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“歪打正着”获得的重大科学发现
来源:世界科学 | 2023/11/25 23:10:14 | 浏览:760 | 评论:0

科学史上不乏偶然发现的记录。一些科学家在研究过程中,原本探寻的是某种预期的目标,由于偶然事件的发生,得到的却是某种完全意外的结果,正所谓“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”,他们“歪打正着”获得了重大的科学发现,在科学界传为佳话。

伦琴“偶然发现”X射线

19世纪下半叶,一些物理学家研究气体的放电过程。德国物理学家伦琴自1895年起,在实验室里研究阴极射线管中的气体放电过程。在他之前,已有人做过这方面的实验研究,德国的勒纳德发现阴极射线有很强的穿透能力,他认为这是一种电磁波;英国的克鲁克斯也研究过阴极射线,认为是这一种粒子流。

伦琴认为,他们的研究中有些问题还有待解决。他重复了这些人的实验。为防止阴极射线管内的光线漏出,他用硬纸板和锡箔把管子包起来。1895年11月8日晚,伦琴发现了一个意外现象:在接上高压电流时,在1米以外的一个涂有氰亚铂酸钡的荧光屏上发出微弱的闪光,而切断电源,荧光就消失。

这一发现使他十分惊奇。他全神贯注地重复实验,把荧光屏一步步移开,发现即使在2米左右,屏上仍有荧光出现。伦琴确信,这一新奇的现象已无法用阴极射线的性质加以解释,因为阴极射线只能在空气中行进几厘米,不能使从1米到2米远的荧光屏闪光。

伦琴对这一新发现紧追不放。他设想,当阴极射线撞击玻璃壁时,可能会形成一种未知的射线,透过玻璃射在荧光屏上,激发出荧光。他竭尽全力要得出“完整无瑕的结果”。为此,他一连在实验室里忘我地工作了6周。

经过反复试验,他发现,金属片放在阴极射线管与荧光屏之间,在屏上有金属片投射的阴影,说明这种未知的射线不能穿过金属片;拿走金属片,放上不透光的木片和纸片等,在屏上几乎没有阴影,表明射线能穿过这类物质。伦琴确认这是一种新的射线,因其性质不明,暂名为“X射线”。

12月22日,伦琴做了一个十分有趣的实验,他请夫人到实验室来,请她把手放在用黑纸包严的照相底片上,然后用X射线照相。由于射线对肌肉和骨骼的穿透不一样,在显影后,看到了伦琴夫人的手骨像,手指上的结婚戒指也十分清晰。这是一张有历史意义的极其珍贵的照片。

12月28日,伦琴向《维尔茨堡物理医学学会会刊》提交论文“论一种新的射线”,把他的新发现公之于众。1896年1月5日,维也纳《新闻报》率先做了报道,引起了人们的惊奇,世界各地许多实验室都开动了仪器,重复伦琴的实验,并向民众做示范。这一年,全世界发表了近百篇关于X射线研究的论文和报告,一门新的学科——X射线学——应运而生,这展示了科学研究新的未知领域,把人们的注意力引向更广阔的天地,拉开了现代科学革命的序幕。

伦琴说,他是“偶然发现射线穿过黑纸的”。诚然,伦琴做出重大发现多少带有偶然性,但在偶然中却有必然性。是伦琴而不是其他人做出了这一发现,是因为他具有锐利的探索目光、追究意外现象锲而不舍的精神、周密细致的观察能力和严谨的工作态度。伦琴所具备的科学素养,也是他成功的重要原因。

早年他在吉森大学工作期间,深入研究了电磁学和光学,根据电动力学理论发现了运动电荷的磁场。他受过成为一名工程师的严格训练,养成了自己动手制造实验设备和仪器的习惯,并善于利用仪器进行观察、获得高精度的结果。他具备了必需的数学手段和以直观形式提出物理思想和理论的能力。

伦琴因发现X射线荣获1901年诺贝尔物理学奖,这是第一届诺贝尔物理学奖!

柏林科学院在给伦琴的贺信中指出:“科学史告诉我们,在每一项发现中,功劳和幸运独特地结合在一起。在这种情况下,许多外行人也许认为幸运是主要的因素。但是,了解您的创造个性特点的人将会懂得,正是您,一位摆脱了一切成见的、把完善的实验艺术与最高的科学诚意和注意力结合起来的研究者,应当得到做出这一伟大发现的幸福。”

“歪打正着”获得的重大科学发现

戴维森从“意外的”实验结果

证实电子波的存在

20世纪初,美国西方电气公司买了一种新式真空三极管的专利,以改进长途电话通信。这种三极管的电子发射源是用涂敷氧化物的铂丝做的。不久,美国通用电气公司发明了用钨丝作为阴极的真空三极管,并申请真空三极管的专利。

通用电气公司提出诉讼,声称自己的三极管是真正的高真空管,而西方电气公司的三极管真空度不高,里面有残余空气,依靠空气中的阳离子轰击涂敷氧化物的灯丝才能引起阴极发射电子。

这场官司延续了好几年。西方电气公司一边打官司,一边做实验探究三极管的电子发射机理。公司实验室(后来的贝尔实验室)的戴维森和助手革末测试了阳离子轰击涂敷氧化物发射出的电子量,证明了铂丝发射电子与阳离子的轰击根本无关。

美国最高法院最终判西方电气公司胜诉,拥有真空三极管的专利权。

之后,戴维森和革末继续研究电子管里的电子辐射问题。1925年的一天,他们用电子束轰击放在真空系统里的镍靶,突然一个盛放液态空气的容器因放置不当倒地炸裂,液态空气蒸发,钻进了真空系统,那块镍靶立即被氧化。

他俩长时间地进行热处理以净化镍靶表面,待表面的氧化膜去除后,再装回真空管中。重新启动实验,他们发现了奇异的现象:投射到镍靶上的电子束强度会随着镍靶的取向而变化;在某些取向上,强度达到最大值。这种现象很像一束波绕过障碍物时发生了“衍射”。

戴维森深感困惑,因为早在1897年,英国物理学家汤姆孙(J. J. Thomson)已经证实:电子是一种带负电的微粒,现在怎么又变成了“波”呢?

1926年夏天,戴维森到英国剑桥参加学术活动时,结识了一些物理学家,其中有德国著名的物理学家玻恩。戴维森对玻恩提起了自己的实验,玻恩向他介绍了新的“物质波”理论,这是法国物理学家德布罗意在1924年提出的:包括电子在内的一切微观粒子既有波动性又有粒子性,概括为“波粒二象性”。另外,德布罗意还给出了粒子的波动性和粒子性的关系式。

玻恩认为,戴维森得到的“意外”实验结果,很可能是由于镍的晶格引起电子的衍射而引起的,这或许是确认物质波存在的一个证据。

戴维森深受启发,他想起那回热处理被氧化的镍靶表面的过程,始料未及的,热处理竟会使镍发生了变化:它原先由无数小晶体构成,处理后成了大块的单晶体,使电子发生了衍射。

戴维森回国之后,开始以更仔细的实验证实电子波的存在。

戴维森与革末在实验中,把一个长12.70厘米、高5.08厘米的装置密封在玻璃泡里,其真空度为1.33×10-6帕斯卡。电子收集器是个双层的用石英绝缘的法拉第圆筒,两层加反向电压,收集器可以在一个固定平面中围绕电子束的入射点旋转,散射角在20°~90°的范围内,用一只灵敏电流计来测量不同方向上被反射的电子电流强度。实验时使电子枪的热钨带发射电子,用电场把电子加速到所需要的速度,再通过准直孔径形成窄细的电子束,投射到一个经过研磨和腐蚀制备的单晶镍的表面上,晶体可以绕与入射电子束一致的轴旋转。

他们在实验中认真观测了散射电子束的强度与散射角之间的关系。1927年1月他们利用散射电子束的强度最大值与散射角之间的定量关系,计算出了电子的德布罗意波长,与用德布罗意关系算出的结果一致。

几乎与此同时,英国汤姆孙的儿子小汤姆孙(G.P.Thomson)在不知道戴维森实验的情况下,也进行了类似的实验,他用一束窄阴极射线,使快速电子穿过金属薄膜,在金属膜后面的照相底片上留下了环状的衍射图样。他的实验与戴维森的实验,异曲同工,殊途同归,都证明了电子波的存在,确认了电子的“波粒二象性”。

1937年,戴维森和小汤姆孙因发现电子的在晶体中的衍射现象而共获诺贝尔物理学奖。

“歪打正着”获得的重大科学发现

休伊什和贝尔

“出人意料”探测到脉冲星

英国剑桥卡文迪许实验室射电天文小组的休伊什自20世纪50年代起,利用星光闪烁现象来研究地球大气结构,测出电离层的一系列数据,发现了上电离层风的存在,风速为每秒100米至300米。在60年代,他进一步研究太阳风。太阳风是由太阳喷发的高速带电粒子流,当它强劲地吹过行星际空间,同样会使射电源的信号出现闪烁现象。

休伊什研制了一种新式闪烁射电望远镜,以进一步观测太阳风。1963年美国帕洛玛天文台的马丁·施密特发现类星体,休伊什期望自己的这台望远镜也能发现新的类星体和射电星系。

他用2048个全波偶极天线摆成一个长方形矩阵,接收面积为1.8万平方米,矩阵具有高灵敏度和高时间分辨率,在大于0.1秒时间内信号强度如发生变化,都能准确地记录下来。他使用了4台接收机,同时接受来自4个不同天区的信号。

1967年7月,休伊什的这架射电望远镜投入巡天观测。

望远镜对整个天空扫视一遍需4天时间,由于与射电望远镜天线配套的计算机还未安装,收到的信号记录在纸带上,每天输出的记录纸带长达30米。对海量的信号进行处理,是一件非常枯燥的工作,工作量十分浩大,休伊什把这项任务交给24岁的女研究生乔瑟林·贝尔。

贝尔每隔4天就必须整理近122米长的记录纸带,她要一点一点地审视记录纸带,既要从纸带上分离出地球上人类发出的各种无线电信号,又要把真正由射电体发出的射电信号标示出来。

这一年10月份的一天,贝尔从纸带上发现了一个波长约1.27厘米的特殊信号,以前的纸带上是否也有这样的信号呢?贝尔仔细地审查一下以往的记录,发现最早在8月6日出现过这种奇怪的信号,到9月底为止,已记录到6次之多。她把这一情况报告给休伊什,休伊什指示她改用新安装的时间分辨率很高的快速记录仪记录下信号。

到11月底,贝尔发现这是一种短暂的脉冲,其周期为1.33728秒,而且很有规律,出现的间隔是23小时56分,这正好是恒星周日视运动的时间间隔。

“歪打正着”获得的重大科学发现

这个发现出人意料,为慎重起见,休伊什写信给全英国的天文研究小组,询问他们是否有类似的发现,回答是否定的。

休伊什起初认为,这种脉冲是人为的,没有什么自然物体可以保持其周期振动如此快速且又准确,是不是在遥远星球上的“外星人”以某种方式在寻呼呢?小组的成员很振奋、并为“外星人”起了一个很好听的名字——“小绿人”。

贝尔对“小绿人”的说法不以为然。她认为,这种射电天体有固定的位置,天线接收的方向和速度也都不变,不像是“小绿人”所为。如果是“小绿人”所为,那么它们居住的行星的运行会影响信号的速度,进而产生所谓的“多普勒频移”,但几个月的观测并未发现这种效应。

贝尔接着又发现3个辐射脉冲的天体,“小绿人”不可能在4个相距如此遥远的天体上同时使用同频段发射射电信号。

1968年2月,休伊什和贝尔等5人署名在《自然》杂志上发表了题为“对一个快速脉动射电源的观测”的报道,文中对发出辐射脉冲的天体作了尝试性解释,认为它可能是物理学家预言的超级致密的脉冲星(中子星)。

他们的设想很快得到了证实,做出了天文学上的重大发现,这个发现与类星体、星际分子、微波背景辐射被称为20世纪60年代天体物理学的四大发现。这四大发现为天文学研究开辟了新的研究方向,而且对现代天体物理学的发展产生了深远影响。

1974年,休伊什获得了诺贝尔物理学奖,这是天文学家第一次获得该奖项。不少著名的科学家为乔瑟林 ·贝尔没能同时得奖深表遗憾,然而他们充分肯定了贝尔在发现脉冲星的过程中发挥的至关重要的作用。

机遇偏爱有准备的头脑

在科学探究过程中由于意外的事件导致科学上的新发现,称为机遇。其最大的特点是意外性,这种意外性十分有意义:意外的偶然的发现会使研究遇到的难题迎刃而解;意外地发现的另一事物,或许会比原先要研究的事物更有价值,从而开辟了新的研究方向和目标。

在科学史上,当某些重大发现公布之后,常有一些科学家后悔莫及——他们也曾遇到过类似的现象,可惜未予注意,与重大的发现失之交臂。在伦琴发现X射线之前,克鲁克斯和勒纳德都发现在阴极射线管附近的密封照片被感光的现象,却没有重视。与此相反,伦琴抓住了偶然现象并追踪不放,从而发现了未知射线。

如何才能抓住机遇获得成功呢?法国微生物学家巴斯德说得好:“在观察的领域里,机遇只偏爱那些有准备的头脑。”

这里,“有准备”的含义主要是:一要有哲学素养方面的准备,深刻理解偶然性与必然性之间的辩证关系,认识到偶然性背后可能隐藏着某种必然性,抓住偶然性去揭示其事物内在的必然性或规律性、有可能做出科学发现;二是有及时发现问题的认识能力上的准备,要具有广博的知识背景、开放的思路、活跃的思想、敏锐而深刻的洞察力和分析批判能力。

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