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第5章 诺贝尔物理学奖(4)

贾埃弗

1973年获诺贝尔物理奖的科学家贾埃弗,是个很有趣的人物,他获奖的消息传开后,人们除了惊奇或钦佩之外,还多少夹杂着几声哄笑。

人们为什么会发出哄笑呢?这还得从头说起。

贾埃弗青年时代在挪威念大学,那时的所有老师都知道他是个特别的人物。比如十门功课吧,别人总还能选出一门两门自己喜欢的,惟独他什么都不喜欢,统统全没兴趣。

谁要有事找他,你别去教室、图书馆;也别去操场、实验室,甚至也别去寝室和餐厅……他在哪儿?他在寻开心呢!不是在台球房就是在棋牌室,成天乐此不疲,忘乎所以。为此他不再翻书,不再听课,甚至常常忘了吃饭,就这样混到期末、混到毕业,结果数学成绩好不了,物理成绩也不及格。

就为这段岁月,当他获奖后,报纸记者便广泛宣扬,称他是“一个物理、数学都几乎不及格的台球和桥牌能手,居然获得了诺贝尔奖金!”

贾埃弗获奖,是因为他成功地做出了量子物理学中的“隧道效应”,首先验证了量子物理学的理论推测,其次是证实了巴库理论的正确性。那么,什么又是“隧道效应”呢?简单地说,就是用电子穿透一道极薄的隔墙而不损伤这道隔墙的实验。按照常理,一件东西要穿过另一个物体,二者总有一个会被损坏,但按量子物理学原理来讲却不这样,在没有“隧道”的薄金属隔层上任电子穿越,就好像使隔墙产生了一个隧道,所以叫“隧道效应”。

无疑,这是个高深的问题。贾埃弗既然如此厌倦学习,又怎么会去做起这个实验来的呢?

这不是偶然的。那是1952年,贾埃弗毕了业,开始找工作谋生。当时挪威住房紧张,他和妻子一道移居加拿大,在加拿大通用电气公司找到一份差事。这时他才清醒地看到,在这儿,无论同事还是上司,从总经理到清洁工,没有一个人有兴趣和他聊桥牌、侃台球,别人都忙着自己的事,没那闲工夫,而凭着贾埃弗在学校混得的那点本事,还不够让别人多看他两眼!他的基础太差了,自己的事情常弄出错,同事瞧不起他,上司也没有好脸色,结果弄得自己既孤立又没趣,这才悔之不及。

亡羊补牢,未为迟也。他决定从头学起,努力追回损失掉的大好时光,凭真才实学赢得别人的尊重,并争取干出点像样的事情来。恰好,公司开办了一个工程和应用数学进修班,贾埃弗对妻子说:“赶紧赶紧,也许这是最后一个机会了,我得抓紧点!”就这样,他从头开始学习起来。

在进修班,他越学越起劲,进步很快。当进修学习快结束时,他却感到不满足了。他想,自己已成了工程师,除工程和数学之外,还应该掌握足够的物理知识才行。于是,进修班刚结束,他又到特洛伊的伦塞勒工业学院报了名继续攻读物理本科。这时,他一边在通用电气公司实验室工作,一边又在读书,视野扩大了,才开始接触到一些高深的理论物理学问题,其中的隧道效应推论对他产生了吸引力,他立志要用巧妙的实验来实际地显示“隧道效应”。

但这对贾埃弗来说确实太难了,因为他根本没有做物理实验的经验,另外,要找一道薄得只有十万分之一到百万分之一毫米厚的隔板来隔离两个电极就更难上难了。用空气隔离吗?不行,这么小的距离,一点微小的振动就可能造成电极之间的触碰,从而引起短路。用有机薄膜做的绝缘纸吗?这么薄的绝缘纸不易制造,即使造出来,也难免有细小破洞而影响绝缘效果。实验好多次,统统失败了。

怎么办呢?

贾埃费不灰心、气馁。他和他的同伴弗希尔耐心地琢磨着,试验着,几个月后,他们终于找到了一个巧妙的方法。他用一台镀膜机先给金属片镀上一层金属薄膜,然后将这层金属薄膜的表面作短暂的氧化,使它形成极薄的一层绝缘层,然后再把这绝缘层镀上一层金属膜。这样,两层金属膜之间便有了一层氧化物,它正好作为一道理想的绝缘隔板。经过测试,这个小玩艺儿非常合乎实验要求。

当他把一个电极接在了绝缘层一侧的金属膜上后,在绝缘层的另一侧终于测得了隧道电流!

实验结果和理论推测完全一致!实验成功了!贾埃弗高兴得满楼跑,他和费希尔将这个消息告诉了公司实验室的所有人。

人们惊奇地涌到贾埃弗的实验室看他做出的奇迹,贾埃弗干脆兴致勃勃地在实验室召开了一个小小的现场报告会,宣布了他的成功。那些经验丰富的物理学家们听了贾埃弗的的报告,都纷纷鼓起掌来。不过,也有人提醒他:

要进一步证明测得的电流是隧道电流而不是漏电造成的,也许还得验证才行。

第二天,贾埃弗从伦塞勒工业学院听亨廷顿教授介绍库柏理论,得知这个理论的核心就是“超导能隙”是否存在的问题。

贾埃弗一听,立即有了主意:如果真有超导能隙,那么将用作隧道效应的夹层金属膜的一侧变成超导状态不就成了吗?而要获得金属膜的超导态,只需将整个实验置于液氦的低温下进行就行了!这既能证明“超导能隙”又能验证隧道电流,可谓一举两得!他禁不住拍拍脑门,高兴得想跳起来。

“可你用的制冷机从哪儿来呢?”费希尔问。

贾埃弗不屑地一笑,马上飞快地往楼道另一端跑去,边跑边喊着:“哈特!我来借你搞出的那个宝贝用一用!”哈特是同楼的一个科学家,他刚研制成功一台超低温稀释制冷机。借到制冷机,贾埃弗便往楼下跑,又去喊:

“麦吉利,你那放大器能借我用用吗?”实习研究员麦吉利问贾埃弗又要做什么实验了,贾埃弗把事情来由飞快地说了一遍。可麦吉利一听就撇嘴,问他:“你知道能隙电压有多大吗?这个都不知道就打算做实验,想得也太轻松了!”

贾埃弗一愣,突然看见弗希尔在楼道对他打手势,他用指头一个劲地指刚从楼口经过的物理学家比恩和哈里森。贾埃弗马上就醒悟过来,一拍脑门,喊声:“好的!”就追上去直喊:“比恩教授,哈里森教授——”

两位教授正在交谈,听见贾埃弗喊,就停下来望着他。“啊啊,急死我啦!”贾埃弗赶上前向教授们说:“我有方法证实超导能隙了……”

两位教授睁大眼睛,表示难以置信。于是贾埃弗就像打机关枪一样慌忙把他的想法讲了一遍,没等教授们发表评论就提出请求:“现在我只想请你们帮我个小忙……”

两个教授相互看看,异口同声地答应:“行啊!”

“我想知道能隙电压有多大?”贾埃弗说。

教授们哑然失笑,“能隙电压只有几毫伏。不过,”教授说,“事情也许没那么简单……”

贾埃弗没管别人的劝阻,鼓动费希尔和自己坚持干下去。结果,他只用了一两天就把借来的实验设备安装好了,并很快掌握了制冷技术。就这样,他们顺利地开始了实验。

实验按预计的样子一步步推进,可中途,实验仪器得换一台。费希尔问贾埃弗怎么办,贾埃弗脑子果然很灵,他一下想起隔壁大楼里就有一台他们需要的那种旧仪器,长年扔在那儿没人用,已经很旧了。贾埃弗又一阵风似地跑去把那仪器弄了来,稍加打扫调试,就把它开动起来,使他们的实验得以顺利地完成。

实验很成功,同事们得知这个消息后,都以诧异的神色打量贾埃弗,对他在如此短的时间里接连做出两个重大实验感到震惊和由衷的高兴。麦吉利从门外进来,兴冲冲地告诉贾埃弗:实验室主任斯密特知道这件事后,已决定让麦吉利来给贾埃弗担任助手了。

就这样,一个无所用心的小伙子终于在科学研究的工作中取得了杰出的成绩,成了享誉世界的科学家。因这两次实验的成功,12年后,贾埃弗获得了诺贝尔物理学奖。

别人在为他高兴,贾埃弗自己却高兴不起来,那不是因为有报纸在拿他考不及格的往事对他起哄,而是他在暗自后悔,要是早年他把学习抓紧,基础打牢,说不定还有一次取得巨大成就的机会呢!

这是怎么回事呢?那是1962年,剑桥大学年仅20岁的物理学家约瑟夫森发表了一篇研究报告,宣布他发现了超导直流效应(即约瑟夫森效应)。

而这种超导效应在贾埃弗做隧道效应实验时是常常出现的。就因为没有有关的理论知识作指导,使他一直误以为这种现象是实验设计不够精密、材料有疵病引起的,因而根本没有引起注意。这实在太遗憾了!

后来,有人问贾埃弗对这事有无遗憾,他老大不快又无可奈何地耸耸肩:

“不!”

“为什么?”人家追问。

贾埃弗懒洋洋地说道:“因为要获得一个物理学的成就,光观察到某些现象是不够的,还须了解你所观察到的那些现象的意义。而从这一点上说,我甚至还没有入门……”

既然“还没有入门”,既然重大的科学发现不能光靠侥幸的巧遇,那还有什么好后悔的呢?

但贾埃弗还是后悔得很,他后悔的不是失去了发现超导直流效应的机会,而是后悔正当他需要运用知识的时候,他却“甚至还没有入门!”

我们从他的故事中,应当吸取什么教训呢?

霍夫特霍夫特

赫拉尔杜斯·霍夫特1946年生于荷兰登海尔德。1972年在乌得勒支大学获得物理学博士学位。1977年起在乌得勒支大学任物理学教授。1979年获得美国物理学会丹尼-海涅曼奖。1982年获得沃尔夫奖,同年成为荷兰科学院院士。

霍夫特和他的老师韦尔特曼因20世纪70年代作出的“阐明物理学中电弱相互作用的量子结构”方面的理论研究成就而获得1999年度诺贝尔物理奖。他们的计算理论使粒子物理有了更牢固的数学基础,尤其是可以用他们的理论来更精确计算物理量。

众所周知,构成物质的原子是由电子和原子核组成,原子核由质子和中子组成,后二者又由更小的粒子夸克组成。为了研究夸克,20世纪50年代制成了第一台加速器,这标志着现代粒子物理学的诞生,科学家首次可以研究如何轰出新的粒子及其物理性质。在此基础上物理学家们提出了粒子物理的标准模型,它将所有基本粒子分为夸克、轻子和互换粒子三类,前二者在后者的参与下产生强力和弱力。但是最初物理学家们还不能用完整的数学理论来描述这个模型,因此很多人对进一步发展该理论感到悲观。但是年仅22岁的霍夫特在他的老师韦尔特曼指导下,从1969年开始进行了不懈的研究,最终取得了突破。在他们1971年的文章中成功地严格证明电弱统一理论是可以经过“重整化”而消除其中所有的“无穷大”的,从而证明弱相互作用也能和电磁相互作用一样地进行精确计算,也可以接受实验的精确检验。这是人们对弱相互作用了解的一个飞跃。自那时起,人们不断用他们的理论方法对电弱统一理论进行精确计算,做了大量预言。同时,在欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机LEP上也对大量电弱相互作用过程进行了精确测量。近年的分析表明理论与实验符合得非常好。电弱统一理论成为本世纪物理学发展的一项十分重大的划时代的成就。理论与实验的比较还预言了顶夸克(当时还未发现的第6种夸克)的质量为171.4GeV左右。后来在美国的费米实验室找到了顶夸克,直接测量的顶夸克质量为174.3GeV左右,与上述预言相符甚好。这也是电弱统一理论精确计算的一大成功。

目前在电弱统一理论中还有一个关键的问题没弄清楚。Higgs场至今还未在实验中找到。由于探索真空中的物质涉及人们对一切物质的质量起源的了解,所以它是人们现在最关注的高能物理研究的前沿课题。

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