科学书屋－科学家的故事

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东汉天文学家张衡







　　在东汉时期，中国出现了一位创制天球仪、候风仪、地震仪的天文学家张衡。

　　张衡于公元78年出生在河南南阳，家境贫苦。但他自幼喜欢读书，成年后曾在南阳郡做了几年文官，后来辞职回乡，潜心天文研究。中国汉朝先后出现了三种关于天体运动和宇宙结构的学说，这就是“盖天说”、“浑天说”和“宣夜说”。“盖天说”认为天在上，地在下，天像一个半圆形的罩子，大地像一个倒着的盘子。”“浑天说”主张天是浑圆的，日月星辰会转入地下，早期的浑天说认为大地是平的，改进的浑天说认为大地是球形的。“宣夜说”认为天没有一定形状，而是无边无际的充满气体的空间，日、月、星辰都飘浮在气体中。张衡根据自己对天体运行的认识和实际观察，认为“浑天说”比较符合观测实际。他还制作了一个能够精确演示浑天思想的“浑天仪”。

　　张衡的另一发明是制作了水运浑象，它是世界上第一架用水力发动的天文仪器。水运浑象实际上是个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。世界上第一个可以测定地震方位的地动仪，也是这位古代科学家发明的。张衡还在《灵宪》等天文著作中，阐述了无限宇宙的思想，解释了月亮反射阳光和月食发生的原因。他对2500颗恒星的观测记录和“周天三百六十五度又四分之一度”的计算结果，和近代天文学非常接近。

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丹麦天文学家第谷·布拉赫







　　第谷·布拉赫，1546年12月14日生于丹麦斯科讷，出身贵族，14岁入哥本哈根大学。第谷从小迷恋天文观测，终身致力于天文仪器制造和天文研究。他一生积累的观察数据和资料，对后来的著名天文学家开普勒有极大帮助。

　　1576年2月，丹麦国王将丹麦海峡中的汶风岛赐给第谷，并拨巨款让第谷在岛上修建大型天文台。这座天文台被誉为“天堡”，它规模宏大，设备齐全，所用的天文仪器几乎都是第谷设计制造的。其中最著名的是第谷象限仪。这座天文台还有配套的仪器修造厂、印刷所、图书馆、工作室和生活设施。第谷在此工作了21年，重新测定了一系列重要的天文数据，他的测量结果与现代值都很接近。

　　第谷不断改进观测仪器，如在窥管上引入附加的照准器，找到了既精巧又方便的横向划分法，提高了仪器的精确度。他测定了大气折射改正表，为后人的观测活动提供了很好的参照。第谷通过重新测定恒星的位置，编制成比以往更准确的1000多颗恒星的星表。

　　1588年国王逝世后，天文台资金十分困难，第谷艰难地维持了10年，于1597年3月被迫关闭天文台。1601年10月24日，第谷辞世。

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埃德蒙·哈雷的预言在他死后17年准确应验









　　埃德蒙·哈雷，出生于1656年的英国，20岁毕业于牛津大学王后学院。此后，他放弃了获得学位的机会，去圣赫勒纳岛建立了一座临时天文台。在那里，哈雷仔细观测天象，编制了第一个南天星表，弥补了天文学界原来只有北天星表的不足。哈雷的这个南天星表包括了381颗恒星的方位，它于1678年刊布，当时他才22岁。1680年，哈雷与巴黎天文台第一任台长卡西尼合作，观测了当年出现的一颗大慧星。从此他对慧星发生兴趣。

　　哈雷最广为人知的贡献就是他对一颗慧星的准确预言。哈雷在整理慧星观测记录的过程中，发现1682年出现的一颗慧星的轨道根数，与1607年开普勒观测的和1531年阿皮延观测的慧星轨道根数相近，出现的时间间隔都是75或76年。哈雷运用牛顿万有引力定律反复推算，得出结论认为，这三次出现的慧星，并不是三颗不同的慧星，而是同一颗慧星三次出现。哈雷以此为据，预言这颗慧星将于1759年再次出现。1759年3月，全世界的天文台都在等待哈雷预言的这颗慧星。3月13日，这颗明亮的慧星拖着长长的尾巴，出现在星空中。遗憾的是，哈雷已于1742年逝世，未能亲眼看到。哈雷的计算，预测这颗慧星将于1835年和1910年回来，结果，这颗慧星都如期而至。这颗慧星就是今天几乎人人皆知的“哈雷慧星”。慧星的神秘性随之被打破。

　　此外，哈雷发现了恒星的自行，这又是一个重大发现。哈雷还提出利用金星凌日的机会，去测定日、地距离，为当时精确测定地球与太阳的距离提供了很好的方法。他还发现了月亮运动的长期加速现象，为精密研究地、月系的运动作了重要贡献。

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“桂冠美国天文学家”

──亨利·罗素





亨利·诺里斯·罗素是20世纪最有影响的天文学家。他1877年10月25日生于美国纽约州奥伊斯特贝，20岁毕业于普林斯顿大学天文系，23岁获博士学位。1902年，罗素赴英国剑桥大学学习。1905年回国，相继担任过教授、天文台台长、空军飞机制造局顾问、实验工程师等职务，在国际上享有很高的声誉。

　　20世纪初，罗素与丹麦天文学家E·赫茨普龙各自独立地发现了巨星序与矮星序，并创制了表示恒星光谱型与光度关系的图，后来这类图就以这两位发明者的姓氏命名，称为“赫茨普龙—罗素图”，简称“赫罗图”。此后80多年来，天文学的发展表明，该图是研究恒星演化的重要工具，受到各国学者一致推崇。

　　两颗星互相绕转、互相遮掩而形成的双星，尤其食双星，是罗素一生的研究领域。根据统计，在已发现的恒星当中，双星几乎占去一半。从望远镜里观看双星，可以看到红、蓝两个“太阳”相互交错的奇观。罗素最早创立食双星测光解轨理论，是借助双星探讨恒星的物理性质。恒星论成为以后食双星测光解轨的基础，具有很高的实用价值。

　　在50多年的研究生涯中，罗素共发表论文265篇，研究涉及了天文学与天体物理学的许多课题。1957年2月18日，他在美国新泽西州普林斯顿逝世。

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“点石成金”

──莫瓦桑发明人造金刚石的故事






金刚石作为一种稀有的贵重物品，自古以来就是财富的重要象征。

在大自然中，金刚石以极少的矿藏量深埋在地底下。偏偏是这种少得出奇的金刚石具有世界万物中独一无二的特性：它是自然界中最硬的一种矿石。金刚石的这一特性，使它具有广泛的社会用途：有人将它镶嵌在金光闪闪的戒指、耳环等首饰中，以象征坚贞不渝的爱情；有人把它制成锋利无比的金刚钻，用来切割钢铁、玻璃等等。

可是，储量如此稀缺的金刚石，远远满足不了社会对它的巨大需求。渴望拥有金刚石的人往往会天真地想，要是有一天金刚石能成为大量存在的物品，那该多好！

1893年，法国科学院宣布了一条振奋人心的消息：法国化学家莫瓦桑研制出了人造金刚石！

片刻间，这一爆炸性的特大喜讯传遍全法国，传遍全世界。人们轰动了，法国轰动了，世界轰动了！莫瓦桑一下成为新闻媒介的焦点，成为人们心目中巨额财富的生产者，在法国，甚至有人称他为“世界富翁”。

早在发明人造金刚石之前，莫瓦桑已经是法国一位颇负盛名的化学家了。1886年，莫瓦桑首先制取了单质氟。6年后。他又发明了高温电炉。不过，莫瓦桑并没有被鲜花和荣誉绊住前进的步伐，在科学的道路上，他仍旧一如既往地孜孜进取。

有一次，莫瓦桑准备进行一项化学实验，需要用一种镶有金刚石的特殊器具。这种器具非常昂贵，因此实验室里的助手们倍加爱护。

早上，莫瓦桑来到实验室，做好实验前的准备工作。这时，各项仪器都准备好了，却找不到那镶有金刚石的昂贵器具。奇怪，怎么会突然不见了呢？

助手突然惊叫起来：“啊？门好像被撬过了！莫非有小偷光顾？”

莫瓦桑仔细一看，可不是，门锁很明显被人撬开过。进实验室前，谁也没有留意到。这么说，小偷看上那昂贵的金刚石了。

这桩意外使莫瓦桑萌生了一个念头：“天然金刚石如此稀少而昂贵，如果能人工制造金刚石，该有多好！”

可这谈何容易！作为化学家，莫瓦桑心里最清楚：“点石成金”这不过是美好的神话。要想制造金刚石首先要弄清楚金刚石的主要成分并了解它是怎样形成的。

翻阅了许多资料后，莫瓦桑了解到，金刚石的主要成分是碳。至于它是如何形成的，在这方面研究的成果很少，只有德布雷曾提出金刚石是在高温高压下形成的。

紧接着莫瓦桑想到，要人工制造金刚石，得有可供加工的原材料。选什么材料才合适呢？还从未有人作过这方面的尝试，看来，一切要靠自己摸索了。

有一回，有机化学家和矿物学家查理·弗里德尔在法国科学院作了一个关于陨石研究的报告，莫瓦桑也参加了。

在报告中，查理·弗里德尔说：“陨石实际上是大铁块，它里面含有极多的金刚石晶体。”

听到这儿，莫瓦桑猛地想到：石墨矿中也常混有极微量的金刚石晶体，那么，在陨石和石墨矿的形成过程中，是否可以产生金刚石晶体呢？

想到这里，莫瓦桑头脑中出现了制取人造金刚石的设想。他对助手们说：“金刚石的主要成分是碳。陨石里含有大量金刚石，而陨石的主要成分是铁。我们的实验计划是：把程序倒过去，把铁熔化，加进碳，使碳处在高温高压状态下，看能不能生成金刚石?”

历史上第一次人工制取金刚石的实验开始了。没有先例，没有经验，更没有别人的指点，一切都像在黑暗中探路一样。第一次失败了，认真总结经验，找出问题的症结所在，第二次再来……经过无数次的反复探索，莫瓦桑的实验室里终于爆发出一阵激动的欢呼声，大家紧紧地拥抱在一起：成功了！

从此，人造金刚石诞生了，并日益在社会生活中发挥它那坚不可摧的威力。

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轮椅上的世界

──史蒂芬·霍金剪影

吴天择




“果壳中的宇宙”这个隐喻来自莎士比亚的名句：“即便把我关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王。”其实，用这个隐喻来形容史蒂芬·霍金本身是最贴切不过了，它既形象地阐述了霍金的宇宙观，又生动地概括了霍金富有传奇色彩的一生。



少年历程：打破沙锅问到底

1942年1月8日，史蒂芬·霍金出生于英国牛津，这一天恰好是伽利略逝世300周年的忌日。这一天并没有什么特别的意义，霍金认为这纯粹是一个巧合，因为每天都有数以万计的人降生于世。

小时候的霍金与一般的孩子一样，有自己擅长的方面，但不是全才。例如，他相当晚才学会阅读，但他对事物的来龙去脉特别感兴趣，他曾计算过进自家屋子的各种方法，发现共有11种。

霍金一旦对某件事情感兴趣，就会投入百分之百的注意力，例如，他可以花整个晚上玩某种复杂的游戏，这也许是导致霍金取得成功的重要因素。他还喜欢和擅长设计复杂游戏，这种创造一个“世界”并赋予它规则的游戏让他感到非常惬意。

不治之症：“凤凰涅磐”成巨人

霍金过完21岁生日之后不久进医院检查，被诊断患了肌肉萎缩性脊髓侧索硬化症。在英国，这种病也叫运动神经细胞病；在美国，这种病被称为卢伽雷症，以患该病而死于1941年的纽约洋基棒球队一垒手的名字命名。患者脊髓和大脑内控制肌肉运动的神经细胞逐渐死亡，但头脑的思维不受影响。患者通常因呼吸肌功能失效导致肺炎或窒息而死亡。这是一种不治之症，病情会稳定下来，但永远不可能治愈，只能等待或早或迟(可能是几个月后，也可能是几十年后)到来的死亡。霍金患此病的年龄大大低于大多数病人，因此，人们认为他会更早而不是更晚地死去，医生曾宣布他只能活两年半。

受此影响，那时，霍金对生活非常厌倦，觉得没有任何值得做的事情。但是，出院后的霍金有一次梦到自己被处以极刑，他突然意识到活下去是值得的，如果被缓刑的话，还有很多事情可以做。从那时起，他开始进行研究，大约18个月后，皇家学会发表了他的一篇论文。他在文章中对霍伊尔教授的最新引力理论做了些修正，霍伊尔对此表示感谢。霍伊尔、邦迪和高尔德同为稳恒态宇宙论的开创者，霍金选择剑桥大学时本来是想跟从霍伊尔的，但未能如愿。

当时尚是研究生的霍金由此开始了他的研究生涯，在研究的道路上经过几十年的跋涉后，终成一代大师，被誉为“当代爱因斯坦”。

涉足科普：无心插柳柳成荫

1982年，当霍金面临女儿露西开学需交一笔高昂的学费时，决定面向一般公众写一本有关宇宙的书，开始了《时间简史》一书的写作。1984年，他完成了《时间简史》的初稿，并进行修改。没想到“无心插柳柳成荫”，《时间简史》一书获得了极大的成功，至今已销售2500万册，成为出版界、科普界的一件盛事。《纽约时报》评论说：“霍金先生无疑具有教师天赋，轻松幽默，擅长以日常生活的隐喻来诠释极端复杂的主题。”《图书目录》给出的评论是：“这位因研究黑洞本性而名震天下的理论物理学家，作为科普作家正像他作为科学家一样游刃有余。”霍金意外地发现自己写作科普的天分之后，再接再厉，接着推出了插图本《时间简史》和《果壳中的宇宙》，跻身于世界顶级科普作家之列。他不仅在生活中成为一个王者，还成为科普创作之王。

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从放牛娃到院士

──气象学家黄荣辉的故事






当世界性气候异常使一般人开始注意太平洋上的“厄尔尼诺”现象、大陆上的高原热源时，黄荣辉却已对导致这些现象的大气行星波动机制，进行了开拓性探索。他提出：必须在垂直方向上把大气分成很多层次才能正确描述这种波动，并在世界上最早把大气分成34层来研究准定常行星波。

他的成就引起国际同行的重视，那是1981年。到1986年，他借助电子计算机分析了几十万个数据，编了几万条程序，发表了二十多篇论文，从而对准定量行星波的物理成因、传播规律以及其异常做出了进一步的解释，并发现了这种大气波在三维空间存在两支波导，是沿着两通道进行传播的。这就为进行月──季度的长期天气预报提供了一定的依据，为解开一些气象之谜提出了新的看法。

科学无国界。中国人的成就在国际大气科学界引起一连串的反响：

“我正在撰写一篇回顾文章，很想引用您文章中所得的结果。”此信来自美国麻省理工学院。

“在我的文章脱稿之后，中国的黄博士已发表了他用三维多层模式的研究成果，我的结果与他们的结果相类似。”英国一位著名大气动力学家在文章中引用黄荣辉的成果进作了上述说明……

祖国给予黄荣辉更高的荣誉：他的成果荣获中国科学院1985科学进步奖一等奖，他本人于1991年当选为中国科学院院士。

那么，他是怎样由一个放牛娃成长为一名中科院院士呢?

黄荣辉出生在福建省惠安县一个非常穷苦的农民家庭，父亲靠给人家当雇工或长工来养活全家。解放前，祖祖辈辈都没有上过学。1949年解放了，家里分得土地，他才上学。由于生活十分困难，没有钱交伙食费，每星期他必须自己从家中挑几十斤白薯和柴草步行约二十公里到学校。再冷的冬天也只穿两件破烂的冬衣，直到高中毕业前，还没穿过一双买的鞋。一双木拖鞋伴他度过了中学时代。他与一位同窗好友合盖一床被子，上学用的文具只有靠有时帮助经济富裕家庭的子弟背书得一点劳务费来购买。然而生活的艰辛并没有使他退即，反而更激励他勤奋读书，使他从小学到高中一直保持着优异的成绩。

1959年，他以优异的成绩考上了北京大学地球物理系。他是带着家里唯一的一条被子，第一次穿着买来的鞋迈入北大这一引导他认识现代科学的大门。学校给他最高的助学金，还有冬衣和夏衣，有关领导还经常问寒问暖。这使他暗下决心：只有努力学习才能报答党和人民对自己的培养。就是这样一个纯朴的信念使他战胜一个又一个困难。

回顾1979年开始的准定常行星波研究工作，黄荣辉感叹：“灵感没有帮过我的忙。”是的，他是把中国农民的老黄牛精神和现代科学手段、科学思维相结合来塑造科学家的形象的。

准定常行星波变化缓慢，波长上万公里，比地球半径（6400公里）还长，是进行两周以上长期天气预报和短期气候变化预报的关键性动力学问题。进行这样的理论研究，必须从分析浩若烟海的观测资料入手。要在这个领域提出一点新见解、新理论，即使是训练有素的科学家，也要耗费巨大的心血。黄荣辉同样无捷径可走。

他家老少三代五口人，居住在狭窄的简易筒子楼里。回国后，两个孩子都上学，天天晚饭后，不论刮多大风，下多大雨，他都要到办公室去，直到家人休息之后，他才回去“接班”用报纸把灯挡起来，继续他的研究。

清贫的科研生活，使他和他的爱人获得很强的适应力。吃饭，他不问色香味，塞饱就行；工作累了，他不论睡地铺还是行军床，肩膀一挨铺就睡着。上班时，头脑里不想柴米事，下班晚回家，爱人没意见。对于这样生活，他说：“人不堪其忧我也不改其乐。”

在科学的迷宫，黄荣辉有时可以忘掉一切。一年春节，研究所为每人代购一只鸭子。分鸭子那天，黄荣辉推导有关行星波传播的数学公式，又是很晚才回家。自行车上挂着鸭子，满脑子还是数学公式。到家后，公式没推导完，鸭子不见了。爱人说道：“你一个活人带一只死鸭还丢了?”谁知鸭子被本所一位同事拾到。这位同事作了一个简单的推理：我们所今天分鸭子，丢鸭子的人这么晚了才回家，这人一定是我所的“书呆子”黄荣辉。

黄荣辉有时有点“呆气”，可他更有中国知识分子的志气。1979年，他由国家派遣赴日留学，两年中，他每日工作14小时以上，有时甚至通宵达旦在机房工作。由于他在行星波动力学研究中取得的成绩，当时的日本气象学会理事长就多次挽留他在日从事研究工作，并负责他在日期间的一切生活费，但他没有答应，如期归国。美国大气研究中心一位气象学家要给他优厚的待遇，促他赴美工作，他婉言谢绝：“国家需要我赴美作合作研究时，我会走的。”直到不久前，国外一所大学还愿提供相当二万多美元的年薪招聘他，他同样没有答应。他对记者说：“我这个科学家是有祖国的，我的事业，就在生我养我的中国。”

黄院士曾说：“我是由一个放牛娃成长为一名中科院院士的，我做的一些事情主要是党多年教育的结果，再就是个人的努力。一个人活在世上要有理想，不是为了谋生。对名誉我看得很淡，我认为最重要的是要有一种精神，要为科学发展扎扎实实做点贡献，为国家为人民解决一点实际问题。”