科学书屋－科学家的故事

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李政道







中国科学院外籍院士，物理学家。美国哥伦比亚大学物理系教授、美国科学院院士、中国高等科学技术中心主任，浙江近代物理中心主任。1943年至1944 年曾在浙江大学物理系就学。1956年与杨振宁教授一起提出弱相互作用中宇称不守恒理论而共获1957年诺贝尔物理奖。1994年被选为中国科学院首批外籍院士。

研究的课题，除高能物理、粒子物理外，还广泛涉及天体物理、流体力学、统计物理、凝聚态物理、广义相对论等领域。

年表：

1926年　出生于上海

1943年　江西联合中学毕业

1943年　就读于浙江大学物理系

1944年　转入昆明国立西南联大

1946年　就读联大二年级，受吴大猷推荐赴美留学（芝加哥大学物理系）

1950年　获芝加哥大学哲学博士学位，至加拿大担任天文研究员

1951年　受聘于普林斯顿大学高级研究所

1953年　至哥伦比亚大学任教

1956年　与杨振宁共同提出宇称不守恒理论

1957年　与杨振宁同获诺贝尔奖

1958年　与杨振宁、吴健雄同获普林斯顿大学物理学奖，并被授于普林斯顿大学物理荣誉博士学位

1960年　任普林斯顿高级研究所教授

1961年　受推选为美国国家科学院院士

1963年　回哥伦比亚大学，担任第一位「费米讲座」的物理学教授偕夫人返回阔别26年的中国大陆

1964年　和杨振宁受邀参加广州粒子物理理论讨论会，二人还被推选为本次会议的顾问委员会成员

1984年　回国参加第十六届中研院院士会议

1986年　出任中国高等科学技术中心终身主任；并担任北京现代物理学研究中心主任。12月，哥大为李政道举行六十大寿庆典

1988年　在北京主持召开同步辐射应用国际讨论会

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狭义相对论的创立







早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？

与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论──电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。

但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢？

19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”

爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以及绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？

爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。

光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。

爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

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小笨蛋还是小神童







爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴可是直到九岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。小爱因斯坦是一个诚实的孩子，从不做违心的或骗人的事。为此，他受到同学们的讥笑，给他起了一个绰号叫“诚实的约翰”。普通孩子喜欢玩带有竞争性的游戏，可是他却不喜欢参加。孩子喜欢打仗的游戏，喜欢看士兵操练，但是他却从小到大不喜欢任何和军事有关的东西。他是一个不想看到人类互相残杀的和平主义者。

爱因斯坦家的住房周围有花园，他经常一个人长时间地蹲在花园角落的灌木丛里，用手抚摩着小叶片或者凝视着匆匆跑动的蚂蚁。他很小就喜欢冥想，想了解大自然的奥秘。一次，在依萨尔河岸野餐时，一位亲戚说，小爱因斯坦很严肃，当其他的孩子都在互相玩耍、逗乐时，他却独自坐着看湖的对岸。母亲玻琳深情的为自己的孩子辩护：“他是沉静的，因为他在思索。等着吧，总有一天他会成为一个教授！”那位亲戚感到可笑，但也理解母亲的心情。教授！在人们的心目中，只有那些聪敏的人才有可能得到这个荣誉的称号，这个连话都说不好的笨孩子能成为一个教授吗？

在四、五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到六十七岁还能鲜明的回忆出来。

爱因斯坦在念小学和中学时，一般功课属平常，唯有数学成绩远在全班同学之上。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。教他希腊文和拉丁文的老师对他是那么厌恶，曾经公开骂他：“爱因斯坦，你长大后肯定不会成器。”而且因为怕他在课堂上会影响其他学生，竟想把他赶出校门。

爱因斯坦的叔叔雅各布在电器工厂里专门负责技术方面的事务，而爱因斯坦的父亲则负责商业的往来。雅各布是一个工程师，自己就非常喜爱数学，当小爱因斯坦来找他问问题时，他总是用很浅显通俗的语言把数学知识介绍给他。

有一天爱因斯坦跑来问叔叔：“什么是代数”？叔叔就这样解释：“在算术中有很多问题不容易解决，要算又很难。而代数是一门'快乐'的数学，能很容易的帮人们解答困难的计算。我们把我们不知道的数叫着X，然后来捕捉它。你把它当作已知道的东西，建立一些关系，最后你就可以容易地得到它了。”然后叔叔给了他一本有代数问题的小册子，爱因斯坦很快就学会了解决里面的问题。

有一次雅各布叔叔给他讲了几何中一个很美丽的定理──毕达哥拉斯定理：任何直角三角形的长边平方一定等于两短边平方的和。叔叔没有告诉他这个定理的证明，但是爱因斯坦在画了许多直角三角形后发现这关系一直成立，感到非常的惊奇。

父亲的生意做得并不好，但却是一个乐观和心地善良的人，家里每星期都有一个晚上要邀请来慕尼黑念书的穷学生吃饭，这样等于是救济他们。其中有一对来自立陶宛的犹太兄弟麦克斯和伯纳德，他们都是学医科的，都喜欢阅读书籍，兴趣广泛。他们被邀请来爱因斯坦家里吃饭，并和羞答答、长着黑头发和棕色眼睛的小爱因斯坦交成了好朋友。

麦克斯可以说是爱因斯坦的“启蒙老师”，他借了一些通俗的自然科学普及读物给他看，看完后就和爱因斯坦讨论，并且再继续提供给他新的读物。麦克斯点燃了爱因斯坦自学的兴趣火花，还不断地辅导他。

麦克斯在爱因斯坦十二岁时给了他一本施皮尔克的平面几何教科书，一下子攫取了爱因斯坦的心灵。爱因斯坦晚年时回忆这本神圣的小书时说：“这本书里有许多断言，比如，三角形的三个高交于一点，它们本身虽然并不是显而易见的，但是可以很可靠地加以证明，以致任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。”

这时爱因斯坦又想起了毕达哥拉斯定理，于是想要独立证明这个定理。他花了三个星期最后找到一个方法，就是从直角三角形最长边所面对的顶点作这边的垂直线，于是把三角分成相似三角形，由此很容易证明这个定理。虽然这是一个古老得有二千多年历史的定理，但是爱因斯坦经过一番努力总算得到了结果，他第一次体会到科学发现时的欣喜。

麦克斯每星期来时，都会帮他改一些习题，并且辅导他作一些较难的问题。过不久又引导他学习高等数学，十三岁时他已自学微积分了。当他的同班同学为那些平面几何简单问题和循环分数而皱眉头时，爱因斯坦靠自学已经进入到无穷级数这些美丽神奇的“无穷世界”去了。

很快小爱因斯坦的数学程度超过了读大学的麦克斯，比他大十一岁的医科大学生再也跟不上这个十二、三岁的小孩子了。为了以后有共同谈话的话题，麦克斯开始借哲学书给他看，爱因斯坦在十三岁就能看懂康德的《纯理性批判》。这是一本对许多成人来说都算是枯燥艰深的书。这时候爱因斯坦阅读的书就是数学、物理和许多哲学家的书。他不看小说，唯一的消遣就是拉小提琴。

麦克斯认为他已发现了一个神童，他说：“一个伟大的科学家或哲学家，将从爱因斯坦身上成长起来。”

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杨振宁







杨振宁，安徽省合肥县人，一九二二年八月二十二日出生。一九二八年就读厦门国小、一九三三年就读北平崇德中学、一九三八年插班昆明昆万中学高中二年级、一九四二年西南联大毕业、一九四四年西南联大研究所毕业、一九四五年在西南联大附中教学后赴美、一九四八年夏完成芝加哥大学博士学位一九四九年秋天普林斯顿大学研究、一九五七年获诺贝尔物理奖、一九五八年当选中央研究院院士、一九六五年应纽约州立大学校长托尔邀请筹备创立石溪分校研究部门、一九六六年离普林斯顿赴纽约州立大学石溪分校主持物理研究所，担任教授至今。杨氏于一九三八年以高二的同等学历，考取当时由清华、北大、南开三个大学合并的西南联大的化学系，后来改念物理系。

一九五七年，和李政道合作推翻了爱因斯坦的「宇称守恒定律」，获得诺贝尔物理奖学金。他们这项贡献得到极高评价，被认为是物理学上的里程碑之一。

年表：

1922年　出生于安徽合肥

1929年　就读北京清华园内成志小学

1933年　就读北平崇德中学

1938年　插班昆明昆华中学高二

1938年　入西南联大就读

1942年　西南联大研究所毕业

1944年　任教于西南联大附中

1945年　抵美国

1948年　在泰勒指导下转做理论物理，于是年获芝加哥大学物理博士

1949年　进普林斯敦大学研究

1956年　与李政道提出宇称不守恒理论

1957年　因宇称不守恒理论而获得诺贝尔物理学奖

1958年　当选中央研究院院士

1966年　转赴纽约大学石溪分校，创立并主持理论物理研究所

1971年　返回久别的中国大陆

1986年　返国参加中研院院士会议

1994年　荣获美国费城富兰克林学院颁发之波维尔(Bower)奖

1996年　获清华、交通两所大学颁授荣誉博士学位

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会跑步的钟楼







　　荷兰有位名叫杨瑞恩的眼镜匠，每天都忙着磨镜片。

有一天，调皮的孩子们把磨好的镜片带到二楼去玩。有个孩子把两片镜片叠起来看东西，惊奇地大叫着：

“多奇怪呀，那么远的钟楼怎么跑到眼前来了？”

孩子们轮流看着，一个个都惊奇地叫起来。

杨瑞恩听到孩子们的叫嚷，跑到楼上来，拿过重叠的镜片一看，顿时惊呆了：明明是在远处的钟楼，怎么会一下子跑过来了呢？

孩子们的意外发现，引起了杨瑞恩的研究兴趣。经过不断的钻研和改进，他终于发明了望远镜。

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最早的无线电广播



丁义忠



1906年12月24日即圣诞节前夕的晚上8点钟左右，美国匹兹堡大学教授费森登通过马萨诸塞州布朗特岩的国家电器公司128米高的无线电塔成功地进行了一次广播。广播的节目有读圣经路加福音中的圣诞故事、小提琴演奏曲，还播送了德国音乐家韩德尔所作的《舒缓曲》等。人们听到电波传来的精彩节目，感到十分惊奇。这是人类历史上第一次进行的正式的无线电广播。在1900年11月，费森登教授曾进行过一次演说广播，但声音极不清楚，未被重视。不过，第一次成功的无线电广播，应该是1902年美国人内桑·史特波斐德在肯塔基州穆雷市所作的一次试验广播。

史特波斐德只读过小学，他如饥似渴地自学电气方面的知识，后来成了发明家。1886年，他从杂志上看到德国人赫兹关于电波的谈话，从中得到了启发，试图应用到无线广播上。当时，电话的发明家贝尔也在思考这个问题，但他的着眼点在有线广播，而史特波斐德则着眼于无线广播。经过不断的研制，终于获得成果。他在附近的村庄里放置了5台接收机，又在穆雷广场放上话筒。一切准备工作就绪了，他却紧张得不知播送些什么才好，只得把儿子巴纳特叫来，让他在话筒前说话，吹奏口琴。试验成功了，巴纳特·史特波斐德因此而成为世界上第一个无线广播演员。

他在穆雷市广播成功之后，又在费城进行了广播，获得华盛顿专利局的专利权。现在，肯塔基州立穆雷大学还树有“无线广播之父”的纪念碑。

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比萨斜塔下“真实的谎言”



蝈蝈



　　伽利略拿着两个重量不一样的球，来到比萨斜塔上。塔下面已经有很多人在围观。在一片惊呼声中，他们紧紧地盯着伽利略，他手里那两只球同时从塔顶下落。“是一起着地的。”人们大声喊起来。

这个故事是我上小学的时候，在课堂上听老师讲的。现在，我知道，这个伽利略晚年的学生维安尼在写伽利略传记中提到的故事，不过是个谎言。

《科学的历程》为我们打开了科学真实的历史过程。对于这件事，《科学的历程》这本书谈到，经过科学史家的考证表明，没有任何理由显示伽利略做过这一实验，伽利略本人对这个实验也从来没有提起过。在伽利略之前，倒是有人做过这样的实验。1856年，荷兰物理学家斯台文使两个大小不同、重量比为1比10的铅球，从30英尺的高度下落，结果两个球几乎同时落在地面上的木板上。伽利略也许听说了这个实验，可能也亲自动手做过，但是，结果可想而知。

事实是，一位亚里士多德派的物理学家为了反驳伽利略，倒真的是在1612年在比萨斜塔做了一个实验，结果是相同材料但重量不同的物体并不是同一时刻到达地面的。伽利略对此有一个辩护，意思是说，重量1比10的两个物体下落时只差很小的距离，可是亚里士多德却说差10倍，为什么忽视亚里士多德派如此重大的失误，却盯着我小小的误差不放呢？这个辩护也可以说明，伽利略并没有在比萨斜塔上做过那个著名的判决性实验，他要是做了这个实验，那就是自讨苦吃。

但是，伽利略的学生为什么要编造这个谎言呢？看了该书的第18章对近代科学方法论的介绍，我突然有了领悟。真正代表近代科学方法论精神的，是伽利略和牛顿。伽利略最先倡导并实践了“实验加教学”的方法。但是，伽利略的实验并不是培根意义上的观察实验，而是理想化的实验。地球上的任何力学实验都不可能避免摩擦力的影响，但要认识基本的力学规律，必须首先从观念上排除摩擦力。只有这种理想化的实验才可能与教学处理配套。

原来，这个实验不过是一次头脑中的“理想实验”。就一个理想实验来说，它当然是真实的。这就是所谓的“真实的谎言”吧。

“读史使人明智。”这是该书作者吴国盛写作这本书的一个重要目的。他说，科学故事也许能诱发孩子对神奇的科学世界的向往，但是，对正规的理科学习并没有多大的帮助，倒是相反，一些以讹传讹的传奇故事，对于深入理解科学理论是有害的。因此，他要写一部严肃的科学史的普及读物，这有助于理科教学，有助于理解科学的发展，有助于理解科学的社会角色和人文意义。但我觉得，一旦我们真正地了解了科学的历史，意义决非仅此而已。