J.J.汤姆逊：促成卡文迪什学派崛起的先驱者（下）

　　程民治 朱仁义 王向贤

　　安徽巢湖学院物理与电子科学系

　　三、为促成学派的崛起而拼搏进取

　　我们知道，“任何一个学派，不仅拥有独树一帜的理论纲领（或科研风格），而且都是由核心人物及其追随者组成的享有崇高集体威望的机构。”第四代瑞利勋爵在其为汤姆逊所撰写的传记中，曾十分明确地指出了形成一个科学学派的三个基本要素，即“令人鼓舞的领导者”、“开放而易于出成果的研究路线”以及“适当类型的研究学生”。汤姆逊所领导的研究集体在当时是否已经具备了一个科学学派应该具备的“三项条件”呢？他在为促成卡文迪什学派的崛起和发展做出了哪些重大的贡献？

　　汤姆逊和卡文迪什实验室从1894年开始，就已经涉猎到物理学的前沿领域。到了1895年，随着剑桥新出台的招生简章的颁发，直接触发了卡文迪什实验室的组成人员发生了革命性的变化。因为新的章程规定，其他大学的学生，如果在两年内完成研究工作并提交论文获得通过后，即可取得剑桥的学位。这一规定使得剑桥能够招收到世界上最优秀的学生，从而改变了其在与德国大学竞争中的被动局面。这也是剑桥在19~20世纪之交，为迎接时代的挑战而进行的重大变革之交之一。

　　在按照新的规章录取的首批高级研究生中，就包括来自英属殖民地新西兰的卢瑟福。热情的汤姆逊张开了双臂热烈地欢迎这批来自异国他乡的求学者。汤姆逊的好客、待人的亲切和蔼与无微不至的关怀，以及卡文迪什实验室优越的环境和条件，深深地感染和震撼着这批能在短期内即可取得良好成绩的高级研究生们。卢瑟福当时在给他未婚妻的信中，就非常客观地提到卡文迪什实验室氛围的改观，尤其是在教授的房间里按照惯例举行的下午喝茶制度，也有助于把他们融为一个社会和智力共同体。

　　1895年，伦琴发现了X射线，X射线的奇异特性，更加激发了汤姆逊早于1890年就开始的带领他的学生所投入的研究阴极射线的兴趣。他在总结当时人们对阴极射线的本性问题所持有的彼此对立观点的两大学派（主张带电微粒说的英国学派和主张以太论的德国学派）的基础上，不再去研究X射线的本质及其应用价值，而是另辟蹊径。

　　在助手的帮助下，他利用X射线轰击气体。实验表明，X射线能使气体分子电离并成为导体。但汤姆逊认为在X射线作用下，气体的电流与电压之间的关系并非像欧姆定律那么简单，而需要用一个复杂的微分方程来描述。这个方程应包含气体解离后再结合的系数a、迁移率k1和k2，以及因X射线的作用每秒钟被解离的离子数。后者可由无火花放电时气体通过的最大电流来确定。而要测定a、k1和k2却比较复杂，这个测定的实验难题被卢瑟福攻克了。他巧妙设计和制造了较精密的仪器，测出了不同气体的a值和确定了气体离子的迁移率k1和k2。此外，汤姆逊的其他弟子诸如泽莱尼和汤森，分别在确定产生离子时既定速度气体所需的电动力和离子扩散方面做了不少工作。1896年11月，汤姆逊和卢瑟福发表了合作的论文《论暴露在伦琴射线中的气体导电》，介绍了气体导电实验的最新进展。

　　随后，汤姆逊采用了不同的管子、不同的电极、不同的气体甚至不同的方法，分别通过三个实验——观测阴极射线的电荷、使阴极射线在静电场中偏转和测量阴极射线的荷质比证明了阴极射线运载的是带负电荷的粒子流，而这些粒子的质量小于一个氢原子质量的千分之一，其质荷比为1011kg/c，比氢离子的质荷比108kg/c小千倍。汤姆逊最终认定：“不论物质所处的条件是多么不同，看来粒子是各种物质的组成部分。因此，粒子很自然地被认为是建造原子的基砖。”后来他就将这一粒子正式命名为“电子”，一举摘取了1906年度诺贝尔物理学奖的桂冠。

　　1897年8月，汤姆逊把上述这些结果汇集在《阴极射线》的论文中，并于同年10月公开发表。电子的发现，不仅打破了“原子是物质结构的最小单元”的观念，揭示出了电的本质。而且电子是人类有史以来所发现的第一个基本粒子，它使人们对物质世界的认识向前迈进了一大步。汤姆逊因此而被誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家。”

　　与此同时，电子发现的过程也使汤姆逊在卡文迪什实验室创造出了一种新的研究方式。卢瑟福等高级研究生虽然在这当中作了大量极其重要的实验，并取得了一系列至关重要的结果，但只有学识渊博的汤姆孙，才能把每个人的实验整合为一种崭新的理论成果。

　　电子的发现使得那些来自世界各地的研究生们为之而自豪，极大地鼓舞了他们刻苦攻关的斗志。史料证明，从1895~1900年间，研究论文的数量急剧增加。从而使得这段时间成了卡文迪什实验室历史上第一个最辉煌的时期。基于教授的人品与师德、博采众长的学识和敏锐的科学洞察力，汤姆逊在高级研究生之中享有崇高的威望。他们所选择的研究课题，身不由己地被汤姆逊的兴趣和所关注的范围所左右，从而紧紧地围绕在教授的周围，形成了一个以汤姆逊为其核心的研究小组。

　　在教授的主持下，卡文迪什实验室的研究方向由电磁精密测量转移到气体放电现象，由此引向微观世界的实验探索，继而产生了一条独树一帜的研究路线。正是这条研究路线，奠定了卡文迪什实验室在原子物理和原子核物理研究领域的领先地位，促成了其研究成果的迅速增长。到1897年，对于卡文迪什的研究人员来说，他们似乎达到了某种共识，即他们都是一个科学研究共同体的成员。这种认同感和归属感的产生，是以汤姆逊为核心的研究集体，在卡文迪什实验室所作出的一系列伟大贡献的自然结果。所以，根据第四代瑞利勋爵所列举的形成一个科学学派的三大基本要素，在汤姆逊担任卡文迪什实验室教授的前15年中，一个可以被称之为“卡文迪什学派”的研究集体，正在悄然兴起。

　　当然，电子的成功发现，除了汤姆逊和高级研究生的智力天赋得到了淋漓尽致的发挥以外，离不开实验室在教学、管理、师资、资金和仪器等方面的支持。在取得了显赫的业绩后，汤姆孙又针对资金不足、师资力量薄弱和研究空间极度拥挤等问题，不仅通过自筹（主要是学费）和募集资金（如从1904年度诺贝尔物理学奖得主瑞利捐给剑桥的奖金中申请到了5000英镑）的方式，扩建了实验室的规模；而且通过对初级班和高级班采取不同的教学系统的方法，满足了大学教学的要求，确保了教学质量。尤为重要的是，从汤姆逊开始，卡文迪什实验室建立了一整套培养研究生的管理体制，树立了良好的学风。并在他的倡议下，该实验室率先实行了对女学生开放的制度。这就为剑桥大学日后能够涌现出一些杰出的女科学家开创了先决条件。如在20世纪50年代初曾为揭示DNA双螺旋结构立下汗马功劳的女性X射线晶体学家——富兰克林，就是一个典型的例证。

富兰克林

　　1897年之后，卡文迪什实验室的研究焦点聚集在认识原子和亚原子结构上。例如：威尔逊已经开始了他发现宇宙射线的基础性研究工作；理查德森为热离子学的发展提供了科学基础；泽莱尼精确地测量了电场作用下离子的速度，朗之万随后改进了方法，扩展到对所有离子速度的测量；迈克里兰研究了通过白热化金属和电弧的空气和其他气体的导电性，这些研究导致了解释带电离子现象方面的重大进展。

　　在汤姆孙担任卡文迪什实验室教授的最后10年里（1909~1919），阿斯顿、威尔逊、布拉格、泰勒和阿普顿等人在实验室进行了不同凡响的研究工作。其中威尔逊对云室的连续研究后来被卢瑟福称为“整个物理学史上最具开创性的工作”。在具体研究中，作为学派的领袖汤姆孙，常常给那些遇到困难的青年科研人员指点迷津，但一旦获得了成果则完全归功于他们自己。汤姆逊的这种心胸开阔、虚怀若谷的楷模行为，对于凡是选择同一课题而取得相同的结果却为优先权问题争得不可开交的人来说，无疑是一种最好的教育、警示和启迪。同时还使他们认识到对于一个研究集体而言，不断地开拓新的研究领域要比争吵优先权更为重要。实验室的凝聚力从而得到了进一步强化。实验室全体成员之间洋溢着如此亲密无间的情感。

　　1885~1914年间受到过汤姆逊教益的各国研究生中，有许多后来成了著名的科学家，其中7人获得了诺贝尔奖，27人取得英国皇家学会会员资格。在汤姆孙入主卡文迪什实验室长达35年的岁月中，所取得的各种引人注目的科学成就，使卡文迪什实验室成了物理学的圣地，全球各地的物理学家纷纷来访，把这里的经验带回去，对各地实验室的建设起到了很好的指导作用。这里我们需要指出的是，1912年当尼耳斯·玻尔带着自己崭新的关于“原子的量子化的定态的陈述和辐射的频率法则”之理论思想来到剑桥时，时龄已有50多岁而又被繁忙的公共事务缠身的汤姆逊，对此已无暇顾及并不再感兴趣，但却引起了当时在曼彻斯特的卢瑟福的极大关注，从而最终使尼耳斯·玻尔去了曼彻斯特。难怪W.L.布拉格在总结教授科学人生的辉煌与遗憾时，曾指出：“汤姆孙是新老物理之间奇特的链环，他已经打开了通向新物理学的大门，自己却从未进去过。”

　　1918年，因三一学院院长巴特勒去世，院长职位出现空缺，汤姆逊理所当然地成为众望所归的继承者。他在兼任卡文迪什实验室教授的同时，开始选择自己的接班人。1919年卢瑟福以其在麦克吉尔和曼彻斯特所取得的卓越贡献和高尚的品格，当选为卡文迪什实验室的教授。他的返回，为该实验室和卡文迪什学派开创了新的研究路线和前沿领域，继续迈向20世纪物理科学的制高点。

　　卢瑟福

　　100多年来，卡文迪什实验室之所以能够相继培养和造就了众多的科学精英，并在现代科学的腾飞中发挥了特殊的重要作用。这与从19世纪90年代到20世纪40年代，该实验室始终存在和活跃着一个以其教授为核心的研究小组即卡文迪什学派密切相关。而这个学派的伟大缔造者正是汤姆逊，而于1919~1937年间时任卡文迪什实验室教授的卢瑟福，则是领导了这个学派走向了更加辉煌灿烂的明天。

　　在这里特别值得一提的是，汤姆逊于1903年提出的原子模型——“葡萄干布丁模型”，虽然因与a粒子散射实验所观测到的大角散射现象严重不符，而最终被抛弃。但正是他的这一开创性的大胆尝试，迎来了卢瑟福于1911年创立了“原子的核式模型”。所以，古人云：“以铜为鉴，可以正衣冠；以史为鉴，可以知兴替。” 此言极是。（全文完）

　　本文选自《现代物理知识》2010年第5期 时光摘编