被愛因斯坦稱為“物理學(xué)上最美的實驗”，到底是誰操作的？

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，但X射線究竟是什么呢？

有個物理學(xué)家認為，X射線是電磁波。他設(shè)想，只要X射線的波長與晶體中原子(離子)之間的距離相接近，用X射線照射晶體時，就能觀察到電磁波的干涉現(xiàn)象。在他的鼓勵下，兩個年輕人做了這個實驗，于1912年獲得成功：X射線穿過晶體發(fā)生干涉，在底片上形成規(guī)則的圖案。這個解釋了晶體微觀規(guī)律的實驗，被愛因斯坦譽為“最美的實驗”。

而這個物理學(xué)家，就是馬克思·馮·勞厄。

“很多人都認為X射線是粒子流，但我還是認為它是電磁波，只是現(xiàn)在還沒人能證明而已?！?/p>

1909年夏，在德國慕尼黑大學(xué)物理學(xué)院的一處會議室里，年輕的物理學(xué)教授馬克斯·馮·勞厄激動地講道。

在座的幾位都是他的同行，其中包括倫琴的學(xué)生克尼平、本校索菲末教授的助教弗利德里奇、慕尼黑大學(xué)物理學(xué)高材生厄瓦爾等。

大家經(jīng)常聚會，彼此熟悉，所以說話也比較直接。

德國慕尼黑大學(xué)，圖片來源留學(xué)網(wǎng)

作為歐洲乃至世界最具聲望的綜合性大學(xué)之一，慕尼黑大學(xué)20世紀初有兩位著名教授頗受歡迎，其中一位就是勞厄。

勞厄除了講課精彩外，還經(jīng)常邀請同行來參加研討，研討主題通常是當時的前沿科技和科學(xué)新概念。

從1908年開始，勞厄主持研討的主題就是：X射線本質(zhì)的探討。1895年物理學(xué)家倫琴在極偶然的情況下發(fā)現(xiàn)X射線并因此獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎。

自此，關(guān)于它本質(zhì)問題的討論就很火，且有愈演愈烈的趨勢。

這才有勞厄在討論會上發(fā)言的一幕。

同行熱論新射線

勞厄與厄瓦爾、克尼平等討論激烈，誰也說服不了誰。

“是不是可以用X射線照射固體，根據(jù)照射情況來判定？”厄瓦爾突然提出一個建議。

“應(yīng)該是用X射線照射晶體，看是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。因為一般固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動形式太復(fù)雜了，晶體不但內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單且有一定規(guī)律?！眲诙蛞瞾砹遂`感，“如果產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，那X射線就是電磁波?！?/p>

波的衍射現(xiàn)象示意圖，圖源來源新物理網(wǎng)

勞厄說得很有道理。波具有折射、干涉、衍射等，如果X射線也像光一樣會折射、干涉的話，那它肯定是電磁波。

問題是X射線的波長很短很短，折射率很小很小，以當時的技術(shù)，科學(xué)家們根本觀察不到它的折射情況。勞厄只有通過觀察X射線的干涉或衍射才能證明它是不是電磁波。

畢竟研究X射線有些年頭，勞厄一語中的。但他更明白，要證明這點，一定要策劃精密的實驗。朋友愛因斯坦也這樣對他講過。

最美實驗新發(fā)現(xiàn)

好事多磨。正當勞厄準備找厄瓦爾等同行進行實驗的時候，他接到去法國法蘭克福大學(xué)等名校考察的通知，這一拖就是3年。

1912年春，他一回到慕尼黑大學(xué)就找來厄瓦爾、弗利德里奇，開始做追尋X射線本質(zhì)的實驗。

他讓厄瓦爾制作了一組器材，包括持續(xù)發(fā)光的X射線光源、照相底片、規(guī)則的方形晶片，其中方形晶片的大小只是照相底片的一半。

試驗中，他先讓弗利德里奇屏蔽自然光，再把X射線的光源與照相底片平放桌上，相距約一米，最后把方形晶片放在光源與底片的正中間。

他們觀察發(fā)現(xiàn)，照相底片有排列規(guī)則的斑點群。很顯然，斑點群是X射線穿透方形晶片產(chǎn)生的。

勞厄展示的X射線晶體繞射實驗結(jié)果，

圖片來源物理雙月刊網(wǎng)

“這應(yīng)該是衍射現(xiàn)象，”厄瓦爾先道，“衍射現(xiàn)象說明，X射線具有電磁波的性質(zhì)?！?/p>

“有道理。不過我們還要多試幾種晶片，至少十種，免得人家說這是巧合。”勞厄強調(diào)。

接下來，他們又在實驗中更換了多種不同物質(zhì)的晶片，結(jié)果底片都出現(xiàn)有斑點群。換言之，就是X射線穿透晶片時發(fā)生了衍射現(xiàn)象。

所謂衍射，是指波在傳播過程中，如果遇到波長較小的物體阻擋，波可以繞過去繼續(xù)傳播。聲波就是最好的例子。

很快，勞厄發(fā)表了一篇關(guān)于X射線的論文。文中，他從光的衍射理論入手，用幾何方法解釋了X射線在晶體中的衍射理論，最后總結(jié)說X射線是一種電磁波，未來將有重要的用途。

他還在文中指出，不同晶體在接受X射線輻射時所產(chǎn)生的衍射花樣，也可以反映出晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律，這就是X射線衍射的基本原理。

勞厄的實驗原理，圖片來源新物理網(wǎng)

愛因斯坦看到摯友的論文后感嘆道，這個揭示晶體微觀規(guī)律的實驗是“物理學(xué)上最美的實驗”，勞厄也由此獲得了1914年的諾貝爾物理學(xué)獎。

勞厄發(fā)現(xiàn)的X射線衍射理論，后來被應(yīng)用到研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)上，并且獲得很多具有重大意義的新發(fā)現(xiàn)。

X射線衍射的發(fā)現(xiàn)，促進了X射線分析的發(fā)展，隨著技術(shù)的革新，它與計算機技術(shù)結(jié)合，加快了晶體研究的分析速度和準確性。

科學(xué)家由此發(fā)明了專門用于研究礦石原子結(jié)構(gòu)的X射線衍射儀，用來對地球深度的巖石進行拍攝。

可以說，正是因為有了X射線衍射理論，才能給地球拍出一張準確的“胸透片”。

另一方面，勞厄從理論到實驗證明了X射線具有電磁波的特性，與晶體相遇會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這一理論有效推動了固體物理學(xué)的發(fā)展，是固體物理學(xué)上里程碑式的發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)楷模競相贊

發(fā)現(xiàn)X射線的晶體衍射獲得諾貝爾獎后，勞厄又到蘇黎世大學(xué)、法蘭克福大學(xué)、洪堡大學(xué)等高等學(xué)府任教，深受師生們好評。

1919年，他回到德國柏林大學(xué)任物理學(xué)教授。此后他一直定居德國，曾被選為德國物理學(xué)會會長，成為德國物理學(xué)界的權(quán)威之一。

勞厄的諾貝爾官方照片，圖片來源物理雙月刊網(wǎng)

耿直的勞厄得罪過納粹，并一度被限制自由。但他多次盡力拯救同行，維護科學(xué)的尊嚴，得到了業(yè)界的尊重。

1946年在英國皇家學(xué)會主持召開的國際結(jié)晶會議上，各國科學(xué)家都稱贊他是“值得尊敬的人”“科學(xué)家的楷?！?。

1957年，法國政府授予勞厄榮譽軍團勛章，表彰他捍衛(wèi)科學(xué)家的尊嚴和自由。

關(guān)于勞厄與諾貝爾物理學(xué)獎，還有一段趣事。

1940年，德國占領(lǐng)丹麥，納粹政府派兵搜查科學(xué)家玻爾的實驗室。玻爾對勞厄委托保管的諾貝爾獎獎牌十分重視。在化學(xué)家赫西的幫助下，他把純金制的諾貝爾物理學(xué)獎獎牌放在王水（鹽酸與硝酸混合液）中溶解，從而讓獎牌躲過一劫。

9年后，美國芝加哥市舉行了諾貝爾獎牌歸還儀式，市長把重鑄的獎牌交還給勞厄。這也成為諾貝爾獎史上的一段佳話。

德國發(fā)行的勞厄百年紀念郵票，圖片來源物理雙月刊網(wǎng)

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責(zé)編/Akua