【科学史话】瞧这父与子：父亲因证明电子是粒子而获诺贝尔物理学奖，儿子又因证明电子是波而获同一奖项
【总第23期】科学史话
瞧这父与子：父亲因证明电子是粒子而获诺贝尔物理学奖，儿子又因证明电子是波而获同一奖项
最近看了朋友转的一篇据说传得很火的关于收徒跪拜的文章（恕不点名了）。不可否认，文字漂亮、八卦有趣，但看完却深觉胸闷。又不便对文中所宣称的“我这跪来的一点学问，你也得跪着接过去”等观点评头论足，担心一言不合就被扣上“以反封建的名义讨伐纯民间道义的坚守者”的大帽子，所以，只好转而重温西方科学研究与传承中那些科学大师们令人钦慕的风范，以养精神。
科技史上可圈可点的人物、事件很多，在今天这心境下特别想说约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）和乔治·汤姆逊（George Paget Thomson, 1892-1975）这父子俩。
J·J·汤姆逊
J·J·汤姆逊，1856年生于英国曼彻斯特，父亲是一个专门印刷大学课本的商人，由于职业关系，结识了曼彻斯特大学的一些教授，使汤姆逊从小就受到学者的影响，十四岁便进入了曼彻斯特大学。受到良师指导，加上自己刻苦，汤姆逊学业提高很快，1876年，即21岁时，被保送进了剑桥大学三一学院深造，以优异成绩取得学位后，被选为三一学院学员，两年后又被任命为大学讲师。
瑞利
1884年，年仅28岁、尚未做出突出成就的汤姆逊，就被大物理学家瑞利（J. W. Rayleigh, 1842－1919，1904年获诺贝尔物理学奖）慧眼识英才，推荐接替自己担任剑桥大学卡文迪什实验室第三任主任——第一任主任是该实验室的创建者、伟大的物理学家麦克斯韦。汤姆逊不负所望，因最终通过实验证明真空管中的阴极射线是带负电的微粒子流——这种粒子，不是原先人们认为的最小粒子原子，而是远远小于原子，他以“电子”命名之，并测定了荷质比，而获得1906年诺贝尔物理学奖。
麦克斯韦
今天，由于一般大众都已经非常熟悉电子了，知道电子用e来表示，其质量me=9.108x10－28克，所以可能无法想象汤姆逊的这一发现，在当时的革命性意义。即使对于很多科学家来说，也是不可思议的，甚至不被接受。
自19世纪中叶，随着电学知识的积累和真空技术的发展，对于真空放电以及电的本性的研究引起越来越多人的兴趣。人们惊奇地发现，在真空度很高的真空管放电时，在阴极会产生美丽的辉光。德国物理学家哥尔德斯坦认为，这种辉光是从阴极发出的射线，将之命名为阴极射线，并认为这种射线类似紫外线，是以太的某种扰动。当时的物理学界围绕阴极射线展开了激烈的争论，争论焦点是：阴极射线是一种波，还是带电微粒？德国物理学家多赞成哥尔德斯坦的观点，同时赫兹1888年也以火花实验证明电磁波的存在。而在英国和法国，物理学家们倾向于把阴极射线看成粒子流。关于阴极射线是粒子还是射线的争论，已持续了近20年。
赫兹
汤姆逊的发现，确认阴极射线是一种带负电荷的“粒子”，而不是“波”，这种粒子不是原先人们认为的最小粒子原子，而是远远小于原子的电子，颠覆了长期以来公认的“原子不可分割”的传统观念，揭示出原子是有内部结构的。探索原子内部结构从而成为20世纪最激动人心的科学研究活动之一，汤姆逊的名字也和他的杰出贡献一起载入科学史册。
科学界这样评价汤姆逊的贡献：“20世纪物理学不同于19世纪的原因，在于物理观念有了根本的改变，而促成这种改变所需要的动力，J. J. 汤姆逊比任何人都付出的更多。”他“为一片新领域打开了大门”，其发现的电子“对人类命运的影响，将比伽利略以来任何其他的思想更为巨大”。电子的发现，不仅在物质构造理论上有革命性、突破性的贡献，而且这一发现，使人类进入了电子时代。
汤姆逊不仅是一位伟大的科学家，还称得上是一位令人敬仰和叹服的杰出导师。他担任卡文迪什实验室主任34年，桃李满天下。他从来不摆教授架子，非常平易近人。学生们与他在一起，也非常放松自在。他既那充满智慧与活力的发言，总是极富吸引力，而且总会引起年轻人的兴趣而激烈地争论。他的8个从这个实验室里走出去的学生也先后获得了诺贝尔奖，使卡文迪什实验室迅速成为全世界少数几个威望最高的科学研究中心之一，被誉为“诺贝尔奖的摇篮”。这其中，汤姆逊功不可没！
例如，他的学生中，有被称为“原子核物理学之父”、“继法拉第之后最伟大的实验物理学家”的卢瑟福（Ernest Rutherford， 1871－1937），1915年同获诺贝尔物理学奖的布拉格父子中的儿子（Sir William Lawrence Bragg，1890-1971，曾经担任过J. J. 汤姆逊的研究助理），大物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）的儿子奥格·尼尔斯·玻尔（1975年诺贝尔物理学奖），而尼尔斯·玻尔本人则是卢瑟福的学生，所以按照学术谱系，还比儿子的辈分低一级！
布拉格父子
卢瑟福
尼尔斯.玻尔
但是，J. J.汤姆逊的传奇并未到此结束！
他还有一位独生儿子，叫乔治·汤姆逊（George Paget Thomson, 1892-1975）。J. J.汤姆逊对儿子精心培养，儿子也确实有天分，在这一领域做进一步研究，其电子衍射实验显示电子是以波的形式存在，从电子束射过薄金箔所产生的衍射图的实验中求得的衍射波长，正好与L.V.德布罗意所预言的电子波的波长相符，因而证实了电子的波动性。同时，C.J.戴维森也由电子束经晶体表面的漫反射的衍射实验而得到同样的结论，为此两人共获1937年的诺贝尔物理学奖。
乔治.汤姆逊
什么？父亲发现电子是粒子，儿子却发现电子是波？这不是挖老爸的理论墙角吗？
我们都知道，关于波粒二象性的争论，是20世纪物理学史上一场最激烈、影响最大、意义最深远的一段公案。粒子派和波动派两大阵营针锋相对，互不服气。波粒二象性指的是所有基本粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。爱因斯坦这样描述这一现象：“好像有时我们必须用一套理论，有时候又必须用另一套理论来描述（这些粒子的行为），有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难，这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实，两种观点单独是无法完全解释光的现象的，但是在一起便可以。” 1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。
德布罗意
所以，虽然儿子没有固守老爸呕心沥血建立的理论，在某些人看来无异于离经叛道、欺父灭祖，但他却发现了真理的另一面，这才是对父业的真正继承吧？
到这里，我又想到了另外两个人。一个是居里夫人，“镭的母亲”，因为提取镭而长期过度接触放射性物质，身体受到极大伤害。付出够不够大？她若凭这项专利技术而富甲一方，是再理所当然不过了，但居里夫妇却毫无保留地公布了镭的提纯方法：“没有人应该因镭致富，它是属于全人类的。”另一个是爱因斯坦——他的贡献巨大无人否认，同时也无人否认这巨大的贡献得益于他本人天才的大脑，然而，他却说：“我每天上百次地提醒自己，我的精神生活和物质生活都依靠别人劳动（包括活着的人和死去的人），我必须尽力以同样的份量来报偿。”
其他不多说了。我只相信，这样的胸怀和境界，才能激起人们的无限敬意和对知识与真理的自由追求。