贝克勒尔的幸运和约里奥－居里夫妇的不幸

3　贝克勒尔的幸运和约里奥－居里夫妇的不幸

一个如此奇妙的发现，竟然起因于一连串虚假的线索，这真是惊人的巧合。科学史上大约很难再出现与这相似的发现。

瑞利

在诺贝尔奖获奖的历史中，有许许多多让人感到非常意外、同时又非常有趣的故事。就拿1903年与居里夫妇一同获得诺贝尔物理学奖的贝克勒尔（1852—1908）来说吧，他是因为发现物质的放射性而获奖的。但是，你知道他是怎么样发现放射性的吗？不说你当然不知道，一说还真会让你吓一跳！贝克勒尔竟然是在一连串三个错误的假设中有了伟大发现，从而使他获得诺贝尔奖！这事可真让人感到惊讶。有人说，贝克勒尔真是“福星高照”，此话不假。

但居里夫妇的女儿和女婿就恰好相反，不仅没有“福星高照”，而是“晦星临头”、功败垂成，让稳稳当当该他们获奖的机会，一次又一次地从鼻子尖上溜了过去。不过幸好，他们后来还是抓住了一次机会，在1935年获得了诺贝尔化学奖。

下面我们就先从幸运的贝克勒尔讲起。

伦琴的发现引起贝克勒尔的思考

1895年11月8日，这天是星期五。在德国维尔茨堡美丽的普拉尔公园不远处，有一幢石造的二层楼房，这就是后来闻名于世的维尔茨堡大学物理研究所。在这深秋寒冷的夜晚，研究所静悄悄，除了树叶沙沙的落地声，真是万籁俱寂。但这个寒冷的秋夜对伟大的德国物理学家伦琴（1845—1923，1901年获得诺贝尔物理学奖）来说，却是终生难忘之夜。因为就是在这个晚上，伦琴发现了X射线。

德国物理学家伦琴。他发现的X射线，引发了现代物理学的革命

20世纪物理学革命的序幕也因X射线的发现而从此拉开。

X射线的发现一公布，迅即引起了全世界强烈的震动。其迅速、强烈的程度，在整个科学史上可谓空前。世界各地的物理实验室，都立即日以继夜地干起来，以证实伦琴那令人瞠目结舌的新发现。当全世界物理学家都确信这一发现是千真万确以后，紧接着对X射线的物理性质展开了激烈的争论。当时有两种针锋相对的看法：一种看法认为X射线是一种带电的粒子流；另一种看法则认为X射线是一种电磁波。非常有意思的是，这种对立看法大致上是以国家分界的：英国物理学家大多支持X射线是一种带电的粒子流的看法，而德国物理学家则大多支持X射线是一种电磁波的看法。

前面提到的法国伟大的数学家彭加勒，如同许多世界第一流的数学家一样，非常关心当代物理学的进展，在物理学领域里他发表的文章和书籍达70多种。当X射线本质的争论在物理学家中激烈进行时，彭加勒也积极参加了争论。他倾向于英国物理学家的观点，认为X射线是一种带电的粒子流。现在我们知道，彭加勒以及大多数英国物理学家的观点是错误的，因为德国物理学家劳厄（1879—1960，1914年获得诺贝尔物理学奖）同他的两位助手于1912年用精巧的实验，证实了X射线可以产生衍射，于是X射线的波动性得到了证实。这是后话，这里不多讲，还是回到彭加勒参加争论的事情上来。

伦琴拍下的他夫人手骨的照片

说起来也许令人觉得奇怪，任何一个法国物理学家都没有像彭加勒那样为X射线的发现所高度激动。1896年1月20日在法国科学院周会上，彭加勒把伦琴托人带给法国科学院的X射线照片（那是一张伦琴夫人手骨的照片）给大家看。

在台下的贝克勒尔问：

彭加勒，X射线从管子的哪一部分发出来的？

彭加勒回答说：

看来是从阴极对面的玻璃壁发荧光的地方发出的。

贝克勒尔立即作出推断：

可见光与非可见光产生的机理应该是一样的，X射线可能总是伴随着荧光现象。

贝克勒尔研究方法一贯是描述性的，基本上只信赖观测，尽可能小心地回避推理，但这一次他却异乎寻常地推论：

X射线与荧光之间很可能存在一种关系。

他还决定立即用实验来证实这一推断。

阴雨天气给贝克勒尔带来好运气

贝克勒尔很幸运，他有极优越的条件可以立即着手进行实验，因为他祖父曾研究过磷光，在他祖父写的六本书中有两本是磷光方面的专著；他的父亲则是荧光方面的专家，而且特别熟悉铀。贝克勒尔继承父业，也非常熟悉荧光物质，而且实验室里还有现成的铀盐（硫酸铀酰钾）。他决定用现成的铀盐开始实验，证实他的推测。

实验的构思是这样的：用黑色的厚纸严密封好照相底片，使其不受阳光和荧光的作用，但可以受到X射线作用。在纸封附近放两块铀盐的晶体，其中有一块铀盐晶体与纸封之间放一枚银币，然后，用阳光照射这两块晶体，使它们发出荧光。如果发荧光的物体可以产生X射线，那么底片上将留下明显不同的痕迹。

太阳照射一天之后，贝克勒尔把底片冲洗出来，一切和预料中的完全一样：在纸封和铀盐晶体之间有银币的地方，底片上留下了银币的轮廓分明的斑点。看来，贝克勒尔一定非常满意他的推断，即“发荧光的铀也可以发射X射线”，很可能是正确的。不过贝克勒尔的信条是要不厌其烦地反复实验，他决不会轻易相信一两次实验所得到的结论。

1896年2月26日，他想重复做一次上面的实验，但是很扫兴的是那一天天气阴沉，这是巴黎二月份常有的事。他只得把铀盐晶体和用纸闭封的底片叠在一起锁到抽屉里，等待天气转晴。

贝克勒尔当时万万没有想到，二月底的几天阴沉的天气，竟给他带来了天大的幸运，给人类的科学前景带来了光明。3月1日，天气晴朗，贝克勒尔准备接着实验。但是不知出于什么原因，他把原来放进抽屉中没有经过太阳晒的底片冲洗出来了。冲洗的原因有的说是由于他严谨的工作作风，有的说他可能要换做另一个实验，还有人则说是为第二天报告的需要。以我个人的揣度，贝克勒尔很可能是想从另一个角度证实他的荧光发出X射线的猜想。抽屉里铀盐与底片在一起放了三天，铀盐没有在太阳下晒，因此没有发荧光，因而底片上不会感光，更不会出现银币的轮廓。如果真是这样，不是从反面证实了自己的猜想吗？哪知底片冲洗出来以后，让他大吃一惊：冲洗出来的底片其感光的程度竟与上次一样！贝克勒尔立即意识到他发现了一种非常重要的现象：铀盐晶体即使不受太阳照射，亦即不发荧光，也可能发出X射线。

这一猜想很容易用实验来证实，而接着的实验也果然证实了他的猜想。但这些并没有使贝克勒尔十分激动，因为他一直认为他做的实验，都是在进一步研究X射线，他到这时还不知道自己是在一系列错误的假设下进行探索的。

经过进一步的研究，贝克勒尔发现所有的铀盐晶体，不论它们是否发荧光，都能使底片感光；而其他的矿物，即使是发出极强荧光的物体，却不能使底片感光。这一发现才真正使他激动起来，连他那一小撮漂亮的胡子也因激动而不断地抖动。贝克勒尔这才明白，使底片感光的不是什么X射线，而是一种新的射线，其射线源就是铀。这种射线后来就取名为“铀射线”，也称“贝克勒尔射线”。

法国物理学家贝克勒尔

贝克勒尔射线的发现对物理学有极为重大的意义，因而使他获得1903年诺贝尔物理学奖。在这以前，科学家们坚信原子是最小的、不可再分割的粒子；现在，铀原子却可以放射出一种射线来，可见原子并不是不可分割的。还有更使物理学家迷惑不解的是，铀盐晶体不断放出射线的能量是从哪儿来的呢？当时有一位物理学家问英国杰出的实验物理学家瑞利勋爵：

如果贝克勒尔的发现是真的，那能量守恒定律岂不遭到了破坏？

瑞利十分幽默地回答说：

更糟糕的是我完全相信贝克勒尔是一位值得信任的观察者。

现在我们再回过头来回想一下贝克勒尔得到这个重大发现的过程，我们将惊异地发现，这一发现竟然是建立在三个错误的假定上：第一，X射线是由玻璃壁上发荧光的地方产生的；第二，其他发荧光的物质也发射X射线；第三，当铀盐不发荧光时也仍然发射X射线。

难怪连瑞利勋爵都发出了感慨：

一个如此奇妙的发现，竟然起因于一连串虚假的线索，这真是惊人的巧合。科学史上大约很难再出现与这相似的发现。

这种巧合虽然令人惊奇，但是我们不能据此就认为，贝克勒尔的重大发现完全是由于他的运气好。如果我们持这种看法，就不能从中得出有益的结论。我们知道，造成错误最常见的原因，就是在实验证据不足的情况下作出普遍性概括。贝克勒尔在开始研究X射线与荧光之间的关系时，他大概明白自己是在证据不足的情况下作了一些尚需证实的推断，不然他为什么一再告诫他的助手，要不厌其烦、反反复复地做实验呢？贝克勒尔是一位十分严谨的实验物理学家，他平生最厌恶的就是轻率地作出概括和在证据不足的情形下提出假说。这次他能提出几个推断，对他来说几乎是空前绝后的事情了，所以我们可以想象他将如何谨慎地用实验来证实自己的推断。在没有十足的证据时，他是不会相信自己的推断的。正因为如此高度重视实验对检验理论的重要性，所以他的发现也就具有一定的必然性了。

此后，贝克勒尔对放射线还继续做了几年研究，但未取得实质性的进展。在这方面继续作出贡献的是居里夫人（1867—1934，1903年与贝克勒尔共同获得诺贝尔物理学奖，1911年获得诺贝尔化学奖）。贝克勒尔之所以在放射线的继续研究中落后，是因为他只局限于把铀作为他的放射源。铀是他知道得最清楚的物质，它曾经帮助过他作出了重大发现，现在却又阻碍他继续前进。另外，他的思想方法的缺陷也不能不是原因的一个方面。他重视实验观察，对假说持谨慎、怀疑的态度，无疑是他发现贝克勒尔射线的重要原因之一，但对假说在理论建立中的重大作用他却认识不足，这又使他没有能够乘胜扩大战果，进而研究放射性的普遍性。难怪在多年之后，他不无遗憾地说：

因为新射线是通过铀认识的，所以我有一种先验的观点，认为其他已知物体的放射性可能比这个还要大很多是不可能的，于是，对这个新的放射性现象普遍性的研究，我就认为没有对它本质的物理研究来得紧迫。

贝克勒尔在他的实验仪器旁边

约里奥－居里夫妇进入放射线研究

讲完幸运的贝克勒尔，再来看看约里奥－居里夫妇的不幸。

1935年，瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖委员会决定把该年度物理学奖授予1932年发现中子的英国物理学家詹姆斯·查德威克（1891—1974）。

据说，评奖委员会在这年评奖征求意见时，卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理学奖授给他的学生查德威克一个人。当时有人提出，约里奥－居里夫妇对此作过真正重要的发现，不考虑他们是说不过去的。卢瑟福的回答据说是这样的：

发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克就算了，至于约里奥－居里夫妇嘛，他们是那样的聪明，不久会因别的项目而得奖的。

约里奥－居里夫妇

论约里奥－居里夫妇对发现中子所作的贡献，那的确是无法否认的，查德威克本人在1935年12月12日接受诺贝尔奖发表讲话时，就曾这么提到约里奥－居里夫妇的贡献：

约里奥－居里夫妇的非常卓越的实验，在发现中子的路上迈出了真正的第一步……

那么，约里奥－居里夫妇是怎样失去了作出重大发现的机会呢？下面我们将介绍的就是他们的失误，以及他们从失误中的奋起。

弗雷德里克·约里奥（1900—1958）于1900年3月19日出生在法国一个商人家庭。约里奥喜爱运动，他曾回忆说他差一点就成了职业足球运动员。同时，他又喜欢音乐，能弹一手漂亮的钢琴。在中学时，由于太喜欢运动，他的学习成绩并不好，所以刚进大学念书时，他感到非常吃力。但是到1923年毕业时，他已名列前茅。他的物理老师是有名的物理学家朗之万（1872—1946），他看到约里奥很有培养前途，就亲自与居里夫人商量，将约里奥安排到她的实验室去当助理实验员。从此，约里奥便踏上了他那光辉的科学探索生涯。

更幸运的是在居里夫人的实验室里，他与居里夫人的女儿伊伦娜（1897—1956）在一起工作。伊伦娜比约里奥大3岁，1918年就已经从巴黎大学毕业。开始约里奥听人说伊伦娜待人冷若冰霜、言语尖刻，但通过一段时间的交往，约里奥发觉伊伦娜并不像人们说的那样。他对伊伦娜逐渐产生了好感。后来约里奥回忆这一时期的情形时说：

我开始注意她了。她表情冷淡，有时还忘了对人说一声早安。她在实验室里是不会引起别人好感的。但是在这位被别人看成是一块未经琢磨的石头似的青年女子身上，我发现她是一个非常敏感、具有诗人气质的人。她在许多方面是她父亲的化身……作风朴实，有头脑，态度从容。

由于志趣相投，他们在相识三年后于1926年10月9日结婚。两人决心合力研究放射性。非常有意思的是，当年普朗克决定从事物理研究时，他的老师约里说物理已经完善得没有什么可以值得研究的了，需要做的只不过是把实验精度的小数点往后移动几位；30多年以后，约里奥和伊伦娜也遇到相似的情形。著名化学家德比尔纳（1874—1949）得知他们想研究放射性，多少有点开玩笑地对约里奥说：

你现在才来研究放射性未免太晚了，现在这些元素和衰变系列都已知道了。除了把它们的各种特性算到小数点后3位和4位以外，没有剩下什么可做的了。

约里奥和伊伦娜可不这么认为，他们认为在他们面前展开的是一个崭新而神秘的世界，需要开拓的领域太多了。事实证明，他们是对的。在探索过程中，他们曾先后四次走到伟大发现的边缘，其中三次因为某些方面的失误使机遇从他们鼻子尖上溜走了。

他们是怎样失去机会的

1930年，德国物理学家沃尔特·玻特（1891—1957，1954年获得诺贝尔物理学奖）和他的学生贝克发现了一个奇怪的现象：当用α粒子轰击原子序数为4的铍元素时，按照以往的实验情况，α粒子应该从铍元素的原子核里打出质子来，但这一次质子没有出现，却出现了一种强度不大而穿透力很强的射线，这种射线能穿透几厘米厚的铜板而其速度并不明显减小。当时因为不知道这是一种什么射线，就称其为“铍辐射”。由于“铍辐射”穿透力极强，而且是电中性（即不带电）的粒子，有一些像当时人们所知的γ射线（一种波长较短的电磁波），所以玻特在1931年苏黎世物理学家聚会上，在报道这一实验结果时，就说“铍辐射”很可能是γ射线之类的东西。

约里奥－居里夫妇在1931年底就开始研究玻特的实验发现。他们实验室的条件极好，又有强大的α射线源，所以很容易就做出了与玻特相同的实验结果。为了检查一下石蜡是否会吸收这种“铍辐射”，他们在铍和辐射侦测装置间放了一块石蜡。结果他们非常惊讶地发现，石蜡不仅没有吸收“铍辐射”，而且在石蜡后面的辐射比没有石蜡时还要强大得多！经过鉴别，从石蜡后面飞出来的竟是质子！也就是说，“铍辐射”从石蜡中打出了质子。

在这种情形下，约里奥－居里夫妇已经面临伟大的发现了，但他们却仍然沿着玻特的错误思路想下去，还认为“铍辐射”是一种“新的γ射线”。现在回想起来，约里奥－居里夫妇的结论简直是不可思议。因为γ射线是由质量几乎为零的一种高频光子组成，如果它与质量比质子小得多的电子相撞，那倒是能够将电子撞得动起来；事实上这种碰撞由康普顿做过详细的研究。但是，现在撞出的是质子，其质量为电子质量的1836倍，γ射线怎么能够撞得动质子呢？打一个比方，一个乒乓球撞一个铅球，不论乒乓球以怎样高的速度撞到铅球上，即使乒乓球“粉身碎骨”，铅球也根本不会动。按照这种正常的逻辑思考，约里奥－居里夫妇就应该知道他们已经发现了一种新的基本粒子：质量接近质子而且不带电的粒子。这是此前还没有见到过的粒子呀！可惜他们糊涂一时，还是认为“铍辐射”是一种什么新的γ射线。

1932年1月18日，他们把这一实验结果和评论发表在法国科学院的《报告》上。

当时在英国有一位物理学家叫查德威克，为寻找卢瑟福在1920年提出的中子，十年来历经无数次失败仍毫无所获。有一天早晨，查德威克看到了约里奥－居里夫妇的文章，他感到极为震惊，就将这一实验情况告诉给老师卢瑟福。卢瑟福的震惊想来一定比查德威克更有过之而无不及，因为他听了后居然一反常态地大声嚷道：

我不相信这个实验！

当然，最后他还是同意：任何人都应当相信观察的结果，至于解释嘛，那就是另一码事。

查德威克这时很自然地想到了他寻找了十多年的中子，再加上他在寻找过程中取得了一定的经验，所以他很快就肯定约里奥－居里夫妇观察到的现象绝不是什么“新的γ射线”，并确信这里面有一种新奇的东西将被发现。经过一段时间的努力，他才弄清楚所谓“铍辐射”原来正是他“千呼万唤始出来”的中子！这正是：

踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。

约里奥－居里夫妇实验的示意图

英国物理学家查德威克。他一生中有十年默默无闻地寻找中子，但没有找到

于是，卢瑟福12年前预言的中子，终于被证实了，第四个基本粒子——中子，终于出现在人类面前。中子的质量近似于质子的质量，不带电。

1932年2月17日，即约里奥－居里夫妇的第一篇实验报告发表刚好一个月之后，查德威克在《自然》杂志上发表了自己的实验报告及结论。

查德威克能够这么迅速地取得成果，正如他自己在回忆中所说“这不是偶然的”，而是他早就对中子这一概念有了精神上的准备。约里奥－居里夫妇则完全没有朝中子这方面想。约里奥自己也承认，他根本不知道卢瑟福关于中子的假说，因而缺乏作出这一重大发现的敏感性。他说：

中子这个词早就由卢瑟福这位天才，在1920年一次会议上用来指一个假设的中性粒子。这个粒子和质子一起组成原子核。大多数物理学家包括我自己在内，没有注意到这个假设。但是它一直存在于查德威克工作所在的卡文迪什实验室的空气里。因此最后在那儿发现了中子，是合乎情理的，同时也是公道的。具有悠久传统的老实验室总是蕴藏着宝贵的财富。在已消逝的岁月里，我们那些还活着的或已去世的老师所发表的见解，被人们有意或无意地多次思考过然后又忘掉了。但他们的见解却能深入到这些老实验室工作人员的思想里，结出丰硕的果实。这，就是发现。

约里奥的话有一定的道理，但也不全对。老实验室固然有宝贵的思想熏陶它的成员，但也常常会散发出一种陈腐的保守气味。这种例子在物理学历史上就有不少。关键是实验物理学家不能只埋头于自己的实验，而忽略广泛地吸取别人创造性的新思想。

约里奥－居里夫妇由于忽视了学术思想的广泛交流，不仅失去了发现中子的机会，而且由于几乎完全相同的原因，又失去发现正电子的机会。

事情还得从1928年讲起。那年英国科学家狄拉克（1902—1984）在处理一个量子力学中符合相对论的方程时，出现了一件很有趣味也很值得人思考的事情。在解方程时，求出的电子总能量有两个值，一正一负。每个中学生都知道，这时负根将被视为“增根”而舍去，因为电子怎么可能有负能量？这似乎是毫无物理意义的。狄拉克开始也是这样认为，舍去了负值，只保留下正值。但是不久，狄拉克又仔细研究了负能态的值，觉得不应该抛弃这个被舍去的负根，并由此得出了一个非常成功的电子理论，这一理论预言存在一种电子的“反物质”，即正电子。正电子带正电荷，其电量和质量与电子相同。

1932年8月2日，美国物理学家密立根的得意门生安德森（1905—1991）在研究宇宙射线对铅板的冲击时，他利用放在磁场中云室所拍的照片，发现了一种新粒子的径迹。这种粒子在磁场中偏转的径迹与电子完全相同，但偏转方向却恰好相反。从偏转方向来看，这个粒子应该带正电荷，那么，它会不会是质子呢？安德森经过计算，由这种粒子运动的曲率可以肯定，它不是质子，于是他认为这种粒子是一种带正电荷的电子。于是狄拉克的预言被证实了。安德森因为这项发现于1936年与美籍奥地利物理学家维克多·赫斯（1883—1964）分享当年诺贝尔物理学奖。

美国物理学家安德森因为发现正电子获得1936年诺贝尔物理学奖

但在安德森发现正电子之前，约里奥－居里夫妇就曾经在云室中清楚地看见过正电子的径迹。但遗憾的是他们没有认真研究这一奇特的现象，却提出了一种经不住仔细推敲的解释。直到安德森提出了正电子实验报告以后，他们才明白一次重大发现的机会又被他们失去了。

经过连续两次失误之后，约里奥－居里夫妇并没有灰心丧气，他们总结了经验教训，果然如卢瑟福所预言的那样，在1933年底研究射线轰击铝的时候，他们发现了“人工放射性”，并于1935年因这一发现而获得诺贝尔化学奖。

约里奥－居里夫妇对科学研究的献身精神、执著的追求、精湛的实验技术，都是非常可贵的，作为实验物理学家，他们堪称典范。然而由于不注重学术思想交流，不注重理论思维，这使得他们缺乏一种敏感性，习惯于定向思维，不擅长侧向思维。总的说来，就是缺乏想象力。

云室里正电子运动的径迹。由粒子进出和偏转方向、偏转曲率，以及磁场的方向，就可以断定这是一个带正电的电子。一个高中毕业的学生就可以做出这个判断

这种缺点不仅表现在失去发现中子、正电子这两个事件上，而且也相当明显地表现在“核裂变”的发现这一过程中。德国化学家哈恩之所以能作出“核裂变”这一震撼世界的伟大发现，正像查德威克能发现中子一样，完全是得力于约里奥－居里夫妇的实验发现。在用中子轰击铀元素时，约里奥－居里夫妇已经发现产物中好像有镧元素；这时，约里奥－居里夫妇实际上就已经发现了核裂变，但他们就是拘泥于陈旧的偏见，打不开思路，认为核不可能裂变。一直等到哈恩重复了他们的实验，提出了核分裂，他们才开始考虑裂变的机理。但是已经晚了。哈恩在实验中确定产物是钡元素，在化学上来说，镧元素和钡元素的差别并不大，在周期表里钡仅在镧的前面一格。

爱因斯坦在《论科学》一文中曾说过这么一段话：

想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。

爱因斯坦的这句话极具深刻的道理，想象力不仅对科学家是十分重要的，而且对我们每一个中学生、大学生来说，显得更为迫切。没有想象力的高材生，是不可能作出有重大价值的发现的！可惜现在的中学教育时刻在扼杀学生的想象力，学生被迫天天计算各种各样的计算题。结果我们的教育培养出的只不过是熟练解题的“技工”，哪儿有什么想象力和创造力！

不知道这种可悲的局面什么时候才能够彻底改正过来。