（科学技术史专业论文）科学创新的典范——诺贝尔物理学奖获得者拉比述评.pdf

摘要 拉比作为2 0 世纪最杰出的科学家之一，不仅在科学研究上作出巨大贡献，而 且还在人文与教育等多方面都作出巨大的贡献。本文主要是从历史的角度出发， 广泛收集有关拉比的各方面资料，通过汇总与分析，对拉比创新的典型事例进行 评述，以及拉比学派和拉比的文化与教育思想，再次重温大师的成长经历和创新 过程，感受大师的时代风范。 全文分为四大部分。 第一部分关于拉比的早期生活和求学活动。包括他贫苦的青少年时期，宗教 的影响，求学过程中的创造火花。 第二部分关于分子束实验在拉比实验室不断改进的历程。包括理论的创新， 实验方法的创新，以及逐步发展到分子束共振实验。 第三部分关于拉比学派。包括对拉比学派的界定，拉比的教学特点，拉比作 为学术领导人的吸弓 力与他领导下的实验室内部团结、协作的环境，拉比学派的 成就。 第四部分关于拉比的人文思想与社会活动。包括拉比的科学与文化的观点， 科学与教育的观点，拉比参与创建c e p , n 和i a e a ，拉比在科教政策领域的理论 探索和实践。 关键词 拉比创新分子束拉比树拉比学派科学文化观政府政策 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s to u t s t a n d i n gs c i e n t i s t si n2 0 t hc e n t u r y ，r a b im a d e g r e a tc o n t r i b u t i o n si nm a n yf i e l d ss u c ha ss c i e n c e 、h u m a n i t i e sa n d e d u c a t i o n t h i st h e s i sr e v i e w sr a b i sc r e a t i v ee x a m p l eh i s t o r i c a l l y ， i n c l u d i n gr a b is c h o o l ，r a b i st h o u g h t so fc u l t a r ea n de d u c a t i o n ，b y c o l l e c t i n g ，g a t h e r i n ga n da n a l y z i n ga l lk i n d so fd a t u t n a l s o 。t h i st h e s i s r e v i e w sm a s t e r se x p e r i e n c eo fg r o w i n gu pa n dc r e a t i v ep r o c e s s ，a n dl e t s u sb ea b l et ol i s t e nt ot h ev o i c eo ft h et i m e st h a tm a s t e r1 i v e di n r e s p e c t f u ll y t h et h e s i si sd i v i d e di n t of o u rp a r t s t h ef i r s tp a r td e s c r i b e sr a b i se a r l y1 i f ea n ds t u d ya c t i v i t i e s i n c l u d i n gh i sp o v e r t yy o u n gt i m e ，r e l i g i o nf a m i l y si n f l u e n c e ，s t u d ya n d c r e a t i v ea b i l i t yw h i c hs p u r t e di nt h i sp r o c e s s t h es e c o n dp a r ti sa b o u te v e r l a s t i n gp r o c e s so fc r e a t i n go fm o l e c u l a r b e a me x p e r i m e n ti nr a h i sl a b ，i n c l u d i n gt h e o r e t i ci n n o v a t i o n ，c o n t i n u o u s i n n o v a t i o no fe x p e r i m e n tm e t h o d ，a n dt h e ng r a d u a l l yr u nt om o l e c u l a rb e a m e x p e r i m e n t t h et h i r dp a r ti sa b o u tr a b is c h o o l ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o no fr a b i s c h o o l ，r a b i st e a c h i n gc b a r a c t e r i s t j c s ，t h ea t t r a c t i o no fp e r s o n a l i t y o fr a b ia n dt h ec o m i t yi nh i sl a b a c h i e v e m e n t so fr a b is c h 0 0 1 t h ef o u r t hp a r td e s c r i b e sr a b i sh u m a n i t i e s t h o u g h ta n ds o c i a l a c t i v i t i e s ，i n c l u d i n gr a b i st h o u g h t s o ns c i e n c ea n dc u l t u r e ，r a b i s v i e w p o i n t so ns c i e n c ea n de d u c a t i o n ，t a k i n gp a r ti nb u il d i n gu pc e r na n d i a e ab u i i tb yr a b i ，a n dr a b i st h e o r e t i ce x p l o r a t i o na n dp r a c t i c ei n e d u c a t i o n k e yw o r d s r a b i ：i n n o v a t i o n ：m o l e c u l a rb e a m ：r a b it r e e ：r a b is c h o o l ：t h o u g h t so n s c i e n c ea n dc u l t u r e ：t h ep o l i c yo fg o v e r n m e n t l l 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：像精 日期诉洲日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 每为 日期摊明舶 首都师范大学硕l 论文 引言 近期，我国政府提出自主创新的国策，并作为一个较长时期内发展战略来执 行。关于创新环境的形成和创新型国家的建立是一个长期、持续的过程，我们的 科学技术与发达国家相比，还有很大的差距，为了尽快缩小这一差距，我们应当 向其他国家借鉴经验，从历史中寻找启示。拉比作为2 0 世纪最杰出科学家之一， 1 9 4 4 年诺贝尔物理学奖获得者，作出了许多创新性的工作，可以称之为创新的 典范，为科学的进步与发展作出了巨大贡献。 目前，国内对拉比的研究大多数局限于他的分子束共振这个实验上，不能够 对分子束实验方法的发展和改进历程有个清楚地了解。本文对拉比的青少年贫苦 的生活作深入具体的描述，再现大科学家成长的艰辛。在求学过程及其科学研究 活动中，拉比进行了一系列的创新举动，其中体现了科学创新的多种素养，这也 是本文研究的一个重点。 国内学术界对学派的研究文献很多，像李比希学派在有机化学领域、哥本哈 根学派在量子力学领域，这些学派在各自的领域都起到了很大的作用。而拉比的 分子束实验室对此领域的科学发展作了巨大贡献，但很少对此作个学派来研究， 本文对拉比学派进行了界定，提出拉比学派的概念，并对拉比学派的特点与成就 都做了一定的研究，对拉比学派在科研活动过程中所体现出集体智慧的耦合放大 进行评述，彰显学派在促进国家科技进步中的重要作用。 拉比一生经历了复杂的环境变化，两次可怕的世界大战以及2 0 世纪科学技 术的飞速发展，这些形成了拉比关于科学、文化、教育、原子能、国际合作以及 科学家参与政府决策等诸多独具特色的观点。对于这些，我们至今回忆起来也觉 得并未过时，值得研究。 总的看来，本文主要着墨于拉比创新的事例的研究，展示拉比在科学研究过 程中所体现出的创新才能以及素养，因此本文题为科学创新的典范诺贝尔 物理学奖获得者拉比述评。 首都师范大学顽t 论文 第一章早期生活和求学活动 1 1 启蒙：对圣经的怀疑 1 8 9 8 年7 月2 9 日，拉比( i s i d o ri s a a cr a b i ，1 8 9 8 1 9 8 8 ) 生于现今位于 波兰境内靠近捷克边界的莱曼诺夫( r y m a n o w ) 的小镇。他的父亲大卫罗伯特 拉比( d a v i dr o b e r tr a b i ) 出生于一个家境贫寒的犹太人家庭，几乎没受过教育， 并且也没有一技之长。小拉比出生后不久，迫于生活压力，2 1 岁的大卫就和同 伴千里迢迢到了美国纽约谋生。几个月后，在能够养活妻子( 珍妮泰格，j e n n i e t e i gr a b i ) 和年幼的儿子小拉比的情况下，大卫便让妻子带着不满周岁的儿子 离开了生活多年的家乡，前往美国。 在美国，拉比一家开始住在位于纽约曼哈顿区( m a n h a t t a n ) 最东南的犹太移 民聚居贫民区，邻居们说的都是意第绪语( y i d d i s h ，犹太国际语) 。在那里，拉 比的父亲只能去做那些低工薪的体力活。家里收入本来就不多，小拉比还经常生 病，据拉比回忆：“我小时候体弱多病，医生的账单上始终记着父亲的名字。”“1 而比拉比小五岁的妹妹也在这个时期来到了世界，他们六个人( 还有两个为其他 人) 居住在两间小平房拉比的童年就是在这样一个贫穷家庭和嘈杂环境中度 过的。 3 岁时，拉比开始上学，父母把他送入一所犹太启蒙学校。在学校学习意第 绪语和圣经，据拉比自己后来回忆：“我能把这第一次学习的语言说得像母语 一样好。”。1 拉比一家都是犹太人，基本信仰是犹太教。在犹太教中，上帝被认 为是无时不与他们同在的。拉比曾说：“在平时的交谈中，神在每句话中都会被 提及。”嘲许多故事中的角色幽灵、鬼怪、恶魔和吸血蝙蝠，都给拉比幼小 的心灵留下了深刻而持久的印象。 在九岁那年( 1 9 0 7 年) ，拉比一家搬到纽约布鲁克林( b r o o k l y n ) 的布朗斯维 尔( b r o w n s v i l l e ) 。拉比的父亲借钱开了一家杂货店，日子也过得稍好了一些， 用拉比自己的话说：“那时我并不感觉到贫穷，而且感觉到挺富有的，因为住在 我们周围的全部是穷人”嘲。不久，拉比进了一所公立学校。 1 lj a c m y b , m m i n 出p v r i e n g i n g s v i e n v e n c , w y o , t , b a s i c b o o k s ，i n c 2 u b 1 9 7 8 , 3 8 1 2 9 竭同上 嘲j o h n s r i g & ，a r a b i , c i t i z e n a n d s c i e n t i s t n e w y o f k , b a s i c b d o k s 。l n c 。p u b 1 9 8 7 2 1 9 f j 吴彤拉比：平民、科学家和政治括动家自然辩i l e 法通讯，4 ( 1 9 9 4 ) ，6 7 7 8 删j o h ns r i g d m r a b i , c i t i z e na n d i e n t i s t n e wy o r k , b a s i cb o o k s 。i n c ，p u b 1 9 8 7 , p 2 2 2 首都师范大学硕士论文 在十岁那年，一个偶然的机会拉比接触到卡内基( c a r n e g i e ) 图书馆的图书。 在那里，拉比兴趣盎然，他回忆说：“我那时一天就能阅读一本厚厚的书。”嘲 他阅读了哥白尼的“天文学”( a s t r o n o m y ) ，并被哥白尼体系深深吸引着。拉比 后来回忆起来感慨万分地说：“比起任何其它别的什么，这本书更决定了我后来 的生活”。有一次拉比对父亲说：“我想成为一名天文学家，父亲回答，那你 怎么依此生存呢? 我也不知道。”0 1 通过读书思考，拉比对圣经中的上帝创 世说产生了怀疑，比如，有一次，他有意违反犹太戒律，在安息日( s a b b a t h ) 乘 坐有轨电车，并没有什么上帝惩罚降落在他头上。另一次，他故意违反教规，在 布道者祝福会众时睁开一只眼睛去看了看，按教规说法看了眼会瞎。嘲这不 仅显示了拉比顽皮的一面，也表现了聪明的一面，而且似乎也蕴含着他对未知的 怀疑与探究精神。 在此期间，通过阅读大量书籍，使拉比对科学技术产生了浓厚的兴趣。十一 岁时，他就设计了孩童玩耍的电报系统；后来，他在一本流行的科学杂志现代 电学( m o d e r ne l e c t r i c s ) 上还发表过关于制作电容器的文章“。 1 2 求学：渐显对物理学的兴趣 即将上中学时，拉比的父母希望自己的儿子未来从事犹太教职业，但拉比却 选择了布鲁克林的一所职业培训的高级中学。据拉比自己回忆：“我选择这所培 训学校也是受到哥白尼的影响。”“” 1 9 1 6 年，拉比以优异的成绩考入纽约的康奈尔( c o r n e l l ) 大学电工系。他每 年可以获得一百美元的奖学金，但对支付学费和生活费一百美元是不够的。在能 够选择课外打工的情况下，拉比并没有选择打工挣钱，而是选择在图书馆中继续 饱览群书，做自己想做的事。拉比只能在生活上省吃俭用，以至于因为营养不良 而过早地掉了几颗牙齿。他自己说：“我那时不知道什么叫做营养，花钱去买蔬 菜吃对我而言，简直是一种奢侈，因为我非常需要固体食物去填饱肚子。”“。在 电气工程类课程之外，拉比还研修实验化学课程，对化学产生了很大兴趣，后来 ：= ：j e r e m yb m 刚n e x p e r i e n c i n g s c i e n c e n e w y o r k , b a s i cb o o k s , i n c , p u b 1 9 7 8 , 3 8 1 2 9 1 ：m a g i l lf r a n k n o r t h e n t h e n o b e l p r i z e w i n n e r sp a s a d e n a ：s a l e m p r 1 9 8 9 , 5 0 7 - 5 1 6 j e r e m y b e r n s t e i n e x p e r i e n c i n g s c i e n c e n e w y o r k , b a s i c b o o k s ，i n c ，p u b 1 9 7 8 , 3 8 - 1 2 9 一l 吴彤拉比：平民、科学家和政治活动家自然辩证法通讯，4 ( 1 9 9 4 ) ，6 7 7 8 【1 0 1j e r e m y b e m s t e i n e x p e r i e n c i n g s c i e n c e n e w y o r k , b a s i c b o o k s ，i n c , p u b 1 9 7 8 ，3 8 1 2 9 h i 同上 o “4j e r e m y b l s t c i n e x p e r i e n c i n g s c i e n c e n e w y o r k , b a s i c b o o k s ，i n c , p u b 1 9 7 8 ，3 8 - 1 2 9 3 首都师范大学硕 论文 就改修了化学专业，1 9 1 9 年他取得了化学学士学位。 毕业后，拉比返回了布鲁克林。他想从事科学研究，但是由于当时反犹太情 绪，很难找到与他学术背景相称的工作。迫于生计，拉比在纽约勒德尔( l e d e r l e ) 实验室找到一份从事分析各种物质材料的工资很低的差事，但很快辞职不干了。 在家待业的将近三年里，拉比大部分时间是在纽约公共图书馆里和朋友们讨论科 学中度过的。在1 9 2 2 年，拉比申请到一笔奖学金又回到康奈尔大学，成为攻读 化学学科的研究生。在那时，他的兴趣在物理化学上，但康奈尔大学还没有这门 课程；他想学些物理，那时的物理系没有理论物理教师，也没有开设现代物理学 课程。他后来说。“我知道我想成为一名科学家，但没人指点迷滓，我不知道怎 样达到目的，我的兴趣在物质结构上”1 1 3 。 不久，拉比感兴趣的原子结构已经成为物理学最活跃的前沿，不过它还没有 出现在美国教科书上。再说，那时一流的物理学家差不多都在欧洲。拉比在康奈 尔大学上一年级的时候，在电工课上才首次接触到电子的理论，而早在1 9 0 6 年， 英国物理学家j j ，汤姆孙就因为1 8 9 7 年发现电子被授予诺贝尔物理学奖，而拉 比在电子发现二十年后开始学习电子理论。拉比说：“我们国家应该做的是创造 性的物理学，而不是卑躬屈膝地伏在富人的餐桌下面拣他们吃剩下的面包 渣，我很快发现我所喜爱的那部分化学原来叫物理学。如果有人早点告诉我， 那就不知道我要早入门多少年“”。为了弥补失掉的时间，拉比很快制定了一个 非常紧凑的学习计划，他按这个计划用了大约6 个月，去补物理学的有关知识。 通过这一段艰苦的努力，拉比感觉到物理学是如此简捷，它的少数几个概念经过 有效的扩展就能覆盖从极小原子到庞大银河的整个自然界。“。就此看来，有 些事错过了不要紧，就像拉比经过学电工学和化学的一段曲折之后，才找到自己 所喜欢的物理学，虽然迟了一些，但为时不晚，他采取了亡羊补牢的方法，不像 些人就此潦倒一生。 在科学研究的道路上，有不少学者家境富裕，衣食无忧，有的甚至可以用家 里提供的经费从事科学研究( 如瑞利勋爵) ，他们在经济上面临的困难就少一些； 而拉比家境贫寒，在上学期间还要分担家里的经济负担，但是他通过自己的努力， 改变了这种困难处境，不但完成了学业，而且为科学发展做出了卓越的贡献，人 州j o h n s r i 剐r a b l c i t i z e n a n d s c i e n t i a t n e w y o r k , b a s i c b o o k s ，l n c p u b 1 媚7 ”l 1 1 4 1j o h ns r i g d m r a b lc i t i z e na n d s c i e n t i s t n e wy o r k , b a s i cb o o k s ，l n c p u b 1 9 8 7 p 3 6 t t s l 吴彤拉比；平民，科学家和政治活动家自然辩证法通讯，4 ( 1 9 9 4 ) ，6 7 7 8 4 首都师范大学硕 论文 生道路上绽放出一朵又一朵灿烂的花朵。 1 3 初出茅庐：创造性地测量磁化率 最初，拉比想继续在康奈尔大学攻读物理，但他没有申请到物理学奖学金， 于是他去了哥伦比亚大学。在哥伦比亚大学作博士论文时，他的导师a p 威尔 斯( w i l l s ) 教授是一位磁学专家，威尔斯建议拉比设计一个实验，测量钠蒸汽在 磁场中的反应，以此作为他的博士论文题目。将任何物质放在磁铁的两极之间时， 就会被磁化。但不同物质受到磁化情况大不相同。可以用磁化率 ( s u s c e p t i b i l i t y ) 来反映物质被磁化的性质。拉比感到这是一个非常困难的实 验，钠在高温下是气体，具有腐蚀性，很难控制。经过考虑，决定不做这个实验。 他在回忆中说道：“我对导师说我不太适合这个实验，而不能对他说我不想做这 个实验。威尔斯教授说，他感到非常遗憾，并表示他将把这个题目给别的同学。” “”威尔斯教授没有别的题目，这样博士论文只能靠拉比自己了。 此时恰逢1 9 1 5 年诺贝尔物理学奖得主布拉格( w i l l i a ml a w r e n c eb r a g g ) 来哥伦比亚大学讲学。在演讲中，布拉格介绍了一系列最近他所做晶体的实验， 得出一些盐晶体的空间排列是非常相似的，但是它们电极化率是十分不同的，拉 比从这些测量电极化率的方法与结果中受到启发，他去找了威尔斯教授；另外， 在图书馆查阅资料时，他从麦克斯韦电磁通论( 1 8 7 3 ) 中也受到重要启发：在 不同方向具有不同强度的不均匀的磁场中，能够改变晶体的磁化率。 1 9 世纪后期，德国科学家福格特( w o l d e m a rv o i g t ) 已发明了测量晶体磁 化率的实验方法，这一传统方法既复杂又困难。它需要从晶体上切割下三个独立 的小块，每一块保持晶体内的不同取向。将这些小块用扭秤悬挂在磁场中，测出 晶体对磁场的或正或负的反应程度。这需要高超的技术和艰苦的工作。“” ”j e r e m yb e m s t e l ne x p e r i e n c i n g s c i e n c e n e w y o r k , b a s i eb o o k s 。l n c p u b 1 9 7 8 3 8 1 2 9 jj e r e a n yb l r z n s t e i n e x p e r i e n c i n gs c i e n c e n e w y o r k , b a s i cb o o k s ，l n e n b 1 9 7 8 5 2 - 5 3 首都师范大学硕 论文 图1 从上面看晶体放置图图2 从侧面看晶体放置图 图3 晶体磁化率测量 拉比提出了一种新的比较测量方法，实验的设计及其思想如下：如图2 把晶 体用足够粗的玻璃丝竖直吊在不均匀的磁场中，这个玻璃丝能够阻碍晶体在磁场 中受力时而引起的转动。y 轴经过晶体的中心。把被测晶体放置如图1 和2 所示， 晶体放置在溶液中，该溶液为被测晶体的饱和溶液，以防止晶体溶解。在图2 的溶液池中，对于比水的磁化率大很多的晶体物质，溶液的磁化率可以通过增加 m n c i ，溶液的浓度来提高，通过增加该晶体的饱和溶液来使磁化率降低。对于磁 化率比水小的晶体物质，可以通过增加l ( 1 溶液的浓度来使它的磁化率降低，通 过增加该晶体的饱和溶液的浓度来使它的磁化率提高。 晶体放入磁场后就会移动，这样通过溶液的调节，用显微镜观察晶体沿x 6 首都师范大学硕l 论文 和y 轴有否移动的状态，当它们达到一种平衡时，液体磁化率就与晶体这个截面 的磁化率相当。放出溶液，对晶体另外截面的磁化率进行测量。 然后再通过如图3 所示的装置测量溶液的磁化率：装有待测液体的管子下端 放在大磁铁的场中，大的磁极用于确保在管的下端有一个均匀的场，管子下端系 有一铅块，铅块的重量相对于液体所受的磁场力大得多，这样就可以阻止管子移 动。对于弱磁溶液可以不用铅块。由于空管子在磁场中受力是非常微弱的，可以 忽略不计，磁场的作用力可以用个装得足够高以避开磁场影响的敏感的秤来测 量。把管子中的液体换成纯水，同样测出其所受的力。由于水的磁化率为 - 0 7 2 0 x1 0 。，这样比较水与该溶液的磁化率就可以精确测定晶体磁化率“”。 拉比推导了计算磁化率的公式。晶体是各向异性的，不同方向上的磁化率也 不相同。拉比的方法具有很好的技巧，可以不用去考虑磁场或磁场梯度的大小和 晶体的规格，通过两次比较就可以精确测定晶体的磁化率，它仅使拉比大约花了 六周时间就精确地完成了实验。1 9 2 7 年，他获得了博士学位，论文发表在同年 的物理评论上。 1 9 2 6 年8 月1 7 日与海伦结婚，生有两个女儿：兰希伊丽莎白( n a n c y e l i z a b e t h ) ，玛格丽特约埃娜( m a r g a r e tj o e l l a ) “”。 1 4 负笈欧洲：在大师们身边感觉良好 2 0 世纪前期，量子理论在欧洲迅速发展。从玻尔( 1 9 1 3 年) 首次将量子理 论应用到原子结构中，到索末菲( 1 9 1 6 年) 对空问量子化的预言和斯特恩与他 的同事盖拉赫( w g e r l a c h ) ( 1 9 2 2 年) 用实验验证了关于空间量子化的观点， 证明了它的正确性，以及海森伯和薛定谔等人量子力学体系的建立等等，都反映 出了量子理论在欧洲蓬勃发展。而斯特恩一盖拉赫实验的结果及其论文译文在美 国翻译出来并流传，已是1 9 2 6 年的事情，此时拉比还未毕业。他和他的同学看 出了其中的意义，于是开始研读新物理学一些创始人的论文，如德布罗意、泡利、 古兹密特( g o u d s m i t ，s a m u e la b r a h a m ) 和乌伦贝克( u h l e n b e c k ，g e o r g ee u g e n e ) 、 薛定谔等。 1 9 2 6 年，拉比和同学克勒尼希( r a l p hk r o n i g ) 用薛定谔的量子力学思想 o “ir a b io n t h ep r i n c i p a lm a g n d i cs u s c e p t i b i l i t i e so f c r y s t a l s p h y sr e v , 2 9 ( 1 9 2 7 ) ，1 7 4 1 8 5 0 1 ”m a g i i l f r a n k n o r t h a - t t h e n o b e l p r i z e w i n n e r s p a s a d e n a ：s a l e m p r 1 9 8 9 5 0 5 1 6 7 首都帅范大学硕上论文 扩展到分子体系上以解决某些问题，并把这篇论文送交物理评论主编，但是 没有被接收，理由是内容太长。当拉比和克勒尼希压缩了它，再次送去时，同样 的论文已经发表在1 9 2 6 年1 2 月2 4 号的德国物理学权威杂志物理学杂志，论 文作者是德国物理学家f r i t zr e i c h e 和h a n sr a d e m a c h e r 。拉比和克勒尼希的 论文虽然在1 9 2 7 年2 月的物理评论上发表了，但已失去了首创的意义，拉 比和克勒尼希的工作现在己成为量子理论教科书中的一个标准的例子。有鉴于 此，拉比发现，美国物理学还很落后，还不能认清新物理学的意义。就像拉比自 己说：“我们知道歌剧剧本，但我们不得不学习乐曲。”恰好此时哥伦比亚大学 有几个赴欧留学的奖学金名额，拉比获得了巴纳德基金资助，1 9 2 7 年6 月，他 带着妻子海伦，踏上去往欧洲的旅途。 由于拉比的兴趣在量子力学，他先去了瑞士苏黎世找薛定谔，但薛定谔不久 就要离开。拉比在那里呆了几个星期，首次碰到一些人，像斯特拉顿( j u l i u s s t r a t t o n ，后来成为m i t 的主席) 、波林( l i n u sp a u l i n g ) 等。当薛定谔去柏林 就任理论物理所所长之职后，拉比去了慕尼黑大学索末菲那里，那时索末菲正在 讲授量子力学课。在索末菲那里，拉比认识了后来在1 9 6 7 年获得诺贝尔物理学 奖的贝特( b e t h e ，h a n sa l b r e c h t ) ，理论物理学家康登( e u c o n d o n ) ，数学 物理学家罗伯逊( h p r o b e r t s o n ) ，并与他们相处得很好。索末菲经常邀请他 的学生们讨论问题，拉比收获很大，他说：“虽然我从未在那些大师名下学习过， 但我比9 5 的德国学生都更为适应这个环境”1 。在那时，第九十五届英国科 学促进协会的年会即将在利兹举行，会议将有密立根关于宇宙射线的报告，而最 能吸引拉比的是德拜( d e b y e ，p e t e rj o s e p hw i l h e l m , 1 8 8 4 1 9 6 6 ) 关于分子极 性和薛定谔关于近期量子力学研究的报告，于是他辞别索末菲前往利兹参加了会 议。会后他去哥本哈根拜访了理论物理学大师一玻尔。 1 9 2 7 年9 月中旬，拉比到达玻尔研究所时，玻尔等人都已度假去了。在玻 尔研究所碰到了德国物理学家约尔丹( p a s c u a lj o r d a n ) 。接着拉比来到汉堡， 那里有泡利和斯特恩。泡利，一个比拉比小两岁的优秀物理学家给了拉比很多帮 助，在泡利那里一个有利的条件是：经常有量子力学的大师与泡利探讨问题，其 中包括玻尔。然而真正对拉比科研生涯起决定性影响的是斯特恩。 删m a g i l l f r a n k n o r c l i 舶，t h e n o b e l p r z e 用锄娜p 鹊a d 饥a ：s a l if t 1 9 8 9 5 0 7 - 5 1 6 1 2 ”j o h ns 硒g d e a r a b i , c i t i z e na n d s v i e n l i a ln 钾y o r k , b a s i eb o o k s , i n c p i i b 1 9 8 7 j p 5 7 8 首都师范大学硕士论文 1 9 2 2 年斯特恩到汉堡大学建立了一个研究分子束的研究所，该研究所的规模 并不很大，但当时却是分子束研究的中心，在国际上有巨大影响，许多有关分子 柬的课题研究都是从这里开始的。同年，斯特恩与盖拉赫合作，用这种实验测定 原子磁矩的空间量子化取向。在斯特恩实验室有两位前来学习的研究人员( 如图 4 所示) ，罗纳德弗拉瑟( r o n a l df r a s e r ) ，来自苏格兰，在1 9 3 1 年出版了第 一本分子束专著，本书是该领域中的经典读物；约翰泰勒( j o h nt a y l o r ) ，来 自伊利诺斯大学。拉比经常过来与他们交流，并对弗拉瑟和泰勒参与的分子束实 验产生了兴趣。 图4 1 9 2 8 年，斯特恩实验室前排坐者从左到右：斯特恩，约翰泰勒 后排站者从左到右：o t t ob r i l l ，罗纳德弗拉瑟，拉比和i n a n u a lb s t e r m a n n 那时，斯特恩分子束实验采用的磁场是非均匀磁场，分子经过磁场时将会发 生偏转，通过对偏转量的测量就可以知道分子在磁场中的性质。但是此实验有两 个缺点：一是，粒子偏转太微弱以至不能进行准确测量；二是。不能够精确测定 分子束传播路径上各点的磁场强度，这使实验精度难以提高。 拉比想，分子柬进入均匀磁场应该也能够偏转。当一束原子进入一个非均匀 磁场时，他借助类比想象到的是，一束光进入并穿过一个棱镜，光之所以被偏转 不在于棱镜的均匀不均匀，而在于它们从空气进入到介质不同的棱镜里。所以拉 比认为，一束原子只要以某个入射角穿过一个均匀磁场，它们的飞行方向也会被 9 首都师范大学硕士论文 弯折，不管磁场是均匀还是不均匀的，并且弯折的大小只取决于原子的磁矩。这 样均匀磁场强度较易精确测量，原子束偏转量所表达的原子磁矩大小就容易计算 了。拉比非常急切地把这一想法告诉了斯特恩，斯特恩的反应既迅速又直截了当： “为什么你不去作实验，而只让思想去工作”? 拉比觉得自己冒昧地告诉斯特 恩这个想法，因为他来欧洲目的是学习理论物理的，对实验并没有多大兴趣。拉 比推托道：“我没有工作，并且还有个妻子要去养活”。然而，泰勒和弗拉瑟鼓励 他，也支持他，告诉他被斯特恩邀请去作实验是一种光荣。1 于是拉比做了自己 的第一个分子柬实验。科学研究有实验与理论之分，实验物理学家会致力于在特 定条件下的测量，如：迈克尔逊测定光速和阿斯顿( f w a s t o n ) 测量许多元 素的同位素，从而肯定了同位素的普遍存在；理论物理学家可能特别有兴趣去仔 细钻研早已得到的测量结果，希望从中发现具有普遍意义的思想，如：爱因斯坦 光量子研究和霍金的黑洞研究。在科学研究活动中，实验科学家与理论科学家需 相互配合，协同发展。但也有实验与理论双料物理学家，如：牛顿和费米，在近 现代科学史上，他们贡献卓著。拉比也是从分子束研究开始，从理论物理学家迈 向理论与实验双料的物理学家行列。 实验需要用高真空的方法，怎样对真空系统进行检漏? 实验需要用分子束， 怎样使分子束的强度稳定? 实验需要用探测器，怎样制作探测器? 实验中用到的 磁铁和电源供给，怎样使电源工作稳定，怎样标定磁场? 所有这些问题必须解决， 而且这些问题必须在实验过程中配合得十分得当才能取得成功。为了获得原子 柬，需要在真空中加热晶体，并保持真空室内高度真空，这本身就是相互矛盾的； 再有，原子束装置一头是高温，另一头却要冷却，以便让原子束凝聚在接收板上， 这样一来，用于真空系统的玻璃器皿极易爆炸。一旦爆炸，则前功尽弃。而且每 次取样，一般要经过4 8 小时的感光，才能有足够的原子积淀。由此看出，实 验过程的复杂性、技巧性都是很高的，实验基础比较薄弱的拉比经常向实验天才 泰勒请教。 1 9 2 8 年底，拉比的分子束实验得出了结果。当拉比和泰勒确信进入磁场的 原子束达到最佳曝光时间后，他们取出底片并进行冲洗。此时，他们惊喜地看到 了清晰而且明确分离的两条线，这张照片证明了拉比偶然提出的思想的创造性和 嘲吴彤拉比：平民、科学家和政治活动家自然辩证法通讯，4 ( 1 9 9 4 ) ， 7 - 7 8 硎 m a n yb e m s l c i n 脚r c n g n e wy o r k , b a s i c d s ，k 州b 1 9 7 5 ，3 8 - 1 2 9 1 0 首都师范大学硕论文 有效性。拉比掩饰不住自己的高兴，他把照片洗了许多张，送给在汉堡的留学朋 友比特( b i t t e r ) 、康登、泽曼斯基( z e m a n s k y ) 和其他的许多朋友。1 9 2 8 年1 2 月， 拉比先写了一个题目为分子束的偏转的简报寄给了自然杂志，后又写了 一个详细完整的实验报告寄给了德国物理学杂志咖。无论在理论构思还是实 验技能上，这个实验实际上为拉比后来的发展奠定了良好的基础。 在欧洲，拉比不仅学习到了新量子力学的理论知识，并做了一些前沿的实验 工作。与这些新物理学的大师相比，拉比发现自己也能与他们对话，与他们相处 得很好。拉比观察到斯特恩周围的学生都能够独立进行实验，并且做得很出色。 从上述来看，拉比小时候生活艰苦，很小的年龄就尝到了生活的艰辛，这也 锻炼了他的坚韧的性格，为后来数十年如一日的“单调”的科研生活培养了良好 的心理素质。在图书馆里，拉比读了大量书籍，为后来的学习研究生活奠定了坚 实的基础。还有他作为一个“顽童”的表现，比如拉比有意违反犹太戒律和教规， 展示了他敢于打破陈规的勇气，这也是他在科学研究进行创新的心理因素。 在作博士论文时，拉比的创新性科学研究工作有了初步的展示，他用已知磁 化率的水在某种条件下去替代与某方向晶体磁化率相同的饱和溶液，就像拉比 阅读了麦克斯韦的电磁通论和聆听了w l 布拉格的演讲而得到测量磁化率 的启示一样，创新性思维可以来自于历史的启迪，生活的启示。 后来，拉比改变斯特恩分子束实验磁场的性质的想法，他想象到光进入棱镜 之所以被偏转不在于均匀不均匀的棱镜，而在于它们从空气进入到玻璃里。由此 进行类比他想到一束原子只要以某个入射角穿过一个均匀磁场，飞行方向也会被 弯折，不管磁场是均匀还是不均匀的。这样他把斯特恩的非均匀磁场改为均匀磁 场，方便了计算磁场强度。这种类比方法的创新思维，初步显示了他的敏锐的直 觉和丰富的想象，这也是科学研究创新思维的一个范例。 讲1 吴彤拉比：平民、科学家和政治活动家自然辩证法通讯，4 ( 1 9 9 4 ) ，6 7 7 8 l l 首都师范大学颂论文 第二章分子束实验方法的创新发展 在莱比锡( l e i p z i g ) ，拉比向海森伯继续学习理论，在那里第一次碰到奥本 海默，为以后他们在曼哈顿工程的合作打下良好基础。1 9 2 9 年，拉比的奖学金 快要用完了，接下来很可能将是他物理生涯的结束，因在当时反犹太情绪下很难 找到一份工作。而此时恰巧海森伯在美国讲学，他听说哥伦比亚大学正在招聘理 论物理教师，就推荐了拉比，这样哥伦比亚大学聘用了拉比。在哥伦比亚大学， 拉比开始了他的职业生涯，一开始他想继续理论物理研究，但他对晶体磁化率的 测量和分子束实验还有一些想法。这样，一方面以理论物理学家的身份为物理系 教师与研究生开设量子力学、统计力学课程；另一方面开始着手建立实验室进行 分子束实验研究。拉比建立分子束实验室得益于在哥伦比亚大学工作的尤里 ( h a r o l du r e y ，一个1 9 3 4 年获得诺贝尔奖的化学家) ，他将自己7 6 0 0 美元的诺 贝尔奖金分给拉比一半去建造分子束实验室。尤里对拉比无比的信任，他对别人 说：“那个人( 拉比) 将要获得诺贝尔奖。”陆1 1 9 3 1 一1 9 4 0 年，除了他的第二个女儿玛格丽特约埃娜出生休息了几天之 外，拉比在哥伦比亚大学分子柬实验室的研究从没间断过。 2 1 分子束理论研究 一开始，在运用分子束实验装置测量各种核磁矩的研究中，拉比与合作者面 临的问题是，原子的磁矩比核磁矩大2 0 0 0 倍，怎样在不受原子磁矩的影响才能 测量微小的核磁矩? 拉比充分发挥了他既是一个理论家又是一个实验家的特长。 1 9 3 1 年拉比和布赖特研究出重要的b r c i t - r a b i 公式，它说明了一个原子的磁 能和其的有效磁矩如何随外磁场强度而改变。这些变化之所以发生，是由于原子 结构随着最初由电子与核在低的外场下耦合到在高的外场下耦合而改变口q 。 如果实验中用非均匀磁场是不够强的，这样在磁场中将有( 2 ，+ 1 ) ( 2 f + 1 ) 个 明显的状态，f ( 去) 为核角动量。如果一个量子数，= ，核自旋为厶则原 子在磁场中的能量为 ij e r e m y b e m s t e ：i n e x p e , r f e r l c i n g s c i e n c e n 州y o r k , b a s i c b o o k s i n c , p u b 1 9 7 8 , 3 8 - 1 2 9 坤jn o r m a ne r a m s e y o b i t u a r i c * ：i 1 r a b i p h y s 而妇 4 i ( 1 9 8 8 ) ：8 2 8 4 1 2 首都师范大学硕士论文 矿一互丽a w 等( 1 + 墨x 2 ；x = g w 国= 熹日= 胪，矽为不在 磁场中两个能级的间隔，用为磁量子数，h 为磁场强度，g 为朗德因子。在不 均匀的磁场中所受力，= 一署石o h ，等为磁场梯度，所以 f i 墨蒌专矾等，对书= 圭，赶i 之三磊舭等。而 、 2 i + 1 7、 一一，o ，o ，圳她以志一志叫c 等。嘲 ( 1 + ，) 2( 1 + ，) 2 这个理论被称为b r e i t r a b i 理论，简称为“b - r ”理论，并成为接下来几 年研究分子柬实验的理论基础。 根据“b - r ”理论，拉比作了进一步发展，这就是我们称之为零磁矩的方法。 发展这种方法直接的动机就是拉比的简单性原则，借此得到直观的答案，这就是 拉比的风格。这种方法是取磁场的某一定值，使原子的有效磁矩等于零( 磁矩是 原予的基本性质，实际上不为零) ，当原子束通过非均匀磁场时处于这种状态的 原子不会被偏转。零磁矩方法是对不能够精确测量不均匀磁场强度而发明的，但 是获得磁场新方法的发明并使用，能够较为精确测量磁场的强度，这种方法也就 2 2 分子柬实验磁场的创新 电子磁矩的发现首次为了解原子结构提供了重要的途径，同样质子磁矩的研 究为获得原子核结构的知识发挥同样的作用。1 9 3 3 年，斯特恩用分子束偏转实 验来测量氢分子中氢核( 质子) 与氘核的磁矩，得到了惊人的结果：质子磁矩约为 狄拉克理论预期值的2 8 倍，氘核磁矩则介于0 5 到1 个核磁子之间，也就是说 观测到质子磁矩为理论预期值的2 3 倍。这是由于实验测量的问题? 还是理论计 算的问题? 或者是其他问题? 后来对中子磁矩的测量，不但出现同质子磁矩测量相 似的问题，即中子磁矩实验值也远大于理论预期值( 中子不带电荷，所以狄拉克 吲b m t , r a b i m e a s u r e m e n t o f n u c l e a r s p i n , 脚r e v , 3 8 ( 1 9 3 1 ) ，2 0 8 2 - 2 0 8 3 首都师范大学硕士论文 理论认为其磁矩为零) ，这些在当时看来，都是显著异常的现象。为什么实验测 量的质子磁矩和中子磁矩( 两者统称核子磁矩) 都同理论计算值很不相同，竟有约 2 - 3 倍的差异呢? 这显然表明，质子和中子不是简单的基本粒子，而可能是由更 基本的粒子组成的复合粒子嘲。斯特恩这项研究在原子核物理学中有着重要