时的实验条件,用这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间,而不是光的行进时间。然而,如果有了明暗变化有规律的光源或高速机械控制的器件代替人手动作,是可以测量到真正的光速的,后来木卫星食法、转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法都借鉴于掩灯方案。
    几种基本物理实验仪器的研制 伽利略不但亲自设计和演示过许多实验,而且亲自研制出不少实验仪器。他的工艺知识丰富,制作技术精湛,他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都很有影响,下面举出几项:
    浮力天平 这是利用浮力原理快速测定金银器皿首饰中金银含量比例的直读仪器。这种仪器当时已用于金银首饰器皿的交易中。
    温度计 伽利略首创的温度计是一种开放式的液体温度计,玻璃管内盛有着色的水和酒精,液面与大气相通(见彩图伽利略的温度计)。这实际上是温度计与大气压力计的混合体,这是由于当时他对大气压力的变化还没有明确的认识。尽管如此,其学术价值仍很大,温度从此成为客观的物理量,不再是不确定的主观感觉。
    望远镜 伽利略制成的望远镜,可以观察到物体的正像。经过改进后,其倍率由3逐步增大到33;不但指向星空,还可应用于船舰要塞,取得空前丰硕的发现成果。这种望远镜结构简单,而其倍率和分辨本领受球差和色差的限制较大。
    彻底推翻亚里士多德的物质观 欧洲中世纪占绝对统治地位的自然观,是经过神学改装了的亚里士多德的自然观,它成为封建神权统治者统制民众思想的工具。亚里士多德认为,地球和地上万物都由气、火、水、土四种元素所组成,都是丑陋、不洁、不完美的,有变化和有生灭的。火和气组成向上流动的轻物,水和土组成向下掉落的重物。而天体则是由“以太”所组成的纯洁、完美、永恒的物体。又因为“上帝厌恶真空”,所以真空不可能存在。然而伽利略从望远镜发现月亮表面有山峰和洼地,高低不平,并不是完美无缺,金星也有盈亏变化;太阳表面还有活动不已的黑子;肉眼就能直接看到超新星的爆发及其渐渐暗淡和消失。这些都打破了亚里士多德天尊地卑,天体和地上物质的性质悬殊的思想。
    伽利略通过流体静力学对浮体的研究,得知所有物体都是重物,没有绝对的轻物。天体和地球以及地上万物在物质结构上是统一的。真空也可能存在和产生,而且只有在真空中才能研究物体运动的真正性质。这就彻底推翻了亚里士多德凭借主观臆测的物质观,从而也根本动摇了封建神权的思想统治。
   
          科学革命的先驱
    伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。在当时的社会条件下,为争取不受权势和旧传统压制的学术自由,为近代科学的生长,他进行了坚持不懈的斗争,并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此,他是科学革命的先驱,也可以说是“近代科学之父”。虽然他晚年终于被剥夺了人身自由,但他开创新科学的意志并未动摇。他的追求科学真理的精神和成果,永远为后代所景仰。
    1799年,梵蒂冈教皇J.保罗二世代表罗马教廷为伽利略公开平反昭雪,认为教廷在300多年前迫害他是严重的错误。这表明教廷最终承认了伽利略的主张──宗教不应该干预科学。

爱因斯坦 (1879-1955) 


A.爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。1879年 3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后,随全家迁居慕尼黑。父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工。在任工程师的叔父等人的影响下,爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。1894年,他的家迁到意大利米兰,继续在慕尼黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育,自动放弃学籍和德国国籍,只身去米兰。1895年他转学到瑞士阿劳市的州立中学;1896年进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学,1900年毕业。由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯,为教授们所不满,大学一毕业就失业,两年后才找到固定职业。1901年取得瑞士国籍。1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员,从事发明专利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究,于1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就,特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出,推动了物理学理论的革命。同年,以论文《分子大小的新测定法》,取得苏黎世大学的博士学位。1908年兼任伯尔尼大学编外讲师,从此他才有缘进入学术机构工作。1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉格德语大学理论物理学教授,1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年,应M.普朗克和W.能斯脱的邀请,回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授,直到1933年。1920年应H.A.洛伦兹和P.埃伦菲斯特(即P.厄任费斯脱)的邀请,兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国不到四个月,第一次世界大战爆发,他投入公开的和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最后建成了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言,于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人的日全食观测结果所证实,全世界为之轰动,爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词,同时也招来了德国和其他国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。1933年1月纳粹攫取德国政权后,爱因斯坦是科学界首要的迫害对象,幸而当时他在美国讲学,未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时,9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪,星夜渡海到英国,10月转到美国普林斯顿,任新建的高级研究院教授,直至1945年退休。1940年他取得美国国籍。1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现,在匈牙利物理学家L.西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议研制原子弹,以防德国占先。第二次世界大战结束前夕,美国在日本两个城市上空投掷原子弹,爱因斯坦对此强烈不满。战后,为开展反对核战争的和平运动和反对美国国内法西斯危险,进行了不懈的斗争。1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱,不举行任何丧礼,不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒在永远对人保密的地方,为的是不使任何地方成为圣地。

法拉第 (1917-1867)



      法拉第1791年9月22日生在一个手工工人家庭,家里人没有特别的文化,而且颇为贫穷。法拉第的父亲是一个铁匠。法拉第小时候受到的学校教育是很差的。十三岁时,他就到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒。但与众不同的是他除了装订书籍外,还经常阅读它们。他的老板也鼓励他,有一位顾客还送给了他一些听伦敦皇家学院讲演的听讲证。1812年冬季一天,正当拿破仑的军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候,一位二十一岁的青年人来到了伦敦皇家学院,他要求和著名的院长戴维见面谈话。作为自荐书,他带来了一本簿子,里面是他听戴维讲演时记下的笔记。这本簿子装订得整齐美观,这位青年给戴维留下了很好的印象。戴维正好缺少一位助手,不久他就雇用了这位申请者。
    当上了戴维的助手后,不久他就成为皇家学院的一员。1813年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历,他们带着法拉第作为秘书。这次旅游进行了18个月,这对法拉第的教育起了重大作用。他见到了许多著名的科学家,象安培、伏特、阿拉戈和盖·吕萨克等,其中几位学者立即发现了这位陪伴戴维的朴实年青人的才华。
    法拉第的科学活动是惊人的。他从欧洲大陆旅游回来后,几年内都致力于化学分析,并在皇家学院担任助手工作,其中包括对戴维的重要协助。他在1816年发表的第一篇论文,是论述托斯卡纳生石灰的性质的。1860年前后,法拉第的研究活动结束时,他的实验笔记已达到一万六千多条,他仔细地依次编号,分订成许多卷,在这里法拉第快乐的显示了他过去当装订工时学会的高超技能。这些笔记以及其他在装订成书以前或以后的几百条笔记,都已编成书分卷出版,其中最著名的是他的《电学实验研究》。
    法拉第所研究的课题广泛多样,按编年顺序排列,有如下各方面:铁合金研究(1818-1824);氯和碳的化合物(1820);电磁转动(1821);气体液化(1823,1845);光学玻璃(1825-1831);苯的发明(1825);电磁感应现象(1831);不同来源的电的同一性(1832);电化学分解(1832年起);静电学,电介质(1835年起);气体放电(1835年);光、电和磁(1845年起);抗磁性(1845年起);"射线振动思想"(1846年起);重力和电(1849年起);时间和磁性(1857年起)。
    在大约1830年以前,法拉第主要是一位化学家,但他曾在1821年第一次着手研究电和磁,可能由此而种下了种子,十年以后即有了伟大的发现。法拉第的第一个科学活动时期终止于1830年,那时他已成为很有成就的专业分析化学和实际顾问,而且更重要的是,由于他的坚实的科学成就,已赢得了国际声誉。这些科学成就包括制备一些新的碳化合物,如由他命名的"高氯化碳"或现代命名的"六氯乙烷"CCI3.CC13和四氯乙烯CCI2:CC12,以及研究伦敦照明用的气体(法拉第的哥哥在该部门工作)。这种气体是用动物油加热而制成的,储存在圆柱形铁罐内,它往往在铁罐内残留下一种液体。法拉第非常仔细而巧妙地对这种残余液体进行了分析,发现它含有一种沸点固定在80℃的成分,它的大致组分为CH。这就是苯,它是有机化学的主要支柱之一。但是法拉第发现苯时,并没有认识到它在后来的重要性,当然也不了解它的奇异的分子结构。这些发明和发现表明,如果法拉第没有其他贡献,他也将被认为是杰出的化学家。
    事实上,在十九世纪二十年代,他就已成功地液化了好几种气体。他最初所用的仪器非常简陋,只是一个弯成倒"V"字形的结实的玻璃管。他在玻璃管一端放入产生气体的物质,把另一端浸在致冷混合液体中。这时放出的气体使管内的压力增加。他就是采用这种简单技巧,液化了氯、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化二氮、氨、氯化氢以及其他物质。
    1818年起,法拉第和一位外科医生、皇家学会会员斯托达特合作了几年,试图制造出一种改良钢,它的防锈能力要比英国当时所用的钢产品更强,能用来制造更锋利的刀片。当时的冶金技术仍然偏重于经验技术。印度生产的一种"乌兹钢",是当时最优质的刀片钢。法拉第和斯托达特在铁内掺入其他金属,例如铂、银、钯、铬等,制成了各种合金钢,但斯托达特在1823年去世,法拉第转到其他工作去了。他们当时是可能发现现代冶金学的一些重要结果的。他们所制刀片的一些样品至今仍保存着,其中有一些质量很高。
    所有这些工作都证明了法拉第卓越的化学才能和工艺才能。他把他的丰富经验总结为一本六百多页的巨著《化学操作》中,于1827年出版。这是法拉第除了电学研究和其他研究论文集外所写的唯一的一本书。就是在今天仔细阅读它,也会给人一种直接和新颖的非凡印象。
    戴维曾想表示他对法拉第的感激,但皇家学院经济一直困难。1825年他建议任命法拉第为实验室主任,以表示他的敬意。此后不久,法拉第创办了一个定期的"星期五晚讲座",至今仍延续下来。法拉第曾花费了许多精力来提高他的讲演艺术,并且为此而名声卓著。他对讲演提出了各种建议和准则,完善到包括一切细节,这些建议和准则一直传给了皇家学院现在的讲演人。尽管皇家学院的听讲费颇为昂贵,但只要是法拉第讲演,讲演大厅里就会挤得水泄不通。其他人的讲演平均只有三分之二的听众。除了星期五晚讲座外,法拉第还为儿童设立了专门的通俗讲演,在圣诞节期间举行,他的圣诞节讲座的主题之一是《蜡烛的化学史》。一个多世纪以来,曾经鼓舞了无数青年人,使他们从中获得快乐。这本书已被译成了许多种文字。  一旦有了可能,法拉第就拒绝大部分兼职工作,严格地削减社会活动,而把全部精力用于实验研究。人们得到的印象是,只有实验研究才是他真正的兴趣所在。他不参加任何社会活动,拒绝了许多授给他的荣誉,包括1857年要选他为皇家学会会长。
    法拉第成就最大的时期是1830至1839年,当时他是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。1821年他研究了奥斯特发现的电流的磁作用,作出了一项重大发现:磁作用的方向是与产生磁作用的电流的方向垂直的。法拉第还制成了一种电动机,证明了导线在恒定磁场内的转动。他甚至还证明了在地磁场内的这种转动。这个实验给他本人和他的同时代人都留下了深刻的印象。
    法拉第坚信,电与磁的关系必须被推广,如果电流能产生磁场,磁场也一定能产生电流。法拉第为此冥思苦想了十年。他做了许多次实验结果都失败了。直到1831年年底,他才取得了巨大的突破他发明了一种电磁电流发生器,这就是最原始的发电机。这时的法拉第不仅作出了跨时代的贡献而且奠定了未来电力工业的基础。
    曾有一个政治家问法拉第,他的发明有什么用处。他回答说:"我现在还不知道,但有一天你将从它们身上去抽税。"
    抗磁性是法拉第的另一大发现。许多物质在做成细针时会使自己的方向垂直于磁力线。而且它被磁铁的两极推开,这种行为是由很弱的力产生的,它要比作用在磁场中铁上的力弱得多。这是很值得仔细研究的一种现象,为此法拉第花费了好几个月来研究它。
    法拉第在他的一篇短文《对射线振动的一些想法》中包含了一些令人惊异的新的基本观点。到十八年后,麦克斯韦建立了光的电磁理论,他说:"法拉第教授在他的《对射线振动的一此些想法》一文中明确地提出了横向磁扰动的传播的概念而为顾正常的磁扰动。他提出的光的电磁理论,实质上和我在这篇文章中开始提出的是相同的,不同是只是在1846年还没有实验数据可以用来计算传播速度。"
    在十九世纪五十年代,法拉第的科学活动能力有所减弱。他又为记忆力和日益衰退而苦恼。他虽然仍能做些实验,但速度已不如前。他力图找出重力和电之间的相互作用,结果是否定的。但这探索从法拉第爱因斯坦,一直到现在,仍在继续进行。1862年法拉第做了最后一次实验,试图发现磁场对放在磁场内的光源发出的光线的影响,但结果是否定的,因为他用的仪器还不够灵敏,不能探测到这种微细的效应。三十年后,当时还是青年的塞曼,从阅读法拉第的实验计划受到启发,他用更精密的仪器重新做实验,,发现了塞曼效应,它是新原子物理学的先兆之一。
    1860年他发表了他最后一次圣诞节讲演,18645年他辞去了皇家学院教授职务。他于1867去世,终年七十六岁。
    法拉第被公认为最伟大的"自然哲学家"之一。法拉第的伟大成功也许部分地正是由于他所生活的时代。丰富的想象力加上足智多谋的实验才能,工作热情和相应的耐性,使他能够迅速地分辨假象,统观一切。他具有哲学思想,他在几何学和空间上的洞察力,以及善于持久思考的能力,正好补偿了他数学上的不足。在他留下来的笔记中,有下面一段话:
      "我一直冥思苦索什么是使哲学家获得成功的条件。是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉能力和机智吗?难道适度的自信和认真精神不是必要的条件吗?许多人的失败难道不是因为他们所向往的是猎取名望,而不是纯真地追求知识,以及因获得知识而使心灵得到满足的快乐吗?我相信,我已见到过许多人,他们是矢志献身于科学的高尚的和成功的人,他们为自己获得了很高名望,但是还有一种此在他们心灵上总是存在着妒忌或后悔的阴影,我不能设想一个人有了这种感情能够作出科学发现。至于天才及其威力,可能是存在的,我也相信是存在的,但是,我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过。不过我看到了许多人,如果他们真能严格要求自己,我想他们已成为有成就的实验哲学家了。"
    开尔文勋爵对法拉第非常了解,他在纪念法拉第的文章中说:"他的敏捷和活跃的品质,难以用言语形容。他的天才光辉四射,使他的出现呈现出智慧之光,他的神态有一种独特之美,这有幸在他家里 -- 皇家学院见过他的任何人都会感觉到的,从思想最深刻的哲学家到最质朴的儿童。"

伏特 (1745-1827)



      伏特出生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里。他对科学的爱好似乎是自然而然发生的。十九岁时他写作了一首关于化学发现的六韵步的拉丁文小诗。伏特在青年时期就开始了电学实验,他读了许多书,他的好友加托尼送给他一些仪器,并在家里让出了一间房子来支持他的研究。伏特十六岁时开始与一些著名的电学家通信,其中有巴黎的诺莱和都灵的贝卡里亚。贝卡里亚是一位很有成就的国际知名的电学家,他劝告伏特少提出理论,多做实验。事实上,伏特年青时期的理论思想远不如他的实验重要。随着岁月的流逝,伏特对静电的了解至少可以和当时最好的电学家媲美。不久他就开始应用他的理论制造各种有独创性的仪器,用现代的话来讲,要点在于他对电量、电量或张力(如他自己所命名的)、电容以及关系式Q=CV都有了明确的了解。
    伏特制造的仪器的一个杰出例子是起电盘。一块导电板放在一个由摩擦起电的充电树脂"饼"上端,然后用一个绝缘柄与金属板接触,使它接地,再把它举起来,于是金属板就被充电到高电势,这个方法可以用来使莱顿瓶充电。这种操作可以不断地重复。这一发明是非常精巧的,以后发展成为一系列静电起电机。伏特强烈地感到,他必须定量地测定电量,于是他设计了一种静电计,这就是各种绝对电计的鼻祖,它能够以可重复的方式测量电势差。他还为他的静电计建立了一种刻度,根据电盘的发明,根据他的描述,我们可以确定他的单位是今天的13,350伏。1775年由于起电盘的发明,使伏特担任了科莫一些学校的物理教授。他的名声开始扩展到意大利以外,苏黎世物理学会选举他为会员. 伏特的兴趣并不只限于电学。他通过观察马焦雷湖附近沼泽地冒出的气泡,发现了沼气。他把对化学和电学的兴趣结合起来,制成了一种称为气体燃化的仪器,可以用电火花点燃一个封闭容器内的气体。他在三十二岁时去瑞士游历,见到了伏尔泰和一些瑞士物理学家。回来后他被任命为帕维亚大学物理学教授,这是伦巴第地区最著名的大学。他担任这个教授职务一直到退休,正是在那里他作出了他的划时代的发现。
    伏特于1792年去国外作另一次长途游历,到了德国、荷兰、法国和英国。他访问了一些最著名的同行,例如拉普拉斯和拉瓦锡(1743-1794),有时还和他们共同做实验。他当时还被选为法国科学院的通迅院士,不久又被选为伦敦皇家学会的外国会员。
    伏特在四十五岁生日后不久,读到了伽伐尼1791年的文章,这促使他去作出了最大的发明和发现。他开始还有些犹豫,但不久他就开始了工作,用伏特的话说,他实验的内容"超出了当时已知的一切电学知识,因而它们看来是惊人的"。起初他同意伽伐尼用蛙做莱顿瓶的观点,但几个月后,他开始怀疑蛙主要是一种探测器,而电源则在动物之外,他还注意到,如果两种相互接触的不同金属放在舌上,就会引起一种特殊的感觉,有的是酸性的,有时是碱性的。他假定,并且也能令我们惊叹的静电测量证明,两种不同的金属例如铜和锌接触时会得到不同的电势。 他测量了这种电势差,得到的结果与我们现在所知的它们之间的接触电势差没有多大差别。至少当连接肌肉和神经的金属电弧是双金属时,只要假定蛙是一种非常灵敏的静电计,伽伐尼实验就到了解释。当然,伽伐尼回答说,甚至当金属电弧是单金属的时,他也能够观察到肌肉的收缩。这是一种严峻的反对意见,伏特对这些指出了金属的不纯和其他原因来为自己辨解。
    伏特对这个问题进行了更深入的研究,使他发明了伏特电堆,这是历史上的神奇发明之一。伏特发现导电体可以分为两大类。第一类是金属,它们接触时会产生电势差;第二类是液体(在现代语言中称为电解质),它们与浸在里面的金属之间没有很大的电差。而且第二类导体互相接触时也不会产生明显的电势差,第一类导体可依次排列起来,使其中第一种相对于后面的一种是正的,例如锌对铜是正的,在一个金属链中,一种金属和最后一种金属之间的电势差是一样的,仿佛其中不存在任何中间接触,而第一种金属和最后一种金属直接接触似的。
    伏特最后得到了一种思想,他把一些第一种导体和第二种导体连接得使每一个接触点上产生的电势差可以相加。他把这种装置称为"电堆",因为它是由浸在酸溶液中的锌板、铜板和布片重复许多层而构成的。他在一封写给皇家学会会长班克斯(1743-1820)的著名信件中介绍了他的发明,用的标题是《论不同导电物质接触产生的电》。电堆能产生连续的电流,它的强度的数量级比从静电起电机能得到的电流大,由此开始了一场真正的科学革命。
    伏特最伟大的成就是在他达到相当高龄(五十五岁)时得到的,它立即引起所有物理学家的欢呼。1801年他去巴黎,在法国科学院表演了他的实验,当时拿破仑也在场,他立即下令授予伏特一枚特制金质奖章和一份养老金,于是伏特成为拿破仑的被保护人, 正如二十年前,他曾经是奥地利皇帝约瑟夫二世的被保护人一样。1804年他要求辞去帕维亚大学教授而退休时,拿破仑拒绝了他的要求,赐予他更多的名誉和金钱,并授予他伯爵称号。他对政治毫不关心,只专心于他的研究。
    伏特在完成了电堆工作后,实际上就从舞台上消失了。对他的发现的利用完全落在其他人身上。他可能是年纪太大了,无法再与年青的新生力量竞争,也可能在心理上受到了他以前的巨大成就的阻碍。他没有脱离过学校,他的工作可能太个人化了,他的著作与教学中缺乏正规的数学,可能限制了他表达自己思想的能力。伏特最后八年是在他的坎纳戈别墅和科莫附近度过的,他完全过一种隐居的生活。1827年伏特去世,终年八十二岁。

库仑 (1736-1806)



      电学是物理学的一个重要分枝,在它的发展过程中,很多物理学巨匠都曾作出过杰出的贡献。法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑就是其中影响力非常巨大的一员。
    库仑在1736年6月14日生于法国昂古莱姆。库仑家里很有钱,在青少年时期,他就受到了良好的教育。他后来到巴黎军事工程学院学习,离开学校后,他进入西印度马提尼克皇家工程公司工作。工作了八年以后,他又在埃克斯岛瑟堡等地服役。这时库仑就已开始从事科学研究工作,他把主要精力放在研究工程力学和静力学问题上。
    他在军队里从事了多年的军事建筑工作,为他1773年发表的有关材料强度的论文积累了材料。在这篇论文里,库仑提出了计算物体上应力和应变的分布的方法,这种方法成了结构工程的理论基础,一直沿用到现在。
    1777年法国科学院悬赏,征求改良航海指南针中的磁针的方法。库仑认为磁针支架在轴上,必然会带来磨擦,要改良磁针,必须从这根本问题着手。他提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。同时他对磁力进行深入细致的研究,特别注意了温度对磁体性质的影响。他又发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系,从而可利用这种装置算出静电力或磁力的大小。这导致他发明了扭秤,扭秤能以极高的精度测出非常小的力。由于成功地设计了新的指南针结构以及在研究普通机械理论方面作出的贡献,1782年,他当选为法国科学院院士。为了保持较好的科学实验条件,他仍在军队中服务,但他的名字在科学界已为人所共知。
    库仑在1785年到1789年之间,通过精密的实验对电荷间的作用力作了一系列的研究,连续在皇家科学院备忘录中发表了很多相关的文章。
    1785年,库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。同年,他在给法国科学院的《电力定律》的论文中详细地介绍了他的实验装置,测试经过和实验结果。
    库仑的扭秤是由一根悬挂在细长线上的轻棒和在轻棒两端附着的两只平衡球构成的。当球上没有力作用时,棒取一定的平衡位置。如果两球中有一个带电,同时把另一个带同种电荷的小球放在它附近,则会有电力作用在这个球上,球可以移动,使棒绕着悬挂点转动,直到悬线的扭力与电的作用力达到平衡时为止。因为悬线很细,很小的力作用在球上就能使棒显著地偏离其原来位置,转动的角度与力的大小成正比。库仑让这个可移动球和固定的球带上不同量的电荷,并改变它们之间的距离:
    第一次,两球相距36个刻度,测得银线的旋转角度为36度。
    第二次,两球相距18个刻度,测得银线的旋转角度为144度。
    第三次,两球相距8.5个刻度,测得银线的旋转角度为575.5度。
    上述实验表明,两个电荷之间的距离为4:2:1时,扭转角为1:4:16。由于扭转角的大小与扭力成反比,所以得到:两电荷间的斥力的大小与距离的平方成反比。库仑认为第三次的偏差是由漏电所致。
    经过了这们巧妙的安排,仔细实验,反复的测量,并对实验结果进行分析,找出误差产生的原因,进行修正,库仑终于测定了带等量同种电荷的小球之间的斥力。
    但是对于异种电荷之间的引力,用扭称来测量就遇到了麻烦。因为金属丝的扭转的回复力矩仅与角度的一次方成比例,这就不能保证扭称的稳定。经过反复的思考,库仑发明了电摆。他利用与单摆相类似的方法测定了异种电荷之间的引力也与它们的距离的平方成反比。
    最后库仑终于找出了在真空中两个点电荷之间的相互作用力与两点电荷所带的电量及它们之间的距离的定量关系,这就是静电学中的库仑定律,即两电荷间的力与两电荷的乘积成正比,与两者的距离平方成反比。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律,它使电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名的。
    磁学中的库仑定律也是利用类似的方法得到的。1789年法国大革命爆发,库伦隐居在自己的领地里,每天全身心地投入到科学研究的工作中去。同年,他的一部重要著作问世,在这部书里,他对有两种形式的电的认识发展到磁学理论方面,并归纳出类似于两个点电荷相互作用的两个磁极相互作用定律。库仑以自己一系列的著作丰富了电学与磁学研究的计量方法,将牛顿的力学原理扩展到电学与磁学中。库仑的研究为电磁学的发展、电磁场理论的建立开拓了道路。这是他的扭秤在精密测量仪器及物理学的其它方面也得到了广泛的应用。
    库仑不仅在力学和电学上都做出了重大的贡献,做为一名工程师,他在工程方面也作出过重要的贡献。他曾设计了一种水下作业法。这种作业法类似于现代的沉箱,它是应用在桥梁等水下建筑施工中的一种很重要的方法。
    他还给我们留下了不少宝贵的著作,其中最主要的有《电气与磁性》一书,共七卷,于1785年至1789年先后公开出版发行。
    1806年8月23日,库仑因病在巴黎逝世,终年七十岁。
    库仑是十八世纪最伟大的物理学家之一,他的杰出贡献是永远也不会磨灭的。

焦耳 (1818-1889) 


十八世纪,人们对热的本质的研究走上了一条弯路,“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑,但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题,是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。
焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特,他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动,没有受过正规的教育。青年时期,在别人的介绍下,焦耳认识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦耳向他虚心学习了数学、哲学和化学,这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲了焦耳理论与实践相结合的科研方法,激发了焦耳对化学和物理的兴趣。
焦耳最初的研究方向是电磁机,他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机以提高工作效率。1837年,焦耳装成了用电池驱动的电磁机,但由于支持电磁机工作的电流来自锌电池,而锌的价格昂贵,用电磁机反而不如用蒸汽机合算。焦耳的最初目的虽然没有达到,但他从实验中发现电流可以做功,这激发了他进行深入研究的兴趣。
1840年,焦耳把环形线圈放入装水的试管内,测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验,他发现:导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后,俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果,从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此,该定律称为焦耳—楞次定律。
焦耳总结出焦耳—楞次定律以后,进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流产生的热在本质上应该是一致的。1843年,焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上,用电流计测量感生电流,把线圈放在装水的容器中,测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的,没有外界电源供电,水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果,整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。
上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系,经过反复的实验、测量,焦耳终于测出了热功当量,但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上,焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》,他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响,这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。
1844年,焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化,他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究,焦耳计算出了气体分子的热运动速度值,从理论上奠定了波义耳—马略特和盖—吕萨克定律的基础,并解释了气体对器壁压力的实质。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆生(后来受封为开尔文勋爵)共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时,大多数气体和空气的温度都要下降,这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被称为焦耳—汤姆生效应。
无论是在实验方面,还是在理论上,焦耳都是从分子动力学的立场出发进行深入研究的先驱者之一。
在从事这些研究的同时,焦耳并没有间断对热功当量的测量。1847年,焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验:他在量热器里装了水,中间安上带有叶片的转轴,然后让下降重物带动叶片旋转,由于叶片和水的磨擦,水和量热器都变热了。根据重物下落的高度,可以算出转化的机械功;根据量热器内水的升高的温度,就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。
焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验,测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。接着又用水银来代替水,不断改进实验方法,直到1878年,这时距他开始进行这一工作将近四十年了,他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。他在1849年用磨擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的,即为423.9千克重米/千卡。一个重要的物理常数的测定,能保持三十年而不作较大的更正,这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值,它比现在J的公认值 ——427千克米/千卡约小0.7%。在当时的条件下,能做出这样精确的实验来,说明焦耳的实验技能是多么的高超啊!
然而,当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时,他还是没有得到支持,很多科学家都怀疑他的结论,认为各种形式的能之间的转化是不可能的。直到1850年,其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律,他们的结论和焦耳相同,这时焦耳的工作才得到承认。
1850年,焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员。当时他三十二岁。两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不断进行着他的实验测量工作,遗憾的是,他的科学创造性,特别是在物理概念方面的创造性,过早地就减少了。1875年,英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是4.15,非常接近目前采用的值1卡=4.184焦耳。1875年,焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境,幸而他的朋友帮他弄到一笔每年200英镑的养老金,使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时,他的健康状况恶化,研究工作减慢了。1878年当他六十岁时,焦耳发表了他的最后一篇论文。1878年,焦耳退休。
焦耳活到了七十一岁。1889年10月11日,焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳,把功和能的单位定为焦耳。
在去世前两年,焦耳对他的弟弟的说,“我一生只做了两三件事,没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家,他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能,如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑,并以他的名字命名能量单位,他将会感到惊奇的,虽然后人决不会感到惊奇

麦克斯韦

 (1831-1879) 


    麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。
麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡,他的父亲原是律师,但他的主要兴趣是在制作各种机械和研究科学问题,他这种对科学的强烈爱好,对麦克斯韦一生有深刻的影响。麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学, 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》,反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理,三年后,他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时,打下了扎实的数学基础,为他尔后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。他阅读了W.汤姆生的科学著作,他十分赞同法拉第提出的新观点,并且精心研究法拉第的《电学的实验研究》一书。他以法拉第的力线概念为指导,透过这些似乎杂乱无章的实验记录,看出了它们之间实际上贯穿着一些简单的规律。于是,他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。在这篇论文中,法拉第的力线概念获得了精确的数学表述,并且由此导出了库仑定律和高斯定律。这篇文章还只是限于把法拉第的思想翻译成数学语言,还没有引导到新的结果。1862年他发表了第二篇论文《论物理力线》,不但进一步发展了法拉第的思想,扩充到磁场变化产生电场,而且得到了新的结果:电场变化产生磁场,由此预言了电磁波的存在,并证明了这种波的速度等于光速,揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文《电磁场的动力学理论》,从几个基本实验事实出发,运用场论的观点,以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。
麦克斯韦在总结前人工作的基础上,引入位移电流的概念,建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流(运动的电荷)、电场、磁场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程,麦克斯韦方程组表明,空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场,而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。麦克斯韦方程还说明,电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化,由此式可证明电微波在以太(即真空)中传播的速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合,而是由于光和电磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波,这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。
麦克斯韦被大多数近代物理学家看作是19世纪的科学家,但他对20世纪的物理学影响很大,他与牛顿和爱因斯坦齐名。1931年爱因斯坦在麦克斯韦生辰百年纪念会上曾指出:麦克斯韦的工作“是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作”,从而使物理现实的概念得到了改变。麦克斯韦提出的电磁辐射的概念和他的场方程组,是根据法拉第的电力线和磁力线的实验观察提出来的,从而引出了爱因斯坦的狭义相对论,并建立了质量和能量的等效性原理。使麦克斯韦成为历史上最伟大的科学家之一的工作是他关于电磁学的研究,麦克斯韦说,他最重要的工作是把法拉第的物理观点用数学表达出来。麦克斯韦曾表示电磁波是能在实验室内产生的,这种可能性首先由赫兹在1887年实现了,这时麦克斯韦以去世8年。所以,具有广泛应用价值的无线电工业实际上来源于麦克斯韦的著述。在电磁理论以外,麦克斯韦在物理学其他领域中也有重大贡献。20多岁时麦克斯韦曾写过一篇有关土星的论文证实土星外围的那些换都是由一块块不相粘附的物质组成的,100多年以后当一架“航行者”太空推测器到达土星周围时,证实了这一理论。1871年麦克斯韦被推选为卡文迪什讲座教授。他设计了卡文迪什实验室,而且亲自监督施工。
麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面,同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面,都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克(Max Plank l858—1947)指出的:“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上,永放光芒。从生地来说,他属于爱丁堡;从个性来说,他属于剑桥大学;从功绩来说,他属于全世界”。

欧姆 (1789-1854) 




乔治·西蒙·欧姆生于德国埃尔兰根城,父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识,并教给少年时期的欧姆,唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学,由于经济困难,中途缀学,到1813年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人,他长期担任中学教师,由于缺少资料和仪器,给他的研究工作带来不少困难,但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究,自己动手制作仪器。
欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发,导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为,电流现象与此相似,猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力,即现在所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源,但是因为电流不稳定,效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源,从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小,这在当时还是一个没有解决的难题。开始,欧姆利用电流的热效应,用热胀冷缩的方法来测量电流,但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来,巧妙地设计了一个电流扭秤,用一根扭丝悬挂一磁针,让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置;再用铋和铜温差电池,一端浸在沸水中,另一端浸在碎冰中,并用两个水银槽作电极,与铜线相连。当导线中通过电流时,磁针的偏转角与导线中的电流成正比。他将实验结果于1826年发表。1827年欧姆又在《电路的数学研究》一书中,把他的实验规律总结成如下公式:S=γE。式中S表示电流;E表示电动力,即导线两端的电势差,γ为导线对电流的传导率,其倒数即为电阻。
欧姆定律发现初期,许多物理学家不能正确理解和评价这一发现,并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视,经济极其困难,使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌,才引起德国科学界的重视。
欧姆在自己的许多著作里还证明了:电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面积和传导性成反比;在稳定电流的情况下,电荷不仅在导体的表面上,而且在导体的整个截面上运动。
人们为纪念他,将测量电阻的物理量单位以欧姆的姓氏命名。

安培 (1775-1836)



          安培(André Marie Ampè 1775~1836年),法国物理学家,对数学和化学也有贡献。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。年少时就显出数学才能。他的父亲信奉J.J.卢梭的教育思想,供给他大量图书,令其走自学的道路,于是他博览群书,吸取营养;卢梭关于植物学的著作燃起了他对科学的热情。
    科学成就
    1.安培最主要的成就是1820~1827年对电磁作用的研究。
    ①发现了安培定则
    奥斯特发现电流磁效应的实验,引起了安培注意,使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动,他全部精力集中研究,两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告,以后这个定则被命名为安培定则。
    ②发现电流的相互作用规律
    接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引,电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。
    ③发明了电流计
    安培还发现,电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,创制出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。
    ④提出分子电流假说
    他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。提出了著名的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流——分子电流。由于分子电流的存在,每个磁分子成为小磁体,两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的,它们产生的磁场互相抵消,对外不显磁性。当外界磁场作用后,分子电流的取向大致相同,分子间相邻的电流作用抵消,而表面部分未抵消,它们的效果显示出宏观磁性。安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实,它带有相当大的臆测成分;在今天已经了解到物质由分子组成,而分子由原子组成,原子中有绕核运动的电子,安培的分子电流假说有了实在的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。
    ⑤总结了电流元之间的作用规律——安培定律
    安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律,描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这定律称为安培定律。安培第一个把研究动电的理论称为“电动力学”,1827年安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中。这是电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献,电流的单位“安培”以他的姓氏命名。
    他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微方程;他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘,导出过阿伏伽德罗定律,论证过恒温下体积和压强之间的关系,还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。
    3.“电学中的牛顿”
    安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中,成为电磁学史上一部重要的经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一,还把安培誉为“电学中的牛顿”。
    安培还是发展测电技术的第一人,他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器,以后经过改进称电流计。
    安培在他的一生中,只有很短的时期从事物理工作,可是他却能以独特的、透彻的分析,论述带电导线的磁效应,因此我们称他是电动力学的先创者,他是当之无愧的。

高斯 (1777-1855)



       高斯是德国数学家 ,也是科学家,他和牛顿、阿基米德,被誉为有史以来的三大数学家。高斯是近代数学奠基者之一,在历史上影响之大, 可以和阿基米德、牛顿、欧拉并列,有“数学王子”之称。
    他幼年时就表现出超人的数学天才。1795年进入格丁根大学学习。第二年他就发现正十七边形的尺规作图法。并给出可用尺规作出的正多边形的条件,解决了欧几里得以来悬而未决的问题。
    高斯的数学研究几乎遍及所有领域,在数论、代数学、非欧几何、复变函数和微分几何等方面都做出了开创性的贡献。他还把数学应用于天文学、大地测量学和磁学的研究,发明了最小二乘法原理。高理的数论研究 总结 在《算术研究》(1801)中,这本书奠定了近代数论的基础,它不仅是数论方面的划时代之作,也是数学史上不可多得的经典着作之一。高斯对代数学的重要贡献是证明了代数基本定理,他的存在性证明开创了数学研究的新途径。高斯在1816年左右就得到非欧几何的原理。他还深入研究复变函数,建立了一些基本概念发现了着名的柯西积分定理。他还发现椭圆函数的双周期性,但这些工作在他生前都没发表出来。1828年高斯出版了《关于曲面的一般研究》,全面系统地阐述了空间曲面的微分几何学,并提出内蕴曲面理论。高斯的曲面理论后来由黎曼发展。 高斯一生共发表155篇论文,他对待学问十分严谨,只是把他自己认为是十分成熟的作品发表出来。其著作还有《地磁概念》和《论与距离平方成反比的引力和斥力的普遍定律》等。
    高斯最出名的故事就是他十岁时,小学老师出了一道算术难题:“计算1+2+3…+100=?”。 这可难为初学算术的学生,但是高斯却在几秒后将答案解了出来,他利用算术级数(等差级数)的对称性,然后就像求得一般算术级数和的过程一样,把数目一对对的凑在一起:1+100,2+ 99,3+98,……49+52,50+51 而这样的组合有50组,所以答案很快的就可以求出是: 101×50=5050。
    1801年高斯有机会戏剧性地施展他的优势的计算技巧。那年的元旦,有一个后来被证认为小行星并被命名为谷神星的天体被发现当时它好像在向太阳靠近,天文学家虽然有40天的时间可以观察它,但还不能计算出它的轨道。高斯只作了3次观测就提出了一种计算轨道参数的方法,而且达到的精确度使得天文学家在1801年末和1802年初能够毫无困难地再确定谷神星的位置。高斯在这一计算方法中用到了他大约在1794年创造的最小二乘法(一种可从特定计算得到最小的方差和中求出最佳估值的方法在天文学中这一成就立即得到公认。他在《天体运动理论》中叙述的方法今天仍在使用,只要稍作修改就能适应现代计算机的要求。高斯在小行星”智神星”方面也获得类似的成功。
    由于高斯在数学、天文学、大地测量学和物理学中的杰出研究成果,他被选为许多科学院和学术团体的成员。“数学之王”的称号是对他一生恰如其分的赞颂。

卡文迪什 (1731-1810) 


卡文迪什(Henry Cavendish)英国物理学家和化学家。1731年10月10日生于法国尼斯。1749年考人剑桥大学,1753年尚未毕业就去巴黎留学。后回伦敦定居,在他父亲的实验室中做了许多电学和化学方面的研究工作。1760年被选为英国皇家学会会员。1803年当选为法国科学院外国院土。卡文迪什毕生致力于科学研究,从事实验研究达50年之久,性格孤僻,很少与外界来往。卡文迪什的主要贡献有:1781年首先制得氢气,并研究了其性质,用实验证明它燃烧后生成水。但他曾把发现的氢气误认为燃素,不能不说是一大憾事。1785年卡文迪什在空气中引入电火花的实验使他发现了一种不活泼的气体的存在。他在化学、热学、电学、万有引力等方面进行地行多成功的实验研究,但很少发表,过了一个世纪后,麦克斯韦整理了他的实验论文,并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪什的电学研究》一书,此后人们才知道卡文迪什做了许多电学实验。麦克斯韦说:“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”
早在库仑之前,卡文迪什已经研究了电荷在导体上的分布问题。1777年,他向皇家学会提出报告说:“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方,如果是这样的话,那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方,而且这些电紧紧地压在一起,物体的其余部分处于中性状态。”他还通过实验证明电荷之间的作用力。他还早于法拉第用实验证明电容器的电容取决于两极板之间的物质。他最早建立电势概念,指出导体两端的电势与通过它的电流成正比(欧姆定律在1827年才确立)。当时还无法测量电流强度,据说他勇敢地用自己的身体当作测量仪器,以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。
卡文迪什的重大贡献之一是1798年完成了测量万有引力的扭秤实验,后世称为卡文迪什实验。他改进了英国机械师米歇尔(John Michell,1724~1793)设计的扭秤,在其悬线系统上附加小平面镜,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球,另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。他算出的地球密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5.517g/cm3),由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10-11 Nm2/kg2(现代值前四位数为6.672)。这一实验的构思、设计与操作十分精巧,英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语:“开创了弱力测量的新时代”。
卡文迪什在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧,并确定了空气中氧、氮的含量,证明水不是元素而是化合物。他被称为“化学中的牛顿”。
卡文迪什一生在自己的实验室中工作,被称为“最富有的学者,最有学问的富翁”。卡文迪什于1810年2月24日去世。
后来,他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪什将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室,它最初是以 H.卡文迪什命名的物理系教学实验室,后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心,并以整个卡文迪什家族命名。该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探索,其中关键性设备都提倡自制。近百年来卡文迪什实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆孙、卢瑟福等先后主持过该实验室。

开普勒 (1571-1630) 




     开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科学史家称为“天上的立法者”。
开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭,开普勒是一个早产儿,体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸,四岁时患上了天花和猩红热,虽侥幸死里逃生,身体却受到了严重的摧残,视力衰弱,一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神,但一直坚持努力学习,成绩一直名列前茅。
     1587年进入蒂宾根大学,在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下,很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后,开普勒获得了天文学硕士的学位,被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来,由于学校被天主教会控制,开普勒离开神学院前往布拉格,与卓越的天文观察家第谷一起专心地从事天文观测工作。正是第谷发现了开普勒的才能。在第谷的帮助和指导下,开普勒的学业有了巨大的进步。第谷死后,开普勒接替了他的职位,被聘为皇帝的数学家。然而皇帝对他十分悭吝,给他的薪俸仅仅是第谷的一半,还时常拖欠不给。他的这一点点收入不足以养活年迈的母亲和妻儿,因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断过自己的科学研究,并且在这种艰苦的环境下取得了天文学上的累累成果。
早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响,以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的五个正多面体,跟当时巳知的六颗行星的轨道套迭,从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有六颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表,定名为《宇宙的秘密》。这个设想虽带有神秘主义色彩,但却也是一个大胆的探索。
第谷最大的天文学成就就是发现了开普勒。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒,再三叮嘱开普勒要继续他的工作,并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研究工作。
后来,开普勒在伽利略的影响下,通过对行星运动进行深入的研究,抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说,逐步走上真理和科学的轨道。
对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中,火星的资料是最丰富的,而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始,开普勒用正圆编制火星的运行表,发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后,他找到了与事实较为符合的方案。可是,依照这个方法来预测卫星的位置,却跟第谷的数据不符,产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针0.02秒瞬间转过的角度。开普勒知道第谷的实验数据是可信的,那错误出在什么地方呢?
正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。他敏感的意识到火星的轨道并不是一个圆周。随后,在进行了多次实验后,开普勒将火星轨道确定为椭圆,并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆,断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关。
这样就得出了关于行星运动的第二条定律:“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”这两条定律,刊登于1609年出版的《新天文学》一书。书中他还指出,这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。1612年,开普勒的保护人鲁道夫二世被迫退位,因此他也离开布拉格,去奥地利的林茨。当地专门为他设立了一个数学家的职务。
经过长期繁复的计算和无数次失败,他终于发现了行星运动的第三条定律:“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石,并导致数十年后万有引力定律的发现。
1604年9月30日在蛇夫座附近出现一颗新星,最亮时比木星还亮。开普勒对这颗新星进行了17个月的观测并发表了观测结果。历史上称它为开普勒新星(这是一颗银河系内的超新星)。1607年,他观测了一颗大彗星,就是后来的哈雷彗星。
不仅在天文学上,开普勒在在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像,并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒研究过光的折射问题,认为折射的大小不能单单从物质密度的大小来考虑。例如油的密度比水的密度小,而它的折射却比水的折射大。1611年,开普勒发表了《折光学》一书,阐述了光的折射原理,为折射望远镜的发明奠定了基础。他最早提出了光线和光束的表示法,还成功地改进了望远镜。开普勒还对人的视觉进行了研究,纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛的发射出光的错误观点。他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的水晶体投射在视网膜上,并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。1604年发表《对威蒂略的补充--天文光学说明》。1611年出版《光学》一书,这是一本阐述近代望远镜理论的著作。他把伽里略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜,这种望远镜被称为开普勒望远镜。
开普勒还发现大气折射的近似定律,用很简单的方法计算大气折射,并且说明在天顶大气折射为零。他最先认为大气有重量,并且正确地说明月全食时月亮呈红色是由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上而造成的。
他出版的《哥白尼天文学概要》叙述他对宇宙结构和大小的观点;在《彗星论》中,他指出彗尾总是背着太阳,是因为太阳光排斥彗头的物质所造成;1627年出版的《鲁道夫星表》是根据他的行星运动定律和第谷的观测资料编制的。根据此表可以知道行星的位置,其精度比以前的任何星表都高,直到十八世纪中叶,它一直被视为天文学上的标准星表。
他于1629年出版的《稀奇的1631年天象》中预言1631年11月7日水星凌日现象,12月6日金星也将凌日,果然如期观测到了水星凌日,而金星凌日西欧看不到。1630年,他几个月领不到薪水,经济困难,不得不亲自前往雷根斯堡索取。在那里突然高烧,几天后在贫病交困中去世。 
晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。1625年,他写了题为《为第谷.布拉赫申辩》的著作,驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击,因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的着作列为禁书。1626年,一群天主教徒保围了开普勒的住所,扬言要处决他。后来,开普勒因为曾担任皇帝的数学家而幸免遇难。
1630年11月,因数月未得到薪金,生活难以维持,年迈的开普勒不得不亲自到雷根斯堡索取。不幸的是,他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日,开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时,除一些书籍和手稿之外,身上仅剩下了7分尼(1马克等于100分尼)。
开普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂,战争过后,他的坟墓已当然无存。但他突破性的天文学理论,以及他不懈探索宇宙的精神却成为了后人铭记他的最好的丰碑。
开普勒所处的年代正值欧洲从封建主义社会向资本主义社会转变的时期。在科学与神权的斗争中,开普勒坚定地站在了科学的一边,用自己孱弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念,推动了唯物主义世界观的发展,使人类科学向前跨进了一大步。马克思高度评价了开普勒的品格,称他是自己所喜爱的英雄。

惠更斯 (1629-1695)



         荷兰物理学家、天文学家、数学家。是与牛顿同一时代的科学家,是历史上最著名的物理学家之一,他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献,在数学和天文学方面也有卓越的成就,是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律,提出动量守恒原理,改进了计时器。
    1629年4月14 日出生于海牙。父亲是大臣和诗人,与R.笛卡儿等学界名流交往甚密。惠更斯自幼聪慧,13岁时曾自制一台车床,表现出很强的动手能力。1645~1647年在莱顿大学 学习法律与数学,1647~1649年转入布雷达学院深造。 在阿基米德等人著作及笛卡儿等人直接影响下,致力于 力学、光学、天文学及数学的研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来,透彻地解决问题,因此在摆钟的 发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等 方面都有突出成就。1663年他被聘为英国皇家学会第一 个外国会员,1666年刚成立的法国皇家科学院选他为院士。惠更斯体弱多病,一心致力于科学事业,终生未婚。 1695年7月8日在海牙逝世。
    惠更斯曾首先集中精力研究数学问题,惠更斯在数学上有出众的天才,早在22岁时就发表过关于计算圆周长、椭圆弧及双曲线的著作。他对各种平面曲线,如悬链线、曳物线、对数螺线等都进行过研究,还在概率论和微积分方面有所成就。
    1657年发表的《论赌博中的计算》,就是一篇关于概率论的科学论文,显示了他在数学上的造诣。从1651年起,对于圆、二次曲线、复杂曲线、悬链线、概率问题等发表了一些论著,他还研究了浮体和求各种形状物体的重心等问题。
    摆的研究和运用
    对摆的研究是惠更斯所完成的最出色的物理学工作。多少世纪以来,时间测量始终是摆在人类面前的一个难题。当时的计时装置诸如日规、沙漏等均不能在原理上保持精确。直到伽利略发现了摆的等时性,惠更斯将摆运用于计时器,人类才进入一个新的计时时代。
    当时,惠更斯的兴趣集中在对天体的观察上,在实验中,他深刻体会到了精确计时的重要性,因而便致力于精确计时器的研究。当年伽利略曾经证明了单摆运动与物体在光滑斜面上的下滑运动相似,运动的状态与位置有关。惠更斯进一步确证了单摆振动的等时性并把它用于计时器上,制成了世界上第一架计时摆钟。这架摆钟由大小、形状不同的一些齿轮组成,利用重锤作单摆的摆锤,由于摆锤可以调节,计时就比较准确。在他随后出版的《摆钟论》一书中,惠更斯详细地介绍了制作有摆自鸣钟的工艺,还分析了钟摆的摆动过程及特性,首次引进了“摆动中心”的概念。他指出,任一形状的物体在重力作用下绕一水平轴摆动时,可以将它的质量看成集中在悬挂点到重心之连线上的某一点,以将复杂形体的摆动简化为较简单的单摆运动来研究。
    惠更斯在他的《摆钟论》中还给出了他关于所谓的“离心力”的基本命题。他提出:一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向,它向中心施加的离心力与速度的平方成正比,与运动半径成反比。这也是他对有关的伽利略摆动学说的扩充。
    在研制摆钟时,惠更斯还进一步研究了单摆运动,他制作了一个秒摆(周期为2秒的单摆),导出了单摆的运动公式。在精确地取摆长为3.0565英尺时,他算出了重力加速度为9.8米/秒2。这一数值与现在我们使用的数值是完全一致的。
    后来,惠更斯和胡克还各自发现了螺旋式弹簧丝的振荡等时性,这为近代游丝怀表和手表的发明创造了条件。
    光的波动说
    在古代和中世纪的漫长岁月里,光是哲学家和自然科学家十分关心的问题。
    到了十七世纪,科学家们对光学现象进行了研究,他们通过出色的实验工作,奠定了近代物理学的基础。这个时期,曾经发生了一场关于光的本性问题的讨论。
    惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年,他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说,如果光是微粒性的,那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象,而且利用微粒说解释折射现象,将得到与实际相矛盾的结果。因此,惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说,建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上,他推倒出了光的反射和折射定律,圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因,同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象,认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。
        惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在,却不能对这些现象作出解释 ,也就是它可以确定光波的传播方向,而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此,惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。直到后来,菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充,创立了“惠更斯--菲涅耳原理”,才较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。
    惠更斯在天文学方面有着很大的贡献。他把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上。当惠更斯还在荷兰的时候,就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地设计和磨制出了望远镜的透镜,进而改良了开普勒的望远镜。惠更斯利用自己研制的望远镜进行了大量的天文观测。因此,他得到的报酬是解开了一个由来已久的天文学之谜。伽利略曾通过望远镜观察过土星,他发现了“土星有耳朵”,后来又发现了土星的“耳朵”消失了。伽利略以后的科学家对此问题也进行过研究,但都未得要领。“土星怪现象”成为了天文学上的一个谜。当惠更斯将自己改良的望远镜对准这颗行星时,他发现了在土星的旁边有一个薄而平的圆环,而且它很倾向地球公转的轨道平面。伽利略发现的“土星耳朵”消失,是由于土星的环有时候看上去呈现线状。以后惠更斯又发现了土星的卫星--土卫六,并且还观测到了猎户座星云、火星极冠等。
    在力学方面的研究,惠更斯是以伽利略所创建的基础为出发点的。在《论摆钟》一书中还论述了关于碰撞的问题。大约在1669年,惠更斯就已经提出解决了碰撞问题的一个法则——“活力”守恒原理,它成为能量守恒的先驱。惠更斯继承了伽利略的单摆振动理论,并在此基础上进一步研究。他把几何学带进了力学领域,用令人钦佩的方法处理力学问题,得到了人们的充分肯定。

开尔文 (1824-1907) 


开尔文是英国著名物理学家、发明家,原名W.汤姆孙。他是本世纪的最伟大的人物之一,是一个伟大的数学物理学家兼电学家。他被看作英帝国的第一位物理学家,同时受到世界其他国家的赞赏。他的一生获得了一切可能给予的荣誉。而他也无愧于这一切,这是他在漫长的一生中所作的实际努力而获得的。这些努力使他不仅有了名望和财富,而且赢得了广泛的声誉。 
1824年6月26日开尔文生于爱尔兰的贝尔法斯特。他从小聪慧好学,10岁时就进格拉斯哥大学预科学习。17岁时,曾立志:“科学领路到哪里,就在哪里攀登不息”。1845年毕业于剑桥大学,在大学学习期间曾获兰格勒奖金第二名,史密斯奖金第一名。毕业后他赴巴黎跟随物理学家和化学家V.勒尼奥从事实验工作一年,1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学(物理学当时的别名)教授,任职达53年之久。由于装设第一条大西洋海底电缆有功,英政府于1866年封他为爵士,并于1892年晋升为开尔文勋爵,开尔文这个名字就是从此开始的。1890~1895年任伦敦皇家学会会长。1877年被选为法国科学院院士。1904年任格拉斯哥大学校长,直到1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世为止。
  开尔文研究范围广泛,在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做出了贡献。他一生发表论文多达600余篇,取得70种发明专利,他在当时科学界享有极高的名望,受到英国本国和欧美各国科学家、科学团体的推崇。他在热学、电磁学及它们的工程应用方面的研究最为出色。
  开尔文是热力学的主要奠基人之一,在热力学的发展中作出了一系列的重大贡献。他根据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论于1848年创立了热力学温标。他指出:“这个温标的特点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质。”这是现代科学上的标准温标。他是热力学第二定律的两个主要奠基人之一(另一个是克劳修斯),1851年他提出热力学第二定律:“不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。”这是公认的热力学第二定律的标准说法。并且指出,如果此定律不成立,就必须承认可以有一种永动机,它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功,即所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言,能量耗散是普遍的趋势。1852年他与焦耳合作进一步研究气体的内能,对焦耳气体自由膨胀实验作了改进,进行气体膨胀的多孔塞实验,发现了焦耳-汤姆孙效应,即气体经多孔塞绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成为获得低温的主要方法之一,广泛地应用到低温技术中。1856年他从理论研究上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。这一现象后叫汤姆孙效应。
在电学方面,汤姆孙以极高明的技巧研究过各种不同类型的问题,从静电学到瞬变电流。他揭示了傅里叶热传导理论和势理论之间的相似性,讨论了法拉第关于电作用传播的概念,分析了振荡电路及由此产生的交变电流。他的文章影响了麦克斯韦,后者向他请教,希望能和他研究同一课题,并给了他极高的赞誉。
  开尔文在电磁学理论和工程应用上研究成果卓著。1848年他发明了电像法,这是计算一定形状导体电荷分布所产生的静电场问题的有效方法。他深人研究了莱顿瓶的放电振荡特性,于1853年发表了《莱顿瓶的振荡放电》的论文,推算了振荡的频率,为电磁振荡理论研究作出了开拓性的贡献。他曾用数学方法对电磁场的性质作了有益的探讨,试图用数学公式把电力和磁力统一起来。1846年便成功地完成了电力、磁力和电流的“力的活动影像法”,这已经是电磁场理论的雏形了(如果再前进一步,就会深人到电磁波问题)。他曾在日记中写道:“假使我能把物体对于电磁和电流有关的状态重新作一番更特殊的考察,我肯定会超出我现在所知道的范围,不过那当然是以后的事了。”他的伟大之处,在于能把自己的全部研究成果,毫无保留地介绍给了麦克斯韦,并鼓励麦克斯韦建立电磁现象的统一理论,为麦克斯韦最后完成电磁场理论奠定了基础。
  他十分重视理论联系实际。1875年预言了城市将采用电力照明,1879年又提出了远距离输电的可能性。他的这些设想以后都得以实现。1881年他对电动机进行了改造,大大提高了电动机的实用价值。在电工仪器方面,他的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准和设计各种精密的测量仪器。他发明了镜式电流计(大大提高了测量灵敏度)、双臂电桥、虹吸记录器(可自动记录电报信号)等等,大大促进了电测量仪器的发展。根据他的建议,1861年英国科学协会设立了一个电学标准委员会,为近代电学量的单位标准奠定了基础。在工程技术中,1855年他研究了电缆中信号传播情况,解决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题。经过三次失败,历经两年的多方研究与试验,终于在1858年协助装设了第一条大西洋海底电缆,这是开尔文相当出名的一项工作。他善于把教学、科研、工业应用结合在一起,在教学上注意培养学生的实际工作能力。在格拉斯哥大学他组建了英国第一个为学生用的课外实验室。
汤姆孙还将物理学用到完全不同的领域。他研究过太阳热能的起源和地球的热平衡。他的方法可靠而有趣,但只由于他不知道太阳和地球上的能量来自核能,因而不可能得到正确的结论。他试图用落到太阳上的陨石或用引力收缩来解释太阳热能的起源。约在1854年,他估算太阳的"年龄"小于5×108年,而这只是我们现在知道的值的十分之一。
  从地球表面附近的温度梯度,汤姆孙试图推算出地球热的历史和年龄。他的估算仍然太低,仅为4×108年,而实际值约为5×109年。地质学家以地质现象的演变为理论根据,很快就发现他的估算是错误的。他们不能驳倒汤姆孙的数学,但他们肯定他的假定是错误的。同样,生物学家也发现汤姆孙给出的时间进程与最新的进化论的观念相悖。这一争论持续了多年,汤姆孙完全不理解别人的反对意见是正确的。最后,直到放射性和核反应的发现,才证明了汤姆孙假设的前提是完全错误的。
  流体力学特别是其中的涡旋理论成为汤姆孙最喜爱的学科之一,他受亥姆霍兹工作的启示,发现了一些有价值的定理。他航行的收获之一是在1876年发明了适用于铁船的特殊罗盘,这一发明后来为英国海军所采用,而且一直用到被现代回转罗盘代替为止。汤姆孙的企业生产了许多磁罗盘和水深探测仪,从中大为获利。
  基于他的实践经验和理论知识,汤姆孙感到迫切需要统一电学单位,公制的引入使法国革命向前跨了一大步,但是电学测量却产生了全新的问题。高斯和韦伯奠定了绝对单位制的理论基础,"绝对"意味着它们与特定的物质或标准无关,仅取决于普适的物理定律。在绝对单位制中如何确定刻度,如何选择合适的倍数因子使它能方便地应用于工业,如何劝说科技界共同接受这一单位制,所有这一切都是重要并且困难的任务。1861年英国科学协会任命一个委员会开始这项工作,汤姆孙是其中的一员。他们努力工作了许多年,一直到1881年,由汤姆孙和亥姆霍兹起主导作用的在巴黎召开的一次国际代表大会,和1893年,在芝加哥召开的另一次代表大会,才正式接受这一新的单位制,并采用伏特、安培、法拉和欧姆等作为电学单位,从此它们被普遍使用。然而,单位制的问题并未就此解决,后来的一些会议又改变了其中某些标准量的定义,它们的实际值也相应变动了,虽然这种变动是非常小的。
  开尔文一生谦虚勤奋,意志坚强,不怕失败,百折不挠。在对待困难问题上他讲:“我们都感到,对困难必须正视,不能回避;应当把它放在心里,希望能够解决它。无论如何,每个困难一定有解决的办法,虽然我们可能一生没有能找到。”他这种终生不懈地为科学事业奋斗的精神,永远为后人敬仰。1896年在格拉斯哥大学庆祝他50周年教授生涯大会上,他说:“有两个字最能代表我50年内在科学研究上的奋斗,就是‘失败’两字。”这足以说明他的谦虚品德。为了纪念他在科学上的功绩,国际计量大会把热力学温标(即绝对温标)称为开尔文(开氏)温标,热力学温度以开尔文为单位,是现在国际单位制中七个基本单位之一。
开尔文的一生是非常成功的,他可以算作世界上最伟大的科学家中的一位。他于1907年12月17日去世时,得到了几乎整个英国和全世界科学家的哀悼。他的遗体被安葬在威斯敏斯特教堂牛顿墓的旁边。

赫兹 (1857-1894)



       赫兹,德国物理学家,生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程,由于对自然科学的爱好,次年转入柏林大学,在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年,接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授,直到逝世。
    赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。
    赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重迭应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年,马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论,更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。
    1887年11月5日,赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中,总结了这个重要发现。接着,赫兹还通过实验确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并且实验了两列电磁波的干涉,同时证实了在直线传播时,电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加优美、对称,得出了麦克斯韦方程组的现代形式。此外,赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,发现了光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现,后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。
    1888年1月,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。
    1888年,成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它不仅证实了麦克斯韦发现的真理,更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。
    赫兹对人类文明作出了很大贡献,正当人们对他寄以更大期望时,他却于1894年元旦因血中毒逝世,年仅36岁。为了纪念他的功绩,人们用他的名字来命名各种波动频率的单位,简称“赫”。

玻意耳 (1627-1691)



          玻意耳(Robert Boyle)英国化学家和自然哲学家。伦敦皇家学会创始人之一,由于研究气体性质而闻名,是近代化学元素理论的先驱。
    玻意耳出生于爱尔兰的利斯莫尔。幼年就聪慧过人,有超人的记忆力和非凡的语言才能。当时他还经常参加一些著名科学家的聚会,去听他们就一些科学问题的讨论,但他主张“实验决定一切”。
    1661年6月18日玻意耳公布了他的实验结果--“空气是可以压缩的”。而且这种可压缩性与加在气体上的压强成简单的反比关系。这就是人们所熟知的玻意耳定律,这个定律因为在14年后又为法国科学家马略特独立的发现,故用他们两个人的名字命名,称为玻意耳-马略特定律。
    1657年当他听到葛利克所做的实验后,便着手设计他自己的抽气泵。在精明强干的助手R.胡克的帮助下,他成功地制造了抽气泵,得以进行了许多开拓性实验。由这种空气泵获得的真空一度被叫做玻意耳真空。1668年后他移居伦敦,埋头从事化学实验和研究,取得了一系列成就。他是第一位收集气体的化学家。此外,他在1662年发现:空气不但可以压缩,而且这种可压缩性按一简单的反比关系随压强而变化。如果将一定量的气体置于两倍压强之下,则气体的体积减少一半;如果压强增大到3倍,气体的体积就减少到三分之一。反之,如压力减小,气体则膨胀。这个反比关系被称为玻意耳定律。
    他改进了盖利克发明的真空泵,利用它进行了一系列气体性质的开拓性实验。例如,他曾将真空泵放在屋顶,水管放在地面的大水罐内,发现当水银气压计指示29英寸时,水不可能被提升到33英尺以上。1660年他将实验结果汇编成册,出版了他的第一部著作《涉及空气弹性及其效果的新物理——力学实验》。他用实验论证了空气是有重量和弹性(当时玻意耳称之为弹力)的物质。论证了空气对于燃烧、呼吸和传声是必不可少的。论证了压强对水的沸点的影响,指出当使周围的空气稀薄时热水就能沸腾起来。论证了细管中液体的上升(即毛细现象)是和大气压力无关的,这与当时的观点截然相反。论证了真空中虹吸失效。还研究了空气的比重、折射率等等。这本书引起了耶稣教徒的诘难,认为其中有诈。玻意耳在助手R.汤利的协助下做了实验,通过实验不但证实了“空气的弹性有能力作出远远超过我们需要归之于它的事实”。
    他最重要的化学著作是1661年发表的《怀疑的化学家》,此书标志着近代化学从炼金术中脱胎出来。从玻惫耳开始化学被看做是一门理论科学,它不再是经验记忆。因此,恩格斯说:“是玻意耳把化学确立为科学”。对旧的元素概念的清除,是玻意耳对近代化学的第二个贡献。他认为无论是亚里士多德的“土、气、火、水四元素”理论和帕拉采尔苏斯的医学化学家们的“盐、硫、汞三要素”学说,都不能看做是化学元素,只有那些由复合物分解后,得到的最终产物才能被看成为元素。他还差一点成为化学元素磷的发现者,1680年,他从尿中提取了磷。但是在此之前大约5~10年问,布兰德(Brand,H.1630~?,德国化学家〕先于玻意耳作出此项发现。究竟谁先发现了磷,发生了激烈争论,这主要是因为研究者对其发现保密所致。玻意耳坚决主张一切实验成果应该清楚而迅速地予以报道,以便让其他人重做、证实和受益。从那以后,这一主张就成为一条公认的科学原则。玻意耳运用实验主义的哲学来研究物质以及使其所能发生的变化,从这个意义上讲,玻意耳堪称化学之父。然而,这项改革并不彻底,直到一个世纪后的拉瓦锡才彻底完成。

帕斯卡 (1623-1662)



          帕斯卡(Pascal,Blaise),法国数学家、物理学家、近代概率论的奠基者。他提出一个关于液体压力的定律,后人称为帕斯卡定律。他建立的直觉主义原则对于后来一些哲学家,如卢梭和伯格森等都有影响。
    帕斯卡生于法国奥弗涅的克莱蒙费朗,帕斯卡从小就智力高人一等,12岁时就爱上数学,他父亲是一位受人尊敬的数学家,在其精心地教育下,帕斯卡很小时就精通欧几里得几何,他自己独立地发现出欧几里得的前32条定理,而且顺序也完全正确。12岁独自发现了 “三角形的内角和等于180度”后,开始师从父亲学习数学。16岁就参加巴黎数学家和物理学家小组(法国科学院的前身),17岁时写成数学水平很高的《圆锥截线论》一文,这是他研究德扎尔格关于综合射影几何的经典工作的结果。笛卡儿坚决不相信16岁的孩子能够写出来这样的书,帕斯卡反过来也不承认笛卡儿的解析几何的价值。1642年,刚满19岁的他,设计制造了世界上第一架机械式计算装置——使用齿轮进行加减运算的计算机,原只是想帮助他父亲计算税收用,这是他为了减轻父亲计算中的负担,动脑筋想出来的,却因此而闻名于当时,它成为后来的计算机的雏型。在加法机研制成功之后,帕斯卡认为:人的某些思维过程与机械过程没有差别,因此可以设想用机械模拟人的思维活动。
    1646年前帕斯卡一家都信奉天主教。由于他父亲的一场病,使他同一种更加深奥的宗教信仰方式有所接触,对他以后的生活影响很大。帕斯卡和数学家费马通信,他们一起解决某一个上流社会的赌徒兼业余哲学家送来的一个问题,他弄不清楚他赌掷三个骰子出现某种组合时为什么老是输钱。在他们解决这个问题的过程中,奠定了近代概率论的基础。在他暂短的一生中作出了许多贡献,以在数学及物理学中的贡献最大。1646年他为了检验意大利物理学家伽利略和托里拆利的理论,制作了水银气压计,在能俯视巴黎的克莱蒙费朗的山顶上反复地进行了大气压的实验,为流体动力学和流体静力学的研究铺平了道路。实验中他为了改进托里拆利的气压汁,他在帕斯卡定律的基础上发明了注射器,并创造了水压机。他关于真空问题的研究和著作,更加提高了他的声望。他从小就体质虚弱,又因过度劳累而使疾病缠身。然而正是他在病休的1651~1654年间,紧张地进行科学工作,写成了关于液体平衡、空气的重量和密度及算术三角形等多篇论文,后一篇论文成为概率论的基础。在1655~1659年间还写了许多宗教著作。晚年,有人建议他把关于旋轮线的研究结果发表出来,于是他又沉浸于科学兴趣之中,但从1659年2月起,病情加重,使他不能正常工作,而安于虔诚的宗教生活。最后,在巨大的病痛中逝世。
    帕斯卡定律是流体(气体或液体)力学中,指封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁。帕斯卡首先阐述了此定律。压强等于作用力除以作用面积。根据帕斯卡原理,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强仍然相等。水压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途,如液压制动等。帕斯卡还发现:静止流体中任一点的压强各向相等,即该点在通过它的所有平面上的压强都相等。这一事实也称作帕斯卡原理(定律)。
    帕斯卡在数学方面的贡献也很杰出。1639年,他在一篇出色的数学论文《论圆锥曲线》,提出了一条定理,后人把它叫做帕斯卡定理。他还提出了有名的帕斯卡三角形,阐明了代数中二项式展开的系数规律。数学家德札尔格非常欣赏帕斯卡的才华,把这个曲线命名为 “帕斯卡神秘六线形”,并亲自担任了帕斯卡的教师。
    在他撰写的哲学名著《思想录》 里,帕斯卡留给世人一句名言:“人只不过是一根芦苇, 是自然界最脆弱的东西,但他是一根有思想的芦苇。” 科学界铭记着帕斯卡的功绩,国际单位制规定“压强”单位为“帕斯卡”,是因为他率先提出了描述液体压强性质的“帕斯卡定律”。计算机领域更不会忘记帕斯卡的贡献,1971年面世的PASCAL语言,也是为了纪念这位先驱,使帕斯卡的英名长留在电脑时代里。

诺贝尔物理奖



       诺贝尔物理奖是根据诺贝尔生前遗嘱而设立的,是诺贝尔科学奖项之一。该奖项旨在奖励那些对人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。由瑞典皇家自然科学院颁发奖金,每年的奖项候选人由瑞典皇家自然科学院的瑞典或外国院士、诺贝尔物理和化学委员会的委员、曾被授与诺贝尔物理或化学奖金的科学家、 在乌普萨拉、隆德、奥斯陆、哥本哈根、赫尔辛基大学、卡罗琳医学院和皇家技术、学院永久或临时任职的物理和化学教授等科学家推荐。

 

德默尔特 (H.G.Dehmelt) (1922-)



       德默尔特,德裔美国人,物理学家。他和德国物理学家w.保罗因开发彭宁阱而分享诺贝尔奖分享1989年诺贝尔物理学奖金的一半,另一半授予美国物理学家N.F.拉姆齐。
    彭宁阱是一种在足够长的时间内保存少量离子(带电原子)或电子的电磁设备,以便对它们的性质进行空前精确的测量。德梅尔特战争时期在军队中学习过物理学,1955年他开发的彭宁阱能够将电子和离子长时间相对孤立地约束在小空间内。1973年德梅尔特用他的设备隔离出单个电子进行观察,崭新的技术开辟了精确测量电子关键性质之路。德梅尔特和他的合作者以空前的精确度开发了测量原子频率和单个量子性跳变(原子能级间的跃迁)的方法。70年代中,德梅尔特用他的阱量电子的磁矩,精确到万亿分之四,是当时电子磁矩的最精确量度。


杰克-S-基尔比 (1923-)



       克-S-基尔比,来自美国著名的德州仪器公司,出生于美国堪萨斯州,曾获美国伊利诺伊州电子工程学学士和威斯康星州电子工程学硕士。他于1947年开始从事消费电子产品的开发,1958年加入德州仪器公司,从事计算机集成电路研究和开发。1970年荣获美国国家科学奖章,1982年,他的名字进入了美国发明家名人堂,获得了与亨利-福特、爱迪生和怀特兄弟并列的荣誉。他目前拥有六十多项美国专利,是电器和电子工程师协会的成员。
       获奖理由:俄罗斯科学家泽罗斯·阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特·克勒默和杰克·基尔比,因在 “信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。
      瑞典皇家科学院发布的新闻公报说,三位科学家“通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”,为现代信息技术奠定了坚实基础。其中,阿尔费罗夫和克勒默将分享今年一半的诺贝尔物理学奖奖金,以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作。基尔比则因在发明集成电路中所作的贡献,而获得了总额为900万瑞典克朗(约合100万美元)的奖金的另一半。
      现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会,它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件:一是快速,即短时间里传输大量信息;二是体积小,携带起来方便,在任何场合都能使用。三位科学家的成果满足了这两个要求。
      阿尔费罗夫与克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。他们发明的半导体异质结构技术,已广泛应用于制造高速光电子和微电子元件。所谓异质结构半导体,主要由很多不同带隙的薄层组成。目前,通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术制造的快速晶体管。利用异质结构技术制造的激光二极管,也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管,汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管,常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。
      基尔比是集成电路的发明者之一,第一块集成电路就由他研制成功。由于集成电路的发明,微电子已成为所有现代技术发展的基础,洗衣机、太空探测仪和医学诊断设备等所需的各种处理器,都离不开微电子技术。由于微电子技术的广泛应用,电子设备的体积大大缩小,对环境的污染也得到减轻。
      泽罗斯·阿尔费罗夫1930年出生于白俄罗斯的维捷布斯克,1970年在俄罗斯圣彼得堡约费物理技术研究所获博士学位,并从1987年开始任这家研究所的所长;赫伯特·克勒默1928年出生于德国,1952年在德国格丁根大学获物理学博士学位;77岁的杰克·基尔比出生于美国密苏里州杰斐逊城,自1958年以来在美国得克萨斯仪器公司工作。
      
      
   
    特网信息得以实现。半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管,汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管,常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。
      
      基尔比是集成电路的发明者之一,第一块集成电路就由他研制成功。由于集成电路的发明,微电子已成为所有现代技术发展的基础,洗衣机、太空探测仪和医学诊断设备等所需的各种处理器,都离不开微电子技术。由于微电子技术的广泛应用,电子设备的体积大大缩小,对环境的污染也得到减轻。
      
      泽罗斯·阿尔费罗夫1930年出生于白俄罗斯的维捷布斯克,1970年在俄罗斯圣彼得堡约费物理技术研究所获博士学位,并从1987年开始任这家研究所的所长;赫伯特·克勒默1928年出生于德国,1952年在德国格丁根大学获物理学博士学位;77岁的杰克·基尔比出生于美国密苏里州杰斐逊城,自1958年以来在美国得克萨斯仪器公司工作。

赫伯特-克勒默 (1928-)



       赫伯特-克勒默,来自美国加利福尼亚大学,他于1952年获得德国哥丁根大学理论物理学硕士学位,毕业后一直致力于研究半导体设备。1963年,他提出了双异质结构激光的概念,是这一领域的先驱之一,他所提出的概念远远超出了当时在半导体领域的研究水平。八十年代时,这种理念和相应的技术才被大量应用开来。在到美国加利福尼亚大学从事实验研究之后,他研究出多种实用半导体技术,涵盖了高性能设备、材料研究、固态物理等诸多新兴领域。出色的研究成果曾为他赢得了多项国内外大奖。
    获奖理由:瑞典皇家科学院10日宣布,俄罗斯科学家泽罗斯·阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特·克勒默和杰克·基尔比,因在 “信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。
      瑞典皇家科学院发布的新闻公报说,三位科学家“通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”,为现代信息技术奠定了坚实基础。其中,阿尔费罗夫和克勒默将分享今年一半的诺贝尔物理学奖奖金,以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作。基尔比则因在发明集成电路中所作的贡献,而获得了总额为900万瑞典克朗(约合100万美元)的奖金的另一半。
      现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会,它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件:一是快速,即短时间里传输大量信息;二是体积小,携带起来方便,在任何场合都能使用。三位科学家的成果满足了这两个要求。
      阿尔费罗夫与克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。他们发明的半导体异质结构技术,已广泛应用于制造高速光电子和微电子元件。所谓异质结构半导体,主要由很多不同带隙的薄层组成。目前,通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术制造的快速晶体管。利用异质结构技术制造的激光二极管,也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管,汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管,常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。

若尔斯-阿尔费罗夫 (1930年-)



       若尔斯-阿尔费罗夫,来自俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院,1930年3月15日出生于白俄罗斯的维捷布斯克,1952年毕业于列宁格勒的乌里扬诺夫电子技术学院电子系。自1953年起,他一直担任约飞物理技术学院科学委员会委员。他曾经获得物理学和数学博士学位,并于1970-1971年间成为美国伊利诺伊大学访问学者。从1962年起,他一直致力于半导体异质结构的研究,目前任约飞学院院长,俄罗斯科学院副院长。
       获奖理由:典皇家科学院10日宣布,俄罗斯科学家泽罗斯·阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特·克勒默和杰克·基尔比,因在 “信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。
      瑞典皇家科学院发布的新闻公报说,三位科学家“通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”,为现代信息技术奠定了坚实基础。其中,阿尔费罗夫和克勒默将分享今年一半的诺贝尔物理学奖奖金,以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作。基尔比则因在发明集成电路中所作的贡献,而获得了总额为900万瑞典克朗(约合100万美元)的奖金的另一半。
      现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会,它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件:一是快速,即短时间里传输大量信息;二是体积小,携带起来方便,在任何场合都能使用。三位科学家的成果满足了这两个要求。
      阿尔费罗夫与克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。他们发明的半导体异质结构技术,已广泛应用于制造高速光电子和微电子元件。所谓异质结构半导体,主要由很多不同带隙的薄层组成。目前,通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术制造的快速晶体管。利用异质结构技术制造的激光二极管,也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管,汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管,常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。

赫拉尔杜斯·霍夫特 (1946-)



           赫拉尔杜斯·霍夫特1946年生于荷兰登海尔德。1972年在乌得勒支大学获得物理学博士学位。1977年起在乌得勒支大学任物理学教授。1979年获得美国物理学会丹尼-海涅曼奖。1982年获得沃尔夫奖,同年成为荷兰科学院院士。
    霍夫特和他的老师韦尔特曼因70年代作出的“阐明物理学中电弱相互作用的量子结构”方面的理论研究成就而获得1999年度诺贝尔物理奖。他们的计算理论使粒子物理有了更牢固的数学基础,尤其是可以用他们的理论来更精确计算物理量。
    众所周知,构成物质的原子是由电子和原子核组成,原子核由质子和中子组成,后二者又由更小的粒子夸克组成。为了研究夸克,50年代制成了第一台加速器,这标志着现代粒子物理学的诞生,科学家首次可以研究如何轰出新的粒子及其物理性质。在此基础上物理学家们提出了粒子物理的标准模型,它将所有基本粒子分为夸克、轻子和互换粒子三类,前二者在后者的参与下产生强力和弱力。但是最初物理学家们还不能用完整的数学理论来描述这个模型,因此很多人对进一步发展该理论感到悲观。但是年仅22岁的霍夫特在他的老师韦尔特曼指导下,从1969年开始进行了不懈的研究,最终取得了突破。在他们1971年的文章中成功地严格证明电弱统一理论是可以经过“重整化”而消除其中所有的“无穷大”的,从而证明弱相互作用也能和电磁相互作用一样地进行精确计算,也可以接受实验的精确检验。这是人们对弱相互作用了解的一个飞跃。自那时起,人们不断用他们的理论方法对电弱统一理论进行精确计算,做了大量预言。同时,在欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机LEP上也对大量电弱相互作用过程进行了精确测量。近年的分析表明理论与实验符合得非常好。电弱统一理论成为本世纪物理学发展的一项十分重大的划时代的成就。理论与实验的比较还预言了顶夸克(当时还未发现的第6种夸克)的质量为171.4GeV左右。后来在美国的费米实验室找到了顶夸克,直接测量的顶夸克质量为174.3GeV左右,与上述预言相符甚好。这也是电弱统一理论精确计算的一大成功。
    目前在电弱统一理论中还有一个关键的问题没弄清楚。Higgs场至今还未在实验中找到。由于探索真空中的物质涉及人们对一切物质的质量起源的了解,所以它是人们现在最关注的高能物理研究的前沿课题。

马丁努斯·J·G·韦尔特曼 (1931-)



       马丁努斯·J·G·韦尔特曼1931年生于荷兰。1963年获得乌得勒支大学物理学博士学位。1966-1981年在乌得勒支大学任物理学教授。1981年成为荷兰科学院院士,同年任教于美国密歇根大学。1993年获得欧洲物理学会颁发的高能和粒子物理奖。
    韦尔特曼和他的学生赫拉尔杜斯·霍夫特因70年代作出的“阐明物理学中电弱相互作用的量子结构”方面的理论研究成就而获得1999年度诺贝尔物理奖。他们的计算理论使粒子物理有了更牢固的数学基础,尤其是可以用他们的理论来更精确计算物理量。
    众所周知,构成物质的原子是由电子和原子核组成,原子核由质子和中子组成,后二者又由更小的粒子夸克组成。为了研究夸克,50年代制成了第一台加速器,这标志着现代粒子物理学的诞生,科学家首次可以研究如何轰出新的粒子及其物理性质。在此基础上物理学家们提出了粒子物理的标准模型,它将所有基本粒子分为夸克、轻子和互换粒子三类,前二者在后者的参与下产生强力和弱力。但是最初物理学家们还不能用完整的数学理论来描述这个模型,因此很多人对进一步发展该理论感到悲观。但是,韦尔特曼教授没有灰心,从1969年起他和他的只有22岁的学生霍夫特一起进行研究,最终取得了突破。在他们1971年的文章中成功地严格证明电弱统一理论是可以经过“重整化”而消除其中所有的“无穷大”的,从而证明弱相互作用也能和电磁相互作用一样地进行精确计算,也可以接受实验的精确检验。这是人们对弱相互作用了解的一个飞跃。自那时起,人们不断用他们的理论方法对电弱统一理论进行精确计算,做了大量预言。同时,在欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机LEP上也对大量电弱相互作用过程进行了精确测量。近年的分析表明理论与实验符合得非常好。电弱统一理论成为本世纪物理学发展的一项十分重大的划时代的成就。理论与实验的比较还预言了顶夸克(当时还未发现的第6种夸克)的质量为171.4GeV左右。后来在美国的费米实验室找到了顶夸克,直接测量的顶夸克质量为174.3GeV左右,与上述预言相符甚好。这也是电弱统一理论精确计算的一大成功。
    目前在电弱统一理论中还有一个关键的问题没弄清楚。Higgs场至今还未在实验中找到。由于探索真空中的物质涉及人们对一切物质的质量起源的了解,所以它是人们现在最关注的高能物理研究的前沿课题。

戴维.李 (David M.lee) (1931-) 


     1996年物理奖授予戴维.李(David M.lee)(美国)、罗伯特.里查森(Robert C.Richardson)(美国)、道格拉斯.奥谢罗夫(Douglas D.Sheriff) (美国),以表彰他们对氦-3超流性的发现。
与正常流体不同,超流氦不随容器的转动而转动,但可以产生大量涡旋,和为涡旋线。涡旋线互相排斥并形成六角排列结构,超流体绕着涡旋线的核心转动,这种转动是量子化的,与原子核外的电子轨道类似。在不同的温度、转速和磁场条件下,氦-3中会出现几种涡旋线。在气体、液体和固体中,量子效应通常会被原子的无规桂热运动所掩盖,但是在超低温下,这些效应可以被观察到。一个壮观的例子就是氦-3的超流性——这一个现象导致对量子物理的更深入理解。
在由三位科学家设计并建成的低温衡器中,利用玻氏法,把一个盛有氦-3的容器冷却到大约2Mk。当氦-3被稳恒缓慢地压缩时,其内部压强被测量下来。随着氦-3体积缩小及随后增大,他们观测到压强曲线斜率有微小变化以及出现小扭折。这些观察结果是氦-3相变为超流体的最出证据。两个超流体的相——"A"相和“B"相被发现了。

罗伯特.里查森(Robert C.Richardson) (1937-)



       1996年物理奖授予戴维.李(David M.lee)(美国)、罗伯特.里查森(Robert C.Richardson)(美国)、道格拉斯.奥谢罗夫(Douglas D.Sheriff) (美国),以表彰他们对氦-3超流性的发现。

道格拉斯.奥谢罗夫(Douglas D.Osheroff) (1945-)



      1996年物理奖授予戴维.李(David M.lee)(美国)、罗伯特.里查森(Robert C.Richardson)(美国)、道格拉斯.奥谢罗夫(Douglas D.Sheriff) (美国),以表彰他们对氦-3超流性的发现。

崔琦 (1939-)



       瑞典皇家科学院九八年十月十三日宣布,把一九九八年诺贝尔物理学奖授予德国科学家霍斯特·斯托尔默、美籍华人科学家崔琦和美国科学家罗伯特·劳克林,以表彰他们为量子物理学研究做出的重大贡献。
    瑞典皇家科学院十三日在斯德哥尔摩发表的新闻公报说,斯托尔默教授和崔琦教授在一九八二年对在强磁场和超低温实验条件下的电子进行了研究。他们发现,在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一种新的量子流体,这种量子流体具有一些特异性质。一年之后,劳克林教授对他们的实验结果做出了解释。在这一发现的基础上,科学家又陆续作出一些重大发现。公报强调说,这三位科学家的成果是量子物理学领域内的重大突破,它为现代物理学许多分支中新的理论发展做出了重要贡献。
    崔琦和斯托尔默在一九八二年对在强磁场和超低温实验条件下的电子进行了研究。他们将两种半导体晶片砷化镓和砷氯化镓压在一起,这样大量电子就在这两种晶片交界处聚集。他们将这种晶片结合体放置在仅比绝对零度高十分之一摄氏度(约摄氏零下二百七十三度)的超低温环境中,然后加以相当于地球磁场强度一百万倍的超强磁场。他们发现,在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一种新的量子流体,这种量子流体具有一些特异性质,比如阻力消失、出现几分之一电子电荷的奇特现象等。一年之后,劳克林教授对他们的实验结果做出了解释。在这一发现的基础上,科学家又陆续作出一些重大发现。
    电子量子流体现象的发现是量子物理学领域内的重大突破,它为现代物理学许多分支中新的理论发展做出了重要贡献。崔琦因此又获得美国著名的弗兰克林奖。
    崔琦在互联网自己开设的网址上称,他的主要学术兴趣是研究金属和半导体中电子的性质。他的这些研究将可应用于研制功能更强大的电脑和更先进的通信设备。
    诺贝尔物理学奖得主之一的崔琦,一九三九年生于中国河南省,五十年代到香港接受教育,一九五七年在培正中学毕业,随后到美国继续深造,一九六七年在美国芝加哥大学获物理学博士学位,此后到贝尔实验室工作,一九八二年至今任美国普林斯顿大学教授,目前他从事电子材料基本性质等领域的研究。崔琦的妻子是美国人,他们有两个女儿。

霍斯特.斯多莫尔(Horst.Stormer) (1949-)



          瑞典皇家科学院九八年十月十三日宣布,把一九九八年诺贝尔物理学奖授予德国科学家霍斯特·斯托尔默、美籍华人科学家崔琦和美国科学家罗伯特·劳克林,以表彰他们为量子物理学研究做出的重大贡献。
    瑞典皇家科学院十三日在斯德哥尔摩发表的新闻公报说,斯托尔默教授和崔琦教授在一九八二年对在强磁场和超低温实验条件下的电子进行了研究。他们发现,在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一种新的量子流体,这种量子流体具有一些特异性质。一年之后,劳克林教授对他们的实验结果做出了解释。在这一发现的基础上,科学家又陆续作出一些重大发现。公报强调说,这三位科学家的成果是量子物理学领域内的重大突破,它为现代物理学许多分支中新的理论发展做出了重要贡献。
    崔琦和斯托尔默在一九八二年对在强磁场和超低温实验条件下的电子进行了研究。他们将两种半导体晶片砷化镓和砷氯化镓压在一起,这样大量电子就在这两种晶片交界处聚集。他们将这种晶片结合体放置在仅比绝对零度高十分之一摄氏度(约摄氏零下二百七十三度)的超低温环境中,然后加以相当于地球磁场强度一百万倍的超强磁场。他们发现,在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一种新的量子流体,这种量子流体具有一些特异性质,比如阻力消失、出现几分之一电子电荷的奇特现象等。一年之后,劳克林教授对他们的实验结果做出了解释。在这一发现的基础上,科学家又陆续作出一些重大发现。
    电子量子流体现象的发现是量子物理学领域内的重大突破,它为现代物理学许多分支中新的理论发展做出了重要贡献。

罗伯特.劳林(Robert B.Laughlin) (1950-)



         瑞典皇家科学院九八年十月十三日宣布,把一九九八年诺贝尔物理学奖授予德国科学家霍斯特·斯托尔默、美籍华人科学家崔琦和美国科学家罗伯特·劳克林,以表彰他们为量子物理学研究做出的重大贡献。
    瑞典皇家科学院十三日在斯德哥尔摩发表的新闻公报说,斯托尔默教授和崔琦教授在一九八二年对在强磁场和超低温实验条件下的电子进行了研究。他们发现,在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一种新的量子流体,这种量子流体具有一些特异性质。一年之后,劳克林教授对他们的实验结果做出了解释。在这一发现的基础上,科学家又陆续作出一些重大发现。公报强调说,这三位科学家的成果是量子物理学领域内的重大突破,它为现代物理学许多分支中新的理论发展做出了重要贡献。

朱棣文(Steven Chu) (1948-)



          1997年物理奖同时授予美国朱棣文、威廉菲利普斯和法国 K.塔诺季,以表彰他们发展了激光冷却和捕陷原子的技术。 他们的研究可以帮助我们理解重要的物理现象,用前所未有的精确度测量重要物理参数。
    光对物体的机械作用可以改变他们的位置和速度。在激光冷却和捕陷中利用了光的机械作用,使一群原子的速度分布缩小(冷却),或使原子束缚在小体积内。80年代初期,威廉菲利普斯提出了一种快原子束减速的新方法,取得突破性的进展。1985年首次报道了使原子的平均速度从1000米/秒减低到零的实验结果。同一年朱棣文实现了另一个突破,他用有三对对射激光束的多普勒冷却法,把原子冷却在三维空间中。在这种光束组合下,一个原子无论向哪个方向运动,它都会受到一个阻尼力。于是,原子的速度分布(及温度)将被减少。激光对原子的作用与粘性介质的作用相似,这机产生了一个新名词:光学拈团。
    朱棣文和塔诺季发现了关于低温的解释。这些解释建立在激光场的偏振随光学粘团位置变化这一事实上。这种新的冷却机制的一个例子被称做西西弗斯冷却,光频仪和光抽运在这里起着重要作用。他们还发明了另外一种称为“拉曼冷却的方法,使激光不被冷却的原子看见。目前塔诺季小组利用VSCPT方法已将氦原子冷却至千分之一的反冲极限温度。目前有一百多个研究小组在开展激光冷却研究,许多应用正在探索之中,如:原子光学=原子印刻、原子钟、光学晶格、光镍、玻色、原子激光高分辨率光谱以及光和物质相互作用的基础研究等等。

 

威廉菲利普斯(William D.Phillips) (1948-)



        1997年物理奖同时授予美国朱棣文、威廉菲利普斯和法国 K.塔诺季,以表彰他们发展了激光冷却和捕陷原子的技术。 他们的研究可以帮助我们理解重要的物理现象,用前所未有的精确度测量重要物理参数。
    80年代初期,威廉菲利普斯提出了一种快原子束减速的新方法,取得突破性的进展。1985年首次报道了使原子的平均速度从1000米/秒减低到零的实验结果。

塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji) (1933-)



      1997年物理奖同时授予美国朱棣文、威廉菲利普斯和法国 K.塔诺季,以表彰他们发展了激光冷却和捕陷原子的技术。 他们的研究可以帮助我们理解重要的物理现象,用前所未有的精确度测量重要物理参数。

 

佩尔(M.L.Perl) (1927-)



          佩尔(M.L.Perl)(1927-),美国物理学家,1977年因通过实验发现被他命名τ子的亚原子粒子与莱因斯 (F.Reines) 共同获得1995年诺贝尔物理奖。
    他们的发现使人类对物质深层内部结构的了解又前进了一步,表明自然界存在着三代夸克和轻子。近代物理学研究认为,物质的最小构成单位,不是原子和分子,而是称为夸克和轻子的更小粒子,它们的尺寸小到不足原子的十亿分之一,目前已知的夸克和轻子各有6种,所有物质都是由12种基本粒子组成的,在这6种轻子中,有2种是由佩尔和莱因斯发现的。
    70年代初科学家共发现了4种轻子和4种夸克,当时人们认为关于物质构成的谜团已经被揭开,1974-1977年佩尔利用斯坦福大学的直线加速器发现第五种轻子,其质量是电子的3600倍,他的发现修改了人们对微观世界的认识.

莱因斯 (F.Reines) (1918-1998) 




     莱 因斯 (F.Reines)美国人,1953年在实验中首次发现了中微子,于1995年获奖。20世纪50年代初莱因斯即着手探测这种粒子,在他们的实验中,核反应堆向由水和氯化镉配成的400升溶液中发射中微子,当第一个中微子与一个氢核相撞时,二者即相互作用而产生一个正电子和中子,正电子被溶液慢化并被一个电子所破坏而产生光子,光子即被闪烁探测器记录下来,同时,中子也被慢化并被为一个镉核所破坏而产生光子,这批光子也被记录下来,但同时比前一批晚数微秒,两次冲击的记录彼此隔开,就证明了中微子的存在,莱因斯后来又在地下建造了其他的中微子探测器,并参与开创中微子天文学领域。

 

布罗克豪斯 (B.N.Brockhouse) (1918-)



          布罗克豪斯和沙尔各自独立地同时发展了中子散射技术,在凝聚态物质的研究中发展了中子散射技术,为研究微观物质结构提供了有效方法,于1994年获奖。
    早在40年代末50年代初就分别在加拿大和美国最早的核反应堆工作,并对中子波谱学和中子散射技术的发展作出杰出贡献,他们成功的开拓性工作不仅促成法国.英国.美国那些对凝聚态物质进行研究的众多大型装置的诞生,而且使后来者对原子结构,原子动力学的研究成为可能。如今他们所开创的中子衍射技术已广泛应用于陶瓷超导体,催化剂清理技术,聚合物的弹性特征,以及病毒结构等各研究领域。
    布罗克豪斯 (B.N.Brockhouse) 加拿大人,在其研究的领域内逐渐显露出超人的话才华,设计的三轴光谱仪被认为是获得液态和固态物质中动力学信息的重要工具,他的工作成果为其他人进一步开拓研究领域。加大研究深度创造了良好的条件,他所发展的技术称为非弹性中子散射,它通过测量被散射中子的相对能量而提供额外的数据。

沙尔(C.G.Shull) (1915-)



       沙尔,美国科学院院士,因发展了中子散射(特别是中子衍射)技术而获奖,该项技术使科学家们得以更好地探索物质的原子结构。沙尔46年~55年在美橡树岭国家实验室开始了他中子衍射的研究生涯,是应用慢中子对凝聚态物质进行研究的先驱,由于开发.改进的中子衍射技术已成为对利用x射线和显微镜无法详细观测到的物质进行分析的有力手段,沙尔还率先演示了磁衍射,并参与研制了供中子的常规结晶学分析用的仪器设备。
赫尔斯(R.A.Hulse) (1950-) 

赫尔斯(R.A.Hulse) (1950-)

       

     美国科学家赫尔斯因与其老师天体物理学家泰勒一起发现第一颗脉冲星双星共获1993年物理奖。
他们利用在波多黎各阿雷西博的大射电望远镜,发现了几十颗脉冲星。脉冲星是快速自转的中子星,周期性发射短促的射电脉冲波,由脉冲星PSR1913+16射电发射的不规则性,他们推断出该脉冲星有一颗与之相伴的中子星,且它们二者被锁定在一条收紧的轨道上运动,这一发现是他们于1974年作出的。PSR1913+16的发现是非常重要的,因为它提供了第一个探测引力波的手段,这两个星相互作用的巨大引力场,影响射电脉冲的规则性。经过对射电脉冲计时和分析它们的变化,两位科学家发现,这两颗星总是沿着一条越来越收紧的轨道相互环绕着更快地转动。他们于1978年报道的这个发现,是爱因斯坦在其广义相对论中预言的引力波存在的第一个实验证明,间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在,给爱因斯坦的引力理论提供了一个前所未有的检验,依照广义相对论,引力理论预言,在强引力场中作加速运动的物体将发出引力波形式的辐射,他们给爱因斯坦的引力理论以有力的支持。


夏帕克(G.Charpak) (1924-)



       夏帕克,法国人,由于发明并发展用于高能物理学的探测器多丝正比计数管,发明研制多种粒子探测器和多丝正比室方面功勋卓著而获奖。
    多丝正比室是用于粒子物理学实验的重要探测装置,是由许多并行丝线排列而成的,置于两块阴极平面之间,整个设备是包括阴极平面及丝网在内的一种层状结构物。这一成果问世后,人们相继开发出大量不同类型的丝室,目前粒子物理学每项实验用的探测器,都是在夏帕克的研究成果的基础上开发出来的.他的研究成果为研究粒子间的相互作用,提供了科学手段,是一项极富开创性的研究成果,可能最终会推动太阳能的开发,促进了粒子物理学实验的发展。
    他一直处于该研究领域的最前沿,但他淡泊明志,甘为人梯的高尚品格也为科学界称颂。

纳(Pierre-Gilles,de Gennes) (1933-)



           德热纳,法国科学家,他的研究理论--简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式,特别是推广到液晶和聚合物的研究中,而获得诺贝尔奖。
    德热纳经过多年的潜心研究发现,用来研究简单系统的有序现象还可以用来研究较为复杂的物质形态,尤其是液晶和聚合物。他用数字形式描述了磁性偶子.共分子和分子链如何在一定条件下组合成有序状态,以及当它们从有序状态转变为无序状态的结果。
    他首次说明了从向列型液晶散射出的异常光现象,他的聚合物排列的无序中的有序和一磁矩系统从有序转向无序时,适合条件之间的相似程序理论,比迄今人们猜测的更胜一筹。
    1974年他写出<<液晶物理>>,是该领域的权威著作。
    由于他研究理论的重要建树,被誉为"当代牛顿",并为液态晶体和聚合物这类物质的技术发展奠定了较坚实的基础。

弗里德曼 (J.I.Friedman) (1930-)



       里德曼,美国物理学家,与美国科学家肯德尔和加拿大物理学家泰勒合作发现了质子和中子有内部结构,通过实验首次证明夸克的存在,于1990年获奖。
    20世纪60年代出现了一个让科学家们着迷的物理新概念--夸克。从来无人看见过夸克,或以任何方式偶然发现一个夸克,比质子和中子更小的夸克存在吗?他们首次找到了人们臆想中的夸克,把物质结构理论又向前推进了一大步。
    三位科学家在60年代末70年代初开始从事一项具有划时代意义的"斯坦福线性加速器中心--麻省理工学院实验"而获成功。1932年查得威克发现中子,海森堡发现原子核由质子中子构成后,人类对自然进行了更为深刻的探索:比质子和中子更深一层又是什么?60年代初,盖尔曼提出夸克理论,认为夸克是自然界的最小粒子。
    为了寻找夸克,物理学家们设想了两种办法,一是有助于天文现象,大多数宇宙线粒子是质子,倘若两个这样的粒子极其有力地碰撞,很可能撞出一些夸克。弗里德曼和肯德尔在实验中用一台直径3.2公里的大型加速器产生的高能粒子束轰击粒子--夸克,这是人类首次用实验证明夸克的存在,夸克的发现使人们进一步明确了自然界的构成,虽然人们目前还无法预测这一成果将有哪些实际应用,但是这一成就在将来肯定会为我们这个世界带来远比塑料.电视以及原子能更为巨大的变化。

肯德尔(H.W.Kendall) (1926-1999)



      肯德尔,美国物理学家,与弗里德曼和泰勒合作发现了质子和中子有内部结构,通过实验首次证明夸克的存在,于1990年获奖,被诺贝尔评议委员会誉为"对物质认识的突破成就"。他们证实了1964年由加利福尼亚理工学院的科学家们首先提出的假设中夸克的存在。

泰勒 (R.E.Taylor) (1929-)



       泰勒,加拿大物理学家,同美国物理学家一起用实践证明了夸克的存在,他们进行了一系列证实质子和中子由夸克构成的实验,夸克现在被普遍认作构成物质的基本单元,这个发现对当前的物质及其相互作用的理论描述的形成,至关重要。

 

拉姆齐 (N.F.Ramsey) (1915-)



       拉姆齐,美国物理学家,他因开发使原子从一个能级转移到另一能级的技术而获1989年诺贝尔物理奖金的一半.
    他发明的称为分离震荡的电磁场方法,可用于对时间和频率的精确测.1949年拉姆齐把原子送入两个分离震荡的电磁场中,完善了研究原子结构的方法,因此在原子束中引起的快速能级跃迁所产生的干涉条纹能够提供原子的结构和性状的重要数据.当和微波振荡器同步时,原子的震荡也能用来极准确地测度时间的推移,从而奠定了现代铯原子钟的基础,铯中树立当代的时间标准.50年代中拉姆齐协助开发了氢微波激射器,它是激光器的微波发射亲属.

 

德默尔特 (H.G.Dehmelt) (1922-)



      德默尔特,德裔美国人,物理学家。他和德国物理学家w.保罗因开发彭宁阱而分享诺贝尔奖分享1989年诺贝尔物理学奖金的一半,另一半授予美国物理学家N.F.拉姆齐。
    彭宁阱是一种在足够长的时间内保存少量离子(带电原子)或电子的电磁设备,以便对它们的性质进行空前精确的测量。德梅尔特战争时期在军队中学习过物理学,1955年他开发的彭宁阱能够将电子和离子长时间相对孤立地约束在小空间内。1973年德梅尔特用他的设备隔离出单个电子进行观察,崭新的技术开辟了精确测量电子关键性质之路。德梅尔特和他的合作者以空前的精确度开发了测量原子频率和单个量子性跳变(原子能级间的跃迁)的方法。70年代中,德梅尔特用他的阱量电子的磁矩,精确到万亿分之

保尔 (W.Paul) (1913-1993)



       保尔 (W.Paul) 德国科学家,他和德国物理学家德默尔特合得1989年诺贝尔物理奖的一半.保尔因开发保尔阱--一种俘获带电原子的电磁学设备,使带电原子在其中停留足够长时间,以便准确测量它们的性质而得奖.
    20世纪50年代,他开发了保尔阱,利用射频电流维持交变电场,将带电的粒子和原子孤立并限制在一小时内.保尔阱帮助物理学家研究原子性质并以高精确度检验物理学理论,它还是现代光谱学的重要工具.保尔还发明了分离不同质量的离子并将它们储存在保尔阱中的方法,所用原理后被广泛地用于现代分光计中.

艾里克-科纳尔(E.A.Cornell) (1961-)



          2001年诺贝尔物理学奖分别授予美国科学家艾里克A.科纳尔、德国科学家沃尔夫冈.凯特纳以及美国科学家卡尔E.威依迈,以表彰他们对“碱性原子稀薄气体的玻色—爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基础性研究”方面所取得的成就。
     三位科学家获得2001年诺贝尔物理奖的理由是取得了在淡气中实现碱性原子的博斯-爱因斯坦冷凝,揭示了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝物。人们都知道激光与普通灯光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡,因此如何控制其它光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。德美三位科学家获诺贝尔物理学奖的原因,就在于他们在实验中证实了“玻色-爱因斯坦凝聚”。
    2001年的诺贝尔物理学奖得主成功地解决了这一问题,他们使得原子能够“合谐地歌唱”,这样就发现了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝。1924年印度物理学家博斯提出了一个关于光粒计算的重要理论,并将结果发给了爱因斯坦,爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。爱因斯坦预计,如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度,那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这种过程与从气体中滴下一滴液体相似,因此称为博斯-爱因斯坦冷凝,上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。
    康奈尔和维曼合作研究并于1995年证实了“玻色-爱因斯坦凝聚”。实验成功的首要条件是把温度降低到几乎绝对零度,这非常困难,而这两位科学家把温度降低到了与零下273.16摄氏度的绝对零度相差不足1700亿分之一摄氏度的水平上,刷新了当时全球低温纪录。
    获得物理学奖的三位科学家的发现犹如是找到了让原子“齐声歌唱”的途径,为当今物理学家研究爱因斯坦理论提供了一个平台,其在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域有非常美好的应用前景。以芯片技术为例,传统的芯片技术目前已经接近发展极限。因为目前的芯片都是利用普通光线的激光来完成集成电路的光刻,而普通光线的波长是有限度的,所以集成电路的密度已经接近极限。如果利用碱金属原子稀薄气体的“玻色-爱因斯坦凝聚”来完成集成电路的光刻,将大大提高集成电路的密度,因此将大大提高电脑芯片的运算速度。
    艾里克-科纳尔1961年出生于美国加州,现年39岁,1990年获得麻省理工学院博士学位,目前是美国国家标准与技术机构的高级科学家。


沃尔夫冈-凯特纳(W.Ketterle) (1957-) 


    2001年诺贝尔物理学奖分别授予美国科学家艾里克A.科纳尔、德国科学家沃尔夫冈.凯特纳以及美国科学家卡尔E.威依迈。 
 三位科学家获得2001年诺贝尔物理奖的理由是取得了在淡气中实现碱性原子的博斯-爱因斯坦冷凝,揭示了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝物。人们都知道激光与普通灯光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡,因此如何控制其它光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。
2001年的诺贝尔物理学奖得主成功地解决了这一问题,他们使得原子能够“合谐地歌唱”,这样就发现了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝。1924年印度物理学家博斯提出了一个关于光粒计算的重要理论,并将结果发给了爱因斯坦,爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。爱因斯坦预计,如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度,那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这种过程与从气体中滴下一滴液体相似,因此称为博斯-爱因斯坦冷凝,上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。
与康奈尔和维曼使用铷原子不同的是,克特勒使用的是钠原子,他制造出来的“冷凝物”包含更多的原子,因而对研究“玻色-爱因斯坦理论”有更重要的意义。
沃尔夫冈-凯特纳1957年出生于德国海德堡,1986年在德国获博士学位,目前是美国麻省理工学院的物理教

卡尔-威依迈(C.E.Wieman) (1951-) 




     2001年诺贝尔物理学奖分别授予美国科学家艾里克A.科纳尔、德国科学家沃尔夫冈.凯特纳以及美国科学家卡尔E.威依迈。 
 三位科学家获得2001年诺贝尔物理奖的理由是取得了在淡气中实现碱性原子的博斯-爱因斯坦冷凝,揭示了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝物。人们都知道激光与普通灯光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡,因此如何控制其它光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。
2001年的诺贝尔物理学奖得主成功地解决了这一问题,他们使得原子能够“合谐地歌唱”,这样就发现了一种新的物质状态:博斯-爱因斯坦冷凝。1924年印度物理学家博斯提出了一个关于光粒计算的重要理论,并将结果发给了爱因斯坦,爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。爱因斯坦预计,如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度,那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这种过程与从气体中滴下一滴液体相似,因此称为博斯-爱因斯坦冷凝,上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。
康奈尔和维曼合作研究并于1995年证实了“玻色-爱因斯坦凝聚”。实验成功的首要条件是把温度降低到几乎绝对零度,这非常困难,而这两位科学家把温度降低到了与零下273.16摄氏度的绝对零度相差不足1700亿分之一摄氏度的水平上,刷新了当时全球低温纪录。
卡尔-威依迈1951年出生于美国俄勒冈州,1977年在斯坦福大学获博士学位,目前为科罗拉多州立大学的物理教授。

 

雷蒙德·戴维斯 (1914-) 


   探索宇宙的奥秘,预测宇宙的未来,这是人类千百年来的梦想。2002年诺贝尔物理学奖表彰的就是这一领域的两项重大成果。瑞典皇家科学院将2002年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼,称他们“在天体物理学领域做出的先驱性贡献”打开了人类观测宇宙的两个新“窗口”。 

  这两项成果一项是戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就,这一成就导致了中微子天文学的诞生;另一项是贾科尼在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就,这一成就导致了X射线天文学的诞生。 

  中微子是宇宙间的“隐身人”,是一种非常小的基本粒子,几乎不与任何物质发生作用,因此尽管每秒有上万亿个中微子穿过我们的身体,但我们很难发现它的踪影。早在1930年著名物理学家泡利(1945年诺贝尔物理学奖获得者)就预言了这种神秘粒子的存在,但科学家用了25年的时间才证实了这一预言。证实这一预言的是美国科学家弗雷德里克·莱因斯,他在20世纪50年代利用一个核反应堆制造出大量中微子。他因此获得1995年诺贝尔物理学奖。 

  中微子还和太阳有着密切联系。太阳到底靠什么发光?19世纪,科学家认为它靠的是太阳内物质相互吸引而形成的能量,但科学家计算发现,这种能量只能供太阳燃料200万年,这显然与实际情况不相符,因为太阳的实际年龄已经有50亿年了。1920年,科学家发现,由2个质子和2个中子及4个电子组成的氦原子质量要略小于4个由1个质子和1个电子组成的氢原子的质量。英国科学家爱丁顿根据爱因斯坦的质能互换公式推测,缺少的质量转变成能量释放出来,这就是核聚变,太阳发光靠的就是核聚变。后来科学家预言,在太阳内每聚变形成一个氦原子就会释放出2个中微子。 

  不过当时科学家认为,探测太阳中微子几乎是不可能的。诺贝尔奖委员会称戴维斯是20世纪50年代唯一一位敢于探测太阳中微子的科学家。后来科学家发现,中微子可能与氯原子核发生反应生成一个氩原子核和一个电子,探测是否生成氩原子核就可证实中微子的存在。但这种可能性非常小,诺贝尔奖委员会称这“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找一粒沙子”。为了捕获中微子,戴维斯领导研制了一个新型探测器,它的主体是一个注满615吨四氯乙烯液体的巨桶,埋藏在美国的一个矿井中。在30年的探测中,他共发现了来自太阳的约2000个中微子,并证实了太阳是靠核聚变提供燃料的。 

  中微子有可能与水中的氢和氧原子核发生反应,产生一个电子,这个电子可引起微弱的闪光,探测这种微弱的闪光就可证实中微子的存在。小柴昌俊在日本领导研制的另一个中微子探测器利用的就是这一原理。他除了证实太阳中微子的存在外,还在1987年2月23日发现了一处遥远的超新星爆发过程中释放出的中微子。在那次爆发过程中,估计有1亿亿个中微子穿过了探测器,科学家捕获了其中的12个。 

  2002年诺贝尔物理学奖表彰的另一项成果与X射线有关。包括太阳在内的所有恒星都发射电磁波,其中包括可见光和我们看不见的其他电磁波,比如X射线。其实,每时每刻都会有大量的宇宙射线到达地球,但包括X射线在内的多数宇宙射线都被大气层吸收了,因而在地面上很难发现它们的踪影。为了揭开宇宙X射线之谜,必须向太空发射探测器。贾科尼领导研制了世界第一个宇宙X射线探测器——爱因斯坦X射线天文望远镜。这一探测器于1978年进入太空,它首次提供了精确的宇宙X射线图像,在此基础上科学家获得了大量新发现。此外,贾科尼在世界上第一次发现了太阳系外的X射线源,第一次证实宇宙存在着X射线背景辐射,他还探测到了可能来自黑洞的X射线。1976年,贾科尼倡议研制更为强大的钱德拉X射线望远镜。这一探测器直到1999年才进入地球轨道。耗资15亿美元的钱德拉X射线望远镜计划在太空至少运行5年,对星系、类星体和恒星进行探测,寻找黑洞和黑暗物质的踪迹。天文学家希望借助钱德拉X射线望远镜,能够加深对暗物质和黑洞的认识。 

  获奖的两项成果均涉及对宇宙未来的研究。中微子有没有质量,暗物质到底有多少,这关系到宇宙总质量的大小。科学家认为,如果宇宙总质量大于某个数值,宇宙将在自身引力作用下停止膨胀,并开始“大坍塌”;如果小于或等于某个数值,则宇宙将一直膨胀下去。由这两项成果开拓的科研新领域必将揭示更多的宇宙奥秘,这些新答案将直接补充甚至改写现有的基本理论。

美国科学家雷蒙德·戴维斯1914年生于华盛顿,1942年获美国耶鲁大学化学博士学位,现为美国宾夕法尼亚大学物理学和天文学系名誉教授。他因为在天体物理学,特别是“探测宇宙中微子”领域做出的先驱性贡献,获得今年诺贝尔物理学奖1/4的奖金。