陳敬全

在科學(xué)史上，一些科學(xué)工作者因誠(chéng)信而導(dǎo)致了重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。他們誠(chéng)實(shí)地報(bào)告自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果有的看似微不足道，有的出人意料、使人失望，有的則令人厭煩，然而，恰恰是這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為科學(xué)實(shí)現(xiàn)重大的突破提供了契機(jī)。

小數(shù)點(diǎn)后第三位數(shù)字的誤差與惰性元素的發(fā)現(xiàn)

英國(guó)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh），從1882年開(kāi)始研究大氣中各種氣體的密度。當(dāng)時(shí)大多數(shù)人都深信，大氣的主要成分是氧和氮，還有少量的碳酸氣和水蒸氣。瑞利在測(cè)定氮的密度時(shí)發(fā)現(xiàn)，從大氣中除去氧，碳酸氣和水蒸氣所得的氮?dú)獾拿芏葹?.2572克/升，而由亞硝酸氨制得的氮的密度卻是1.2508克/升，兩者相差為0.0064克/升，盡管這在實(shí)驗(yàn)容許的誤差范圍之內(nèi)，但瑞利沒(méi)有放過(guò)這小數(shù)點(diǎn)后第三位數(shù)字上的誤差，他以萬(wàn)分之一克的精密天平反復(fù)測(cè)量，結(jié)果這個(gè)差別仍然存在。

瑞利對(duì)此百思而不得其解。他在《自然》雜志上如實(shí)地報(bào)告了這看似微不足道的差別，并公開(kāi)征答。一位學(xué)者向瑞利提供了卡文迪許在一個(gè)世紀(jì)前遇到的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)事實(shí)：在玻璃容器里用電火花使氮和氧化合，不論化合過(guò)程延續(xù)多久，總有一個(gè)小氣泡不能被氧化?？ㄎ牡显S猜想空氣中的濁氣不是單一的，還有一種不與氧化合的成分，其總量不超過(guò)全部空氣的1/120。另一位有心人、年輕的化學(xué)家拉姆塞（W.Ramsay）表示要與瑞利合作。

瑞利重復(fù)了卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)果然有小氣泡不能被氧化，他認(rèn)為卡文迪許的猜想是有道理的。他和拉姆塞進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定，先把“從化合物中制得的氮”與鎂一起加熱，或與氧混合通以電火花，再用“從空氣中制得的氮”進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)照。結(jié)果證明前者制得的氮是純氮，后者不是純氮，含有較重的新元素，測(cè)得這種新氣體1升的重量是1.7815克，密度為19.94（當(dāng)氧的密度為16時(shí)）。在100體積的氮里含有1.186體積，也就是1/84。而測(cè)得純氮的重量1升為1.2502克。在不純的氮中，由于含有1.186%的這種氣體，所以1升重量應(yīng)該為1.2572克。這個(gè)計(jì)算值與瑞利“從空氣中制得的氮”中所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值完全一致。

他們用分光鏡對(duì)新氣體進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)有橙色和綠色的各組明線，這是有別于已知?dú)怏w元素的光譜的。他們同時(shí)又委托光譜分析專家協(xié)助驗(yàn)證，很快確證了未知?dú)怏w——一種新元素的存在。1894年8月瑞利和拉姆塞公布了這一發(fā)現(xiàn)。新元素被命名為氬（Argon，意為“懶惰者”）。他們以辛勤的勞動(dòng)請(qǐng)出了躲藏在深處的“懶惰者”。

瑞利

拉姆塞

然而，有相當(dāng)多的化學(xué)家不認(rèn)可這一發(fā)現(xiàn)。瑞利和拉姆塞對(duì)氬氣做了更深入的實(shí)驗(yàn)研究，證明了氬氣原來(lái)就包含在空氣中，其化學(xué)特性極不活潑：把氬與其他氣體、固體或液體混合在一起加熱或者通電，都未發(fā)生任何化合和分解現(xiàn)象，它是化學(xué)性質(zhì)不同于其他元素的惰性元素；用物理法測(cè)得氬的恒壓熱容Cp與恒容熱容Cv之比為1.653，從而推知?dú)鍨閱卧臃肿?，原子量?0。他們無(wú)可辯駁地確證了新元素氬的客觀存在。

發(fā)現(xiàn)氬以后，拉姆塞經(jīng)過(guò)不懈的努力，又相繼發(fā)現(xiàn)了氦、氪、氙、氖和氡等惰性氣體。

1904年，瑞利因“對(duì)一些重要的氣體密度的研究，以及這些研究的成果之一——?dú)宓陌l(fā)現(xiàn)”而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。拉姆塞“因其發(fā)現(xiàn)新族元素——惰性元素”而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

邁克耳遜

以太漂移的零結(jié)果與狹義相對(duì)論的創(chuàng)立

在19世紀(jì)，許多物理學(xué)家認(rèn)為光是借助被稱為“以太”的媒介來(lái)傳播的。他們想利用各種方法來(lái)檢驗(yàn)“以太”的存在，并確定它的屬性。根據(jù)天文學(xué)和物理學(xué)的知識(shí)，推測(cè)“以太”是充滿整個(gè)太陽(yáng)系的，地球就在這個(gè)“以太”的海洋中運(yùn)動(dòng)，人們希望利用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)速度，這就是平時(shí)所說(shuō)的“以太”的漂移速度。

邁克耳遜和莫雷測(cè)量以太的實(shí)驗(yàn)

美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜（A.Michelson）從1880年開(kāi)始，就開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量“以太”的漂移，以證實(shí)它的存在。1881年，他在波茨坦天文觀測(cè)站的地下室，用自己發(fā)明的干涉儀完成了第一次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果令人失望，他并沒(méi)有測(cè)量到“以太”的漂移。

許多科學(xué)家都不愿意接受這個(gè)結(jié)果。有人指出了邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)存在誤差，不足以說(shuō)明“以太”不存在。1884年秋天，英國(guó)著名物理學(xué)家開(kāi)爾文和瑞利訪問(wèn)了美國(guó)，邁克爾遜向他們報(bào)告了1881年的那次令人失望的實(shí)驗(yàn)，開(kāi)爾文和瑞利意識(shí)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值，竭力鼓勵(lì)邁克爾遜繼續(xù)做“以太”漂移的實(shí)驗(yàn)以證實(shí)它的存在。

邁克爾遜重整旗鼓，繼續(xù)做觀測(cè)“以太”的實(shí)驗(yàn)。1887年7月，邁克爾遜和西利瑟夫大學(xué)的莫雷（W.Morley）教授合作，莫雷有一個(gè)設(shè)備很好的實(shí)驗(yàn)室。他們信心滿滿，認(rèn)為極有把握獲得成功。他們將光走過(guò)的路程增加了10倍，為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦，他們還把安裝光學(xué)儀器的大石板浮在水銀面上。

經(jīng)過(guò)數(shù)天精心的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果仍然與邁克爾遜在1881年做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，測(cè)不到任何“以太”漂移的速度，1887年12月，他們發(fā)表論文“地球運(yùn)動(dòng)和傳光的‘以太’”，宣布了得到否定結(jié)論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由此說(shuō)明地球和“以太”之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這就是物理學(xué)史上有名的“以太”漂移的“零結(jié)果”。

邁克爾遜和莫雷并沒(méi)有更深入地追究“以太”是否存在的問(wèn)題。邁克爾遜把他的干涉儀用于高精密度的物理測(cè)量上，他用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，保存在巴黎國(guó)際度量局的標(biāo)準(zhǔn)米是鎘光譜光線波長(zhǎng)的1 553 163.5倍，他為長(zhǎng)度基準(zhǔn)找到了一個(gè)非實(shí)物的標(biāo)準(zhǔn)。1907年，邁克爾遜由于在“精密光學(xué)儀器和用這些儀器進(jìn)行光譜學(xué)的基本長(zhǎng)度測(cè)量”方面的研究榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

邁克耳遜本人并不了解“‘以太’零漂移”實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有的劃時(shí)代的重要意義，眾所周知，這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果導(dǎo)致愛(ài)因斯坦在1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。邁克耳遜始終認(rèn)為“以太”是存在的，他不樂(lè)意看到自己的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了相對(duì)論這一“怪物”。然而，他具有的高尚的科學(xué)品質(zhì)卻是值得稱道的，他并沒(méi)有因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果出乎自己的意料而放棄和隱瞞結(jié)果，而是把實(shí)驗(yàn)結(jié)果坦誠(chéng)地公之于世。

幽靈般的電噪聲與3K微波輻射背景的證實(shí)

1964年的一天，美國(guó)貝爾電話公司實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯（A.Penzias）和威爾遜（R.Wilson）在調(diào)試天線以測(cè)量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了背景噪聲，它類似于雷雨天從收音機(jī)里聽(tīng)到的天電干擾聲。

最初，他們猜測(cè)這可能是天線系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的電噪聲所致，為了檢測(cè)這臺(tái)天線的噪音性能，將天線對(duì)準(zhǔn)天空方向進(jìn)行測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)為7.35厘米的地方一直有一個(gè)穩(wěn)定的、各向同性（即不隨方向變化）的噪聲訊號(hào)存在，并且不因晝夜而變化，也不因季節(jié)而變化，因而可以判定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。難道這是天線自身產(chǎn)生的電噪聲？1965年初，他們將天線拆卸，進(jìn)行了徹底檢查，并完善了天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一些部件，同時(shí)還驅(qū)趕天線附近的鴿子，清除了天線上的鴿子窩和鳥(niǎo)糞，然而排除這些內(nèi)外因素后，噪聲仍然存在。他們?nèi)鐚?shí)地向外宣布令人失望的結(jié)論：噪聲無(wú)法消除，噪聲不是來(lái)自于天線本身，而是來(lái)自于整個(gè)天空的微波射電噪聲，其強(qiáng)度與3.5K的輻射相當(dāng)（稍后又訂正為2.7K，簡(jiǎn)稱為3K微波背景輻射）。

彭齊亞斯和威爾遜

迪克

如何從理論上解釋3K微波背景輻射的現(xiàn)象呢？彭齊亞斯他們深感困惑。

普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組的專家給出了問(wèn)題的答案。該研究小組正熱衷于宇宙大爆炸理論的研究。早在1946年，美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫提出了大爆炸宇宙模型，預(yù)言了作為大爆炸遺跡的電磁輻射背景存在的可能性。1953年，他指出宇宙如此古老以致變得異常寒冷，當(dāng)年爆炸后殘存的輻射溫度可能只有5K。

研究小組在天體物理學(xué)家迪克（R.H.Dicke）教授的領(lǐng)導(dǎo)下，努力尋找宇宙大爆炸理論的依據(jù)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)陋的輻射計(jì)以探測(cè)宇宙殘余輻射，卻未發(fā)現(xiàn)任何跡象。正當(dāng)?shù)峡怂麄冏咄稛o(wú)路之時(shí)，得知了彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的討論，迪克斷定：他們發(fā)現(xiàn)的微波輻射正是自己苦苦尋找的宇宙背景輻射! 1965年7月，在美國(guó)《天體物理學(xué)報(bào)》第142卷上，同時(shí)刊登了彭齊亞斯和威爾遜的短文“4 080兆赫的過(guò)剩天線溫度測(cè)量”以及迪克小組寫(xiě)的“宇宙黑體輻射”。前者僅用了約600個(gè)字簡(jiǎn)要地報(bào)道了自己的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)及測(cè)算方法；后者則著重于宇宙模型的理論探討和對(duì)前者的發(fā)現(xiàn)做理論詮釋，明確指出，3K微波輻射背景的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)宇宙大爆炸理論的有力支持。

對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)界來(lái)說(shuō)，這是自1929年哈伯發(fā)現(xiàn)河外星系紅移即宇宙膨脹現(xiàn)象以來(lái)又一次劃時(shí)代的重大發(fā)現(xiàn)。彭齊亞斯和威爾遜追究令人討厭的噪聲，竟帶來(lái)了現(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)展的第二次高潮，他們獲得了1978年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，理由是他們的“貢獻(xiàn)是一項(xiàng)根本性的發(fā)現(xiàn)，使人們有可能得到很久以前——在宇宙形成時(shí)——所發(fā)生的宇宙變化過(guò)程的信息?！?/p>

在科學(xué)研究中誠(chéng)實(shí)是第一位的

因誠(chéng)信而導(dǎo)致重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)史上被傳為佳話?？茖W(xué)工作者在開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)活動(dòng)時(shí)必須遵循誠(chéng)信準(zhǔn)則：誠(chéng)實(shí)地提供信息，言而有信；遵守規(guī)則，實(shí)踐成約；在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)資料采集分析、科研成果公布以及在求職、評(píng)審等方面，必須實(shí)事求是；對(duì)研究成果中的錯(cuò)誤和失誤，應(yīng)及時(shí)以適當(dāng)?shù)姆绞焦_(kāi)和承認(rèn)；在評(píng)議評(píng)價(jià)他人貢獻(xiàn)時(shí)，必須堅(jiān)持客觀標(biāo)準(zhǔn)，避免主觀隨意。

科學(xué)研究是建立在誠(chéng)信的基礎(chǔ)上的。科學(xué)的目標(biāo)在于求真——探究自然界運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，所謂“真”，即與事實(shí)相符合?？茖W(xué)家探求真理是通過(guò)“從事實(shí)出發(fā)探究其中規(guī)律”的途徑實(shí)現(xiàn)的，為此必須不斷地通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)而獲得大量的、確鑿的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提出規(guī)律性的說(shuō)明，否則“巧婦難為無(wú)米之炊”，探究自然規(guī)律就無(wú)從談起。由此，所獲經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和數(shù)據(jù)必須真實(shí)可信，不容半點(diǎn)虛假，否則會(huì)導(dǎo)致虛假、無(wú)效的結(jié)論。

誠(chéng)實(shí)是誠(chéng)信的要義。在科學(xué)研究中，誠(chéng)實(shí)是第一位的。英國(guó)科學(xué)家克拉默認(rèn)為，誠(chéng)實(shí)是科學(xué)家在科學(xué)研究中必需持有的一種品格。他說(shuō)：“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一個(gè)誠(chéng)實(shí)的科學(xué)家是不吃虧的，他不僅沒(méi)有謊報(bào)成果，而且充分報(bào)道了不符合自己觀點(diǎn)的事實(shí)。” 瑞利、邁克耳遜、彭齊亞斯和威爾遜的經(jīng)歷證明了這一點(diǎn)，他們能夠獲得科學(xué)界的最高獎(jiǎng)賞，是實(shí)至名歸、受之無(wú)愧的。