程民治  朱仁義  王向賢  

安徽巢湖學院物理與電子科學系

我們知道，“任何一個學派，不僅擁有獨樹一幟的理論綱領（或科研風格），而且都是由核心人物及其追隨者組成的享有崇高集體威望的機構(gòu)?！钡谒拇鹄麆拙粼谄錇闇愤d所撰寫的傳記中，曾十分明確地指出了形成一個科學學派的三個基本要素，即“令人鼓舞的領導者”、“開放而易于出成果的研究路線”以及“適當類型的研究學生”。湯姆遜所領導的研究集體在當時是否已經(jīng)具備了一個科學學派應該具備的“三項條件”呢？他在為促成卡文迪什學派的崛起和發(fā)展做出了哪些重大的貢獻？

湯姆遜和卡文迪什實驗室從1894年開始，就已經(jīng)涉獵到物理學的前沿領域。到了1895年，隨著劍橋新出臺的招生簡章的頒發(fā)，直接觸發(fā)了卡文迪什實驗室的組成人員發(fā)生了革命性的變化。因為新的章程規(guī)定，其他大學的學生，如果在兩年內(nèi)完成研究工作并提交論文獲得通過后，即可取得劍橋的學位。這一規(guī)定使得劍橋能夠招收到世界上最優(yōu)秀的學生，從而改變了其在與德國大學競爭中的被動局面。這也是劍橋在19~20世紀之交，為迎接時代的挑戰(zhàn)而進行的重大變革之交之一。

在按照新的規(guī)章錄取的首批高級研究生中，就包括來自英屬殖民地新西蘭的盧瑟福。熱情的湯姆遜張開了雙臂熱烈地歡迎這批來自異國他鄉(xiāng)的求學者。湯姆遜的好客、待人的親切和藹與無微不至的關懷，以及卡文迪什實驗室優(yōu)越的環(huán)境和條件，深深地感染和震撼著這批能在短期內(nèi)即可取得良好成績的高級研究生們。盧瑟福當時在給他未婚妻的信中，就非?？陀^地提到卡文迪什實驗室氛圍的改觀，尤其是在教授的房間里按照慣例舉行的下午喝茶制度，也有助于把他們?nèi)跒橐粋€社會和智力共同體。

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，X射線的奇異特性，更加激發(fā)了湯姆遜早于1890年就開始的帶領他的學生所投入的研究陰極射線的興趣。他在總結(jié)當時人們對陰極射線的本性問題所持有的彼此對立觀點的兩大學派（主張帶電微粒說的英國學派和主張以太論的德國學派）的基礎上，不再去研究X射線的本質(zhì)及其應用價值，而是另辟蹊徑。

在助手的幫助下，他利用X射線轟擊氣體。實驗表明，X射線能使氣體分子電離并成為導體。但湯姆遜認為在X射線作用下，氣體的電流與電壓之間的關系并非像歐姆定律那么簡單，而需要用一個復雜的微分方程來描述。這個方程應包含氣體解離后再結(jié)合的系數(shù)a、遷移率k₁和k₂，以及因X射線的作用每秒鐘被解離的離子數(shù)。后者可由無火花放電時氣體通過的最大電流來確定。而要測定a、k₁和k₂卻比較復雜，這個測定的實驗難題被盧瑟福攻克了。他巧妙設計和制造了較精密的儀器，測出了不同氣體的a值和確定了氣體離子的遷移率k₁和k₂。此外，湯姆遜的其他弟子諸如澤萊尼和湯森，分別在確定產(chǎn)生離子時既定速度氣體所需的電動力和離子擴散方面做了不少工作。1896年11月，湯姆遜和盧瑟福發(fā)表了合作的論文《論暴露在倫琴射線中的氣體導電》，介紹了氣體導電實驗的最新進展。

隨后，湯姆遜采用了不同的管子、不同的電極、不同的氣體甚至不同的方法，分別通過三個實驗——觀測陰極射線的電荷、使陰極射線在靜電場中偏轉(zhuǎn)和測量陰極射線的荷質(zhì)比證明了陰極射線運載的是帶負電荷的粒子流，而這些粒子的質(zhì)量小于一個氫原子質(zhì)量的千分之一，其質(zhì)荷比為10^?11kg/c，比氫離子的質(zhì)荷比10^?8kg/c小千倍。湯姆遜最終認定：“不論物質(zhì)所處的條件是多么不同，看來粒子是各種物質(zhì)的組成部分。因此，粒子很自然地被認為是建造原子的基磚?！焙髞硭蛯⑦@一粒子正式命名為“電子”，一舉摘取了1906年度諾貝爾物理學獎的桂冠。

1897年8月，湯姆遜把上述這些結(jié)果匯集在《陰極射線》的論文中，并于同年10月公開發(fā)表。電子的發(fā)現(xiàn)，不僅打破了“原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元”的觀念，揭示出了電的本質(zhì)。而且電子是人類有史以來所發(fā)現(xiàn)的第一個基本粒子，它使人們對物質(zhì)世界的認識向前邁進了一大步。湯姆遜因此而被譽為“最先打開通向基本粒子物理學大門的科學家?！?/p>

與此同時，電子發(fā)現(xiàn)的過程也使湯姆遜在卡文迪什實驗室創(chuàng)造出了一種新的研究方式。盧瑟福等高級研究生雖然在這當中作了大量極其重要的實驗，并取得了一系列至關重要的結(jié)果，但只有學識淵博的湯姆孫，才能把每個人的實驗整合為一種嶄新的理論成果。

電子的發(fā)現(xiàn)使得那些來自世界各地的研究生們?yōu)橹院溃瑯O大地鼓舞了他們刻苦攻關的斗志。史料證明，從1895~1900年間，研究論文的數(shù)量急劇增加。從而使得這段時間成了卡文迪什實驗室歷史上第一個最輝煌的時期?；诮淌诘娜似放c師德、博采眾長的學識和敏銳的科學洞察力，湯姆遜在高級研究生之中享有崇高的威望。他們所選擇的研究課題，身不由己地被湯姆遜的興趣和所關注的范圍所左右，從而緊緊地圍繞在教授的周圍，形成了一個以湯姆遜為其核心的研究小組。

在教授的主持下，卡文迪什實驗室的研究方向由電磁精密測量轉(zhuǎn)移到氣體放電現(xiàn)象，由此引向微觀世界的實驗探索，繼而產(chǎn)生了一條獨樹一幟的研究路線。正是這條研究路線，奠定了卡文迪什實驗室在原子物理和原子核物理研究領域的領先地位，促成了其研究成果的迅速增長。到1897年，對于卡文迪什的研究人員來說，他們似乎達到了某種共識，即他們都是一個科學研究共同體的成員。這種認同感和歸屬感的產(chǎn)生，是以湯姆遜為核心的研究集體，在卡文迪什實驗室所作出的一系列偉大貢獻的自然結(jié)果。所以，根據(jù)第四代瑞利勛爵所列舉的形成一個科學學派的三大基本要素，在湯姆遜擔任卡文迪什實驗室教授的前15年中，一個可以被稱之為“卡文迪什學派”的研究集體，正在悄然興起。

當然，電子的成功發(fā)現(xiàn)，除了湯姆遜和高級研究生的智力天賦得到了淋漓盡致的發(fā)揮以外，離不開實驗室在教學、管理、師資、資金和儀器等方面的支持。在取得了顯赫的業(yè)績后，湯姆孫又針對資金不足、師資力量薄弱和研究空間極度擁擠等問題，不僅通過自籌（主要是學費）和募集資金（如從1904年度諾貝爾物理學獎得主瑞利捐給劍橋的獎金中申請到了5000英鎊）的方式，擴建了實驗室的規(guī)模；而且通過對初級班和高級班采取不同的教學系統(tǒng)的方法，滿足了大學教學的要求，確保了教學質(zhì)量。尤為重要的是，從湯姆遜開始，卡文迪什實驗室建立了一整套培養(yǎng)研究生的管理體制，樹立了良好的學風。并在他的倡議下，該實驗室率先實行了對女學生開放的制度。這就為劍橋大學日后能夠涌現(xiàn)出一些杰出的女科學家開創(chuàng)了先決條件。如在20世紀50年代初曾為揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)立下汗馬功勞的女性X射線晶體學家——富蘭克林，就是一個典型的例證。

富蘭克林

1897年之后，卡文迪什實驗室的研究焦點聚集在認識原子和亞原子結(jié)構(gòu)上。例如：威爾遜已經(jīng)開始了他發(fā)現(xiàn)宇宙射線的基礎性研究工作；理查德森為熱離子學的發(fā)展提供了科學基礎；澤萊尼精確地測量了電場作用下離子的速度，朗之萬隨后改進了方法，擴展到對所有離子速度的測量；邁克里蘭研究了通過白熱化金屬和電弧的空氣和其他氣體的導電性，這些研究導致了解釋帶電離子現(xiàn)象方面的重大進展。

在湯姆孫擔任卡文迪什實驗室教授的最后10年里（1909~1919），阿斯頓、威爾遜、布拉格、泰勒和阿普頓等人在實驗室進行了不同凡響的研究工作。其中威爾遜對云室的連續(xù)研究后來被盧瑟福稱為“整個物理學史上最具開創(chuàng)性的工作”。在具體研究中，作為學派的領袖湯姆孫，常常給那些遇到困難的青年科研人員指點迷津，但一旦獲得了成果則完全歸功于他們自己。湯姆遜的這種心胸開闊、虛懷若谷的楷模行為，對于凡是選擇同一課題而取得相同的結(jié)果卻為優(yōu)先權(quán)問題爭得不可開交的人來說，無疑是一種最好的教育、警示和啟迪。同時還使他們認識到對于一個研究集體而言，不斷地開拓新的研究領域要比爭吵優(yōu)先權(quán)更為重要。實驗室的凝聚力從而得到了進一步強化。實驗室全體成員之間洋溢著如此親密無間的情感。

1885~1914年間受到過湯姆遜教益的各國研究生中，有許多后來成了著名的科學家，其中7人獲得了諾貝爾獎，27人取得英國皇家學會會員資格。在湯姆孫入主卡文迪什實驗室長達35年的歲月中，所取得的各種引人注目的科學成就，使卡文迪什實驗室成了物理學的圣地，全球各地的物理學家紛紛來訪，把這里的經(jīng)驗帶回去，對各地實驗室的建設起到了很好的指導作用。這里我們需要指出的是，1912年當尼耳斯·玻爾帶著自己嶄新的關于“原子的量子化的定態(tài)的陳述和輻射的頻率法則”之理論思想來到劍橋時，時齡已有50多歲而又被繁忙的公共事務纏身的湯姆遜，對此已無暇顧及并不再感興趣，但卻引起了當時在曼徹斯特的盧瑟福的極大關注，從而最終使尼耳斯·玻爾去了曼徹斯特。難怪W.L.布拉格在總結(jié)教授科學人生的輝煌與遺憾時，曾指出：“湯姆孫是新老物理之間奇特的鏈環(huán)，他已經(jīng)打開了通向新物理學的大門，自己卻從未進去過?！?/strong>

1918年，因三一學院院長巴特勒去世，院長職位出現(xiàn)空缺，湯姆遜理所當然地成為眾望所歸的繼承者。他在兼任卡文迪什實驗室教授的同時，開始選擇自己的接班人。1919年盧瑟福以其在麥克吉爾和曼徹斯特所取得的卓越貢獻和高尚的品格，當選為卡文迪什實驗室的教授。他的返回，為該實驗室和卡文迪什學派開創(chuàng)了新的研究路線和前沿領域，繼續(xù)邁向20世紀物理科學的制高點。

盧瑟福

100多年來，卡文迪什實驗室之所以能夠相繼培養(yǎng)和造就了眾多的科學精英，并在現(xiàn)代科學的騰飛中發(fā)揮了特殊的重要作用。這與從19世紀90年代到20世紀40年代，該實驗室始終存在和活躍著一個以其教授為核心的研究小組即卡文迪什學派密切相關。而這個學派的偉大締造者正是湯姆遜，而于1919~1937年間時任卡文迪什實驗室教授的盧瑟福，則是領導了這個學派走向了更加輝煌燦爛的明天。

在這里特別值得一提的是，湯姆遜于1903年提出的原子模型——“葡萄干布丁模型”，雖然因與a粒子散射實驗所觀測到的大角散射現(xiàn)象嚴重不符，而最終被拋棄。但正是他的這一開創(chuàng)性的大膽嘗試，迎來了盧瑟福于1911年創(chuàng)立了“原子的核式模型”。所以，古人云：“以銅為鑒，可以正衣冠；以史為鑒，可以知興替。” 此言極是。（全文完）