发布时间 : 星期四 文章自然辩证法课程教学案例 - 图文更新完毕开始阅读
罗兰是美国约翰·霍普金斯大学的第一位物理学教授，美国物理学会第一任主席，与麦克斯韦、赫姆霍兹和爱迪生等人有很好的个人交情，以其命名的凹面光栅而著称于世。1882年，他开始制造一种机器——他称之为“刻线机”（dividing engine），它能产生细小的等间距离的光栅。他在有关这一课题的第一篇论文里陈述了这一课题的主要技术障碍：“要解决的难题之一是要制造一个非常完美的螺丝杆，所有研究这种机械的国家尽管作了一百年的努力，可正是这一难题使他们都失败了。”罗兰将他的“刻线机”安装在霍普金斯大学的物理实验室的地下室中，以最大限度减少温度的涨落和大街上行人振动的干扰。用这种技术他可以直接在凹面光栅上刻出大量衍射纹，最终能够在1毫米上均匀地刻上400～800条栅纹，其等距精度超过1/4000毫米。他的“刻线机”以成本价卖给了许多研究机构，其中包括莱顿实验室。这个仪器对物理学和天文学的发展起了重要的促进作用。
1896年10月31日，塞曼在发表有关新效应的第一篇论文中说，“如果法拉第考虑到了这种可能性，??也许就值得用现代精密的分谱学的辅助仪器重做这个实验。”这里的辅助仪器就是罗兰光栅，其半径为10英尺，每英寸上刻有14938条刻度线。他的另一个主要设备是鲁姆科夫式的电磁铁，它可以产生大约104高斯的磁场强度。他的第一个实验是最重要的。他把一个本生灯放在电磁铁的两极中，再将一块在食盐水中浸泡过的石棉放在火焰上燃烧就可以得到钠光谱。切断电流，两条钠D谱线就会变窄，成为非常确定的两条谱线；而当电磁铁通电时，谱线又会变宽，宽度大约为谱线间距的1/40。
然而，塞曼并没有就此相信这个效应是由磁场引起的，难道变宽不可能由于温度或者火焰密度涨落引起的吗？因此，他又进行了一次更为复杂的试验。他将一个能产生钠弧光谱的瓷管（瓷管本身要靠水来冷却）放在电磁铁两极之间，和以前一要，钠的D谱线之间的间距被磁场加宽了。塞曼现在相信了这个效应并发表了他的实验结果。但这仅仅是“塞曼增宽现象”，还不是塞曼分裂效应。
塞曼将他的实验告诉了洛伦兹并向他请教：是否能够用洛伦兹的电磁理论来解释这一现象。洛伦兹对他做了友好而明确的回答：能。
说到塞曼后来的工作，1897年他第一次宣布发现了谱线的分裂：利用镉的蓝色谱线（λ=480μm），他发现——正如洛伦兹预期的那样，它能分裂成2条或
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者3条谱线，而分裂的条数则由光的发射方向是平行或垂直于磁力线而定。更重要的是他还发现了极化效应，从而可以使他确定e是负值。现在他至少能够说，他所说的“离子”很有可能与电解中的离子是不同的。
1902年，由于在认识磁场对辐射现象的影响方面所做的卓越工作，塞曼和洛伦兹分享了当年的诺贝尔物理学奖。
请回答：（1）如何看待技术对科学研究的支持作用？
（2）实验物理学家与理论物理学家开展和建立怎样的合作机制对科学研究的促进作用最大？
一个自己也不敢相信的假说
事情还得从能量“失窃案”和氮危机说起。
1914年，查德威克在做放射性实验时，发现放射性物质放射出的β粒子（即高速运动的电子），具有一种宽阔和连续的能谱分布。这一实验结果使物理学家大惑不解。为何大惑不解呢？因为按照能量守恒定律，β粒子应该有确定的能量。例如，核A在放射出β粒子后，变成另一种核B，β粒子的能量Eβ根据能量守恒定律应为：
Eβ=EA-EB
上式中EA和EB分别是核A和核B的全部内能，可以由公式E=mc2算出，因此它们是确定的。EA和EB是确定的，Eβ当然也是确定的。但查德威克的实验结果却显示出，β粒子的能量可以在零到某一个最大值之间连续地分布，而且衰变后的总能量比衰变前的总能量少一点点。这就是当时轰动的“能量失窃案”。
玻尔提出一个惊人的观点：在β衰变中，能量仅在统计上守恒，而在单个粒子反应中并不守恒。
氮危机是这样的：氮核自旋，按能量守恒定律，其自旋应该遵循角动量守恒定律，但实际情况却是不守恒。
为了解决上述两个困难，许多物理学家提出了各种各样的方案。除了玻尔的上述解释外，泡利提出的方案最为大胆。泡利认为，这两个困难可以用一种办法解决。什么办法呢？他说，原子核里除了质子和电子外，还存在一种新的、暂时
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不为人知晓的粒子：这种粒子是电中性的，自旋为1/2。有了这种粒子，上述困难可以同时解决。
这如何可能呢？一是短缺的能量很可能是被这个新粒子带走了；二是由于核里有了这种自旋为1/2的新粒子，147N中就有可能成为总自旋为整数的结果。泡利提出上述想来法是1930年12月，他被邀请参加在德国图宾根召开的一次物理学会议，讨论有关放射性问题。泡利托人带去一封公开信，代表他在会上宣读。在信中他提出了上述想法：可能存在着中性的粒子，因查德威克发现的粒子称为中子，泡利所设想的粒子就由费米建议改称“中微子”。泡利在公开中微子的想法后，十分后悔，以致在请人把信带走的那天深夜，冒雨去找天文学家巴阿杰（W.Baade，1893-1960），诉说自己莽撞：“我今天做了一件很糟糕的事。一个理论物理学家无论在什么时候也是不应该这样做的。我提出了一个在实验上永远也检验不了的东西。”
到1952年，罗德拜克（G.W.Rodeback）和阿伦首次利用37Ar的K俘获做实验时，准确地测出了反冲核37C1的单值能量，从而测定了中微子的能量和质量；过了一个月后，戴维斯（R.Davis）用7Be的K俘获做实验，由测出的反冲核7Li的单能值，也测出了中微子的能量和动量。
泡利原来悲观地认为在实验室中永远不能证实的中微子的存在，在他提出之后的22年，终于得到了实验的验证。
本材料选自杨建邺著的《光怪陆离的物质世界——诺贝尔奖和基本粒子》一书，北京：商务印书馆出版，2008年3月第1版第121～129页，有删节。
请回答：理论物理学家需要什么样的精神，实验物理学家又需要什么样的品质？他们应当是一种什么样的关系呢？
材料题1：案例1：“具有魔力”的狄拉克方程
薛定谔方程之后，英国物理学家狄拉克（P. A. M. Dirac，1902-1984，1933年获得诺贝尔物理学奖）又提出了一个相对论性的波动方程。2004年获诺贝尔物理学奖的美国物理学家维尔切克（Frank Wilezek,1951——）在他写的《一套魔法：狄拉克方程》一文中写道：
（狄拉克）方程看来具有魔力。正像《魔法师的学徒》所变幻出来的那把扫帚一样，方程会具有其自身的力量和生命，给出其创造者所意想不到的结果，失去控制，甚至可能使人
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厌恶。爱因斯坦的质能公式E=mc2是他狭义相对论对加固经典物理学基础的最大贡献。然而，当他发现这一公式时，他既没有考虑大规模杀伤性武器，也没有认识到会有能量取之不竭的核电站。
在物理学的所有方程中，狄拉克方程也许是最‘具有魔力’的了。它是在最不受约束的情况下发现的，即受到实验的制约最少，且具有最奇特、最令人吃惊的种种结果。
……狄拉克却不同于其他的那些物理学家，也不像物理学大师——牛顿和麦克斯伟，他不从实验事实出发研究，哪怕是一点点都不。他改用不多的几个基本事实以及一些已意识到的必要理论规则（现在我们知道其中的一些是错误的）来引导他的寻觅。狄拉克试图用一个精简的、数学上一致的构架把这些原理涵盖在一起。在‘耍弄了一些方程’（这是他的原话）以后，他灵机一动，得出了一个非常简单、优美的答案。当然，这便是狄拉克方程：i???=m? 。m——电子质量，i为√￣?1，因子?表示四个4×4的矩阵，而?不再是薛定谔方程中简单的波函数，现在是四个分量；该方程的所有微分关系压缩成一个记号?。这个方程后来刻在威斯特敏教堂的狄拉克纪念碑上。
但狄拉克却有着不幸的童年。他的父亲查尔斯.狄拉克（Charles Dirac）是一个身体壮实、固执己见、专横霸道的家长，在布里斯托商业学院教法语。他自己厌恶社交，因此把整个家庭管制得像一座监狱，不准家庭成员与外界“过多地”接触。由此，他成了一个性格十分内向的人。1962年狄拉克接受美国科学哲学家托马斯.库恩的访谈时说：
实际上在我童年、少年时期，我一点社交活动也没有。……我父亲立下了这样一个家规：只允许用法语讲话。他认为这样会对我学习法语有好处。由于我不能用法语表达，所以我就只好保持沉默而不能用英语讲话，因此，那时我就得十分沉默寡言。这一切在我很小的时候就形成了。
狄拉克多次抱怨他父亲把他控制在一个冷酷、沉寂和孤独的环境里。狄拉克很少和男孩一起游戏、玩耍，更不用说与妇孩子交往了。他无法抗拒父亲的专制作风，幸亏他对数学和物理学的领悟能力很强，这使他能够以宗教般的热忱沉醉于数学和物理学的伟大事业中。随着年龄的增长，狄拉克潜意识地憎恶父亲。1936年，他父亲去逝时，他没有感到伤心，在给妻子的信中写道：“我现在感到自由多了。”
1918年，16岁的狄拉克进入布里斯托尔大学工学院。他并不是因为想成为一名工程师而进入工学院的，实际上他喜欢的是数学。1919年11月6日，英国皇家天文学会召开联合会议，公布爱丁顿（A. S. Eddington，1882——1944年）和戴森（Frank Dyson）在当年5月底的日食考察中，证实了爱因斯坦广义相对论所作的预言，因媒体广泛地报道，几乎家喻户
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