呂付國

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）05-0182-02

物理學(xué)的發(fā)展是一場史詩般壯麗的革命，更像是一個(gè)傳奇，好多是由一個(gè)不起眼的線索開始，曲徑通幽，亂花迷眼，我們看到了物理大廈在狂風(fēng)暴雨下的轟然坍塌，卻又能在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。在驚濤駭浪的狂潮中，物理實(shí)驗(yàn)中的“意外”現(xiàn)象總能發(fā)揮出具大的作用，可徹底的推倒一座華麗的殿堂，也可以構(gòu)建另一幢雄偉的建筑。用“意外”這個(gè)詞，指的是實(shí)驗(yàn)未能取得預(yù)期的成果，在某種程度上也可以稱為“失敗”實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)列舉四例，以饗讀者。

一、泊松亮斑

一直以來，物理學(xué)界對光的認(rèn)識處于微粒說與波動(dòng)說的爭戰(zhàn)中。在十八世紀(jì)以牛頓為代表的微粒說因牛頓力學(xué)的崇高而深入人心，惠更斯提出的光是縱波及“波前”概念卻只是曇花一現(xiàn)，隨即淹沒在歷史的滾滾長河中，但1807年托馬斯·楊正式向世人描述的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)燃了物理史上“第二次波粒戰(zhàn)爭”的導(dǎo)火索，這個(gè)簡單巧妙的實(shí)驗(yàn)所揭示出來的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，向微粒說提出了挑戰(zhàn)。決定性的時(shí)刻在1819年到來了，一個(gè)不知名的法國年輕工程師菲涅爾向法國科學(xué)院提交了一篇論文，在論文中菲涅爾采用了光是一種波動(dòng)的觀點(diǎn)，并以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理極為圓滿地解釋了光的衍射問題，他的體系洋洋灑灑，完美無缺，令科學(xué)院專家成員為之深深驚嘆。但有些擁護(hù)微粒說的科學(xué)家并不相信這一結(jié)論，其中包括泊松，泊松對菲涅爾的論文進(jìn)行了仔細(xì)的審查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個(gè)理論應(yīng)用于圓盤衍射的時(shí)候，在圓盤陰影中間將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑，這在泊松看來是十分荒謬可笑的，陰影中間怎么會(huì)出現(xiàn)亮斑呢？這一審查結(jié)果差點(diǎn)使得菲涅爾的論文中途夭折，但菲涅爾的同事，同為科學(xué)院專家的阿拉果在關(guān)鍵時(shí)刻堅(jiān)持要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，泊松對此不以為然。最終，“奇跡”卻發(fā)生了，讓泊松感到震驚的是在圓盤陰影的正中心，確確實(shí)實(shí)的出現(xiàn)了一個(gè)亮點(diǎn)，位置亮度和菲涅爾的理論符合得相當(dāng)完美，這個(gè)“意外”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給統(tǒng)治了近一個(gè)世紀(jì)的微粒說當(dāng)頭一棒，最終導(dǎo)致在隨后的一個(gè)世紀(jì)里光的波動(dòng)說成了光領(lǐng)域的統(tǒng)治理論。

二、探測光以太對于地球的漂移速度

十九世紀(jì)中葉，麥克斯韋的理論預(yù)言：光其實(shí)是電磁波的一種。預(yù)言又在1887年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光的波動(dòng)說終于成為了一個(gè)板上釘釘?shù)氖聦?shí)，但此時(shí)波動(dòng)說認(rèn)為光是跟聲音一樣需要介質(zhì)才能傳播的，并把能傳播光的介質(zhì)叫做“以太”。依波動(dòng)說的理論，以太是一種剛性粒子，分布相當(dāng)稀薄，以至物質(zhì)在穿過它們時(shí)幾乎完全不受到任何阻力，以太是一種異常堅(jiān)硬、看不到的固體，以太在宇宙中是絕對靜止的。由此人們想到，地球在太空中運(yùn)動(dòng)就相當(dāng)于一艘船在高速行駛，迎面會(huì)吹來強(qiáng)烈的“以太風(fēng)”。1886年，邁克爾遜和莫雷合作，想測出以太相對于地球的漂移速度。如圖1所示安裝實(shí)

驗(yàn)器材，反光鏡A與反光

鏡B與光源的距離相等，

A鏡與光源間的光線傳播

方向與以太風(fēng)方向垂直，以

太風(fēng)不影響它的傳播時(shí)間；

B鏡與光源間的光線傳播方

向與以太風(fēng)方向共線，因?yàn)?/p>

相對運(yùn)動(dòng)，它傳播的時(shí)間會(huì)跟

A鏡的反射光到達(dá)光源的時(shí)間會(huì)不一樣。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓他們失望比：兩束光線根本就沒有表現(xiàn)出任何的時(shí)間差，以太似乎對穿越于其中的光線毫無影響，邁克爾遜和莫雷不甘心的一連觀測了四天，但否定的結(jié)果是如此清晰而不容置疑了。這是物理史上最有名的“失敗的實(shí)驗(yàn)”，它當(dāng)時(shí)在物理界引起了轟動(dòng)，因?yàn)橐蕴@個(gè)概念作為絕對運(yùn)動(dòng)的代表，是經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ)，這根支撐著經(jīng)典物理學(xué)大廈的梁柱因一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無情地否定而轟然崩潰，這個(gè)否定的證據(jù)，最終使得“光以太”的概念壽終正寢，使得相對論的誕生成為了可能，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗在物理史上卻應(yīng)該說是一個(gè)偉大的勝利，科學(xué)從來只相信事實(shí)。

三、元素放射性的發(fā)現(xiàn)

1896年，X射線剛被發(fā)現(xiàn)不久，人們對它的來由不是很清楚，貝克勒爾對此的研究推測出太陽光照射鈾的氧化物能夠產(chǎn)生X射線，他把鈾的氧化物放在太陽底下暴曬，發(fā)現(xiàn)黑紙中的底片的確感光了，但是正當(dāng)他要進(jìn)一步研究時(shí)，意外的事情發(fā)生了。天氣轉(zhuǎn)陰，烏云一連幾天遮蔽了太陽。貝克勒爾只好把他的全套實(shí)驗(yàn)用具，包括底片和鈾鹽全部放進(jìn)了黑暗的保險(xiǎn)箱里，然而到了第五天，天氣仍然沒有轉(zhuǎn)晴的趨勢，貝克勒爾忍不住了，決定把底片沖洗出來再說，鈾氧化物曾受了一點(diǎn)微光的照射，無論如何在底片上應(yīng)該會(huì)留下一些模糊的痕跡。然而在拿到照片時(shí)貝克勒爾的腦中卻是一片眩暈：底片曝光得是如此徹底，上面的花紋是如此的清晰，反而比陽光照射的效果要強(qiáng)上百倍。這是一個(gè)歷史性的時(shí)刻，貝克勒爾突然意識到對底片感光更多的是鈾元素自身變化產(chǎn)生的射線，隨著研究的深入，元素的放射性第一次被人們發(fā)現(xiàn)了！在一個(gè)戲劇性的場合下，貝克勒爾的“意外”打開了通向原子內(nèi)部的大門，使得人們很快就看到了一個(gè)全新的世界。

四、原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究

1897年，J·J·湯姆遜在研究陰極射線時(shí)

發(fā)現(xiàn)了原子中電子的存在，打破了“原子不

可再分”的理念，明確向人們展示:原子是可

以繼續(xù)分割的，它有著自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。湯

姆遜想象出原子的“葡萄干布丁”模型：原子

核呈球狀，帶正電荷,帶負(fù)電荷的電子一粒

粒地“鑲嵌”在這個(gè)圓球上，如圖2所示。

1910年，盧瑟福在認(rèn)同原子“葡萄干布丁”模型的情形下，他和他的學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)室里用α粒子（帶正電的氦核）來轟擊一張極薄的金箔，想通過散射來確認(rèn)“葡萄干布丁”的大小和性質(zhì)。與預(yù)料極不吻合的情況出現(xiàn)了：有極少數(shù)α粒子散射角度超過了90°。對此盧瑟福描述到：“這就像你用十五英寸的炮

彈向一張紙轟擊，結(jié)果炮彈被反彈了回來。

”盧瑟福由此決定修改他老師湯姆遜的“葡

萄干布丁”模型，他認(rèn)識到α粒子反彈回來

必定是碰撞了某種極為堅(jiān)硬密實(shí)的核心，且

這個(gè)核心應(yīng)該是帶正電，而且集中原子的大

部分質(zhì)量，同時(shí)也認(rèn)識到發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的

α粒子畢竟只是極少一部分的原因是核心占

據(jù)的地方是很小的，不到原子半徑的萬分之

一。于是盧瑟福在次年(1911年)提出了原子

結(jié)構(gòu)新的模型—行星模型，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)的“意外”還有很多，這些意外為科學(xué)添加了一份絢麗的傳奇色彩，也使人們對神秘的自然更加興致勃勃，也是科學(xué)給我們帶來的快樂之一啊！