作者：吴京平
出版社：时代华文书局
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无中生有的世界：量子力学传奇(科学史评话@吴京平,用讲评书的风格讲科普,一部微观世界的编年史，从元素周期表到超弦理论，讲述了量子力学从无到有的发展历程)试读：
01．化学元素表的诞生
1907年2月2日，圣彼得堡寒风凛冽，气温下降到了零下20多摄氏度。一群学生走在滴水成冰的街道上，为他们的老师举行葬礼。围观与随行的群众多达万人，阵容十分“豪华”。听过传统相声《白事会》的朋友可能知道，我国旧时有钱人出殡，阵仗也很豪华。队伍最前头走的往往是逝者的长子，抱着先人遗照；后边跟着的是亲朋好友；再后边是各种念经做法事的队伍，和尚、老道若干人等。吹鼓手也十分卖力气，唢呐的声音尤其富有个性，正所谓“喇叭声咽”，持续制造悲伤的气氛。但是欧洲人可没这么热闹，气氛是肃穆庄严，大家只是安静地走向墓地。最前方学生们举着的大横幅上既不是逝者的名字，也不是逝者的遗照，而是一系列的符号，上面写着H、Fe、Zn……
究竟是什么人的故去能引起这么大的阵势呢？那些奇怪的符号又是什么呢？现在只要学过中学化学的人都知道，那些符号是化学元素符号，H是氢，Fe是铁、Zn是锌……可出殡怎么还跟化学搭上边儿了呢？因为刚刚去世的就是俄罗斯伟大的化学家门捷列夫—元素周期表的发现者（图1-1）！
门捷列夫1834年出生在寒冷的西伯利亚，他的父亲是一所中学的校长，可惜在门捷列夫13岁的时候，他父亲就去世了。门捷列夫的母亲很坚强，独自拉扯着一群孩子长大成人。门捷列夫的兄弟姐妹太多了，一共有17个，足够开篮球联赛了。门捷列夫在家排行第十四，我们不妨尊称一声“十四爷”。门捷列夫的学业严重偏科，拉丁语尤其让他头痛，经常考试不及格。考不过毕不了业该怎么办呢？幸亏学校老师是他亲戚，这才勉强及格毕了业。毕业后，门捷列夫如同出笼之鸟一般，拉着几个同样不喜欢拉丁语的同学爬上了附近的小山，一把火把拉丁语课本给烧成了灰。哪里有考试，哪里就有烧课本，历史总是一遍一遍以不同的方式重演。图1-1 雕像：门捷列夫和元素周期表
门捷列夫的母亲很不简单，古有孟母三迁，门捷列夫的母亲也不遑多让。本来丈夫一死，家里收入锐减，生活过得就很艰难了，而他母亲经营的玻璃厂又因为失火而倒闭，真是雪上加霜。但是她知道，再穷不能耽误孩子受教育。1894年，她决定变卖家产去两千公里以外的莫斯科，毕竟大城市的教育资源比较丰富；后来又辗转到了柏林、巴黎；最后来到了俄国首都圣彼得堡。门捷列夫也真不含糊，考上了医学院，在当时，医生和律师都是有前途的职业。可惜啊，门捷列夫上尸体解剖课的时候，直接晕过去了，不得不退学，看来他与医生这个职业没缘分。他父亲的校友—圣彼得堡高等师范学校的校长听说这件事后，便决定要帮门捷列夫。师范院校不收学费，门捷列夫家经济困难，读师范是再合适不过的了。作为交换，学生毕业以后要到指定的学校去当老师，这也是合情合理的事情。
1850年，门捷列夫就读师范院校的物理数学系，成绩出类拔萃。同年9月，门捷列夫的母亲病逝，门捷列夫决心更加发愤读书，获得了学校的金奖，1855年以第一名的成绩毕业。不幸的是，毕业之际他得了肺结核，在病床上躺了很长时间。在克里米亚养病期间，他读完了硕士课程。毕业以后，他去过好多地方的中学当老师，比如辛菲罗波尔、敖德萨，都在乌克兰那一片。他教的课程很杂，各种科目都教，自己还要搞科研写论文。门捷列夫家是造玻璃的，从小就跟硅酸盐打交道，所以他的论文也和硅酸盐有关系，比如《硅酸盐化合物的结构》。
1857年，门捷列夫被破格录用为圣彼得堡大学的化学讲师，可惜工资微薄，他不得不到处当家教补贴家用。不光是他，就连他的前辈齐宁教授当年初入职场时，也要兼职家教来补贴家用。有个瑞典来的工程师帮着沙皇研制水雷，工程师的孩子也跟着来到俄国，齐宁就给这孩子当家教。这孩子真是聪明绝顶，十几岁就对化学非常在行。他的名字是阿尔弗雷德·诺贝尔，就是日后那个诺贝尔奖的设立者，著名的炸药大王。阿尔弗雷德·诺贝尔的父亲搞水雷研制，所以他在炸药行业的成就算是有家学渊源的了。理论上诺贝尔跟门捷列夫算是同门师兄弟关系，都是齐宁的学生。齐宁的学生里面还有个名人就是鲍罗丁，这位化学家在本职工作上的成就远不如在业余爱好上取得的成就出名，他是俄罗斯乐派“强力五人团”的成员，写了交响诗《在中亚细亚草原上》，歌剧《伊戈尔王子》。齐宁教授也对他们大力举荐提携，毕竟人才难得。
1859年至1861年间，门捷列夫被选拔去德国和法国留学。到国外游历了一圈后，门捷列夫最大的感受就是俄国太落后了，好多先进的仪器俄国都没有，即便是试管、烧瓶之类的器具都需要他自己动手去做。好在他家是开玻璃厂出身，做个烧瓶、试管并不费力。所以他在西欧见到著名化学家本生的时候，俩人聊得特别投缘，因为本生也擅长自己动手制造实验仪器。那个时代正是化学工业从无到有大发展的时代，化学工业的进步速度非常快，化学家特别容易变成实业家，比如诺贝尔，他家就是做实业的，大炮一响黄金万两，著名的武器公司博福斯公司就是他家开的。发明制碱法的索尔维后来也发了大财。后文中还会提到这两个人。
门捷列夫当时没想那么多，他就想在学校好好给学生们上课。他在大学里教授基础的无机化学。化学课一入门就要学习各种各样的化学元素。在1863年，科学家们已经发现了56种化学元素，平均每年都能发现一种新的化学元素。当时发现新元素还都是化学家的工作，哪能预料到若干年后被物理学家们抢了饭碗啊。这么多的元素，它们之间到底有什么联系呢？这个问题也不是没人想过。1829年，德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”观点，把当时已知的44种元素中的15种分成5组。元素的化学性质似乎表现出了周期性的规律。法国人德尚寇特斯提出了关于元素性质的“螺旋图”，德国的迈尔发表了“六元素表”。后来，英国的纽兰兹又提出元素化学性质是有周期的，每隔7种元素就会出现化学性质类似的情况，称为“八音律”。他在英国皇家学会做了个报告。大家听完了报告以后全乐了，说：你太“哏儿”了，你认为元素也是跟音阶一样，是do re mi fa so la ti吗？这不是胡扯嘛！你可算知道按照原子量排序了，你怎么不按照拉丁字母排序啊？纽兰兹的心灵遭受到严重打击。当时科学界并不认为这些元素之间有什么内在联系，化学性质相似不过是一种巧合罢了。当时凡是研究元素周期律的人，都不同程度地遭到冷嘲热讽。
门捷列夫也在潜心研究元素之间的联系和规律，但是周围的人，包括他的老师齐宁教授都不支持他。在他们看来，化学元素相互之间是没有什么联系的。门捷列夫从小爱玩牌，他做了很多卡片，每一张卡片上都写了元素的名称、原子量、化合物的化学式和主要性质。之后，他把卡片加以系统排列，先是把卡片分成三组，按元素的原子量大小排列，但毫无结果。他又打乱了这种组合，把它们排成几行，再把各行中性质相似的元素排成列……门捷列夫激动了，这样排列之后出现了他完全没有料到的情况—每一行元素的性质都是按照原子量的增大自上而下地逐渐变化。例如，锌的性质与镁相近，这两个元素便排在相邻的两行中，锌挨着镁。根据原子量，在同一行中紧挨着锌的应该是砷，如果把砷直接排在锌的后面，砷就落到铝的一行中去了。但是，这两个元素在性质上并不相近。如果把砷再往下排，它就和硅相邻。可是硅的性质又不同于砷的性质。这样，砷可以再往下排，排在磷的后面。元素的排列是有规律的！但是，在锌和砷之间还留有两个空位，这又如何解释呢？门捷列夫激动地设想，这些空位也许属于尚未被发现的元素，而它们的性质应与铝和硅很相近！他比纽兰兹更向前了一步，他发现，已知的60多种元素并不是连续排列的，中间空着好几格，应该还有没被发现的元素能够填进这些格子里。
门捷列夫在化学元素符号的简单排列中发现了规律，他把其他工作都放到了一旁，集中力量解决元素的排列问题，因为他发现表中元素的排列还不完善。
他把与之有关的各种学术杂志拿来，反复阅读、研究，发现杂志上关于某些化合物的性质和组成的材料常常相互矛盾。他认为，这是对原子量的测定不准确造成的，这也使得他的元素表中有些元素没能排在与其性质相符的位置上。
门捷列夫决定亲自进行实验。1862年，他对巴库油田进行考察时，着手重测了一些元素的原子量。经过半年的努力，他发现有些的确与别人的结论不符。他按照自己测定的元素的原子量把它们排在性质相近的元素行列中。
门捷列夫发现了元素有着清晰的系统性，元素的性质随着原子量的改变而改变。1869年3月，门捷列夫在他题为《元素性质与原子量的关系》的一篇论文中首次提出了元素周期律，就这样，世界上第一张元素周期表诞生了！
门捷列夫的元素周期表（图1-2）有67个格子，还有4个格子是空着的。门捷列夫预言并详细描述了当时科学界尚不知晓的三种元素—“类硼”、“类铝”和“类硅”的性质。但是各国同行们全都摇头晃脑地死不买账，他们一致指责元素周期表是纯粹的形式主义，只是为了便于研究而根据元素的近似性分了一下类，实际上毫无用处。图1-2 1871年版本的元素周期表
门捷列夫需要新元素的发现来证实他的预言，哪怕只证实一个也好，但他不知这会是多么漫长的等待。6年后的一天，门捷列夫在翻阅法国科学院院报时，看到一篇有关勒科克·德布瓦博德兰发现了一种叫作“镓”的新元素的文章。他迫不及待地读完了，新发现的元素的性质与门捷列夫预言的“类铝”的性质很相似。毫无疑问，这是一个伟大的胜利！不过，法国科学家勒科克测定镓的比重为4.7，而门捷列夫计算出的却是5.9。门捷列夫写信给勒科克，告诉他，从他所发现的镓的性质看，就是6年前自己预言的“类铝”，并且告诉勒科克，他所测定的镓的比重不对。
勒科克读了门捷列夫的信后，一脸懵圈，门捷列夫根本没有拿到这种元素，怎么能断定自己所测定的比重是不对的呢？不过，测比重还是很容易检验的，于是勒科克再次认真地进行了测量，结果他信服了，门捷列夫是对的！勒科克在读了6年前门捷列夫发表的关于周期律的论文后，才完全理解了自己的发现的意义：自己用实验方法证明了俄国科学家门捷列夫的预言，从而证实了门捷列夫元素周期表的正确性！镓的发现在科学家中间引起了更强烈的反响，门捷列夫和勒科克立即闻名全世界。科学家们为这一最初的胜利所鼓舞，开始探索门捷列夫预言的尚未被发现的另两种元素。欧洲的数十个实验室都在紧张地工作着，千百个科学家渴望获得不寻常的发现。
又过了4年，瑞典科学家尼尔森教授发现了一个新元素，它完全符合门捷列夫所描述的“类硼”，尼尔森把它叫作“钪”。门捷列夫的预言再次得到证实，俄国科学家的成就得到了世界的承认。1886年初，德国化学家文克勒发现了新元素“锗”，又验证了门捷列夫的“类硅”元素的预言。
元素周期律获得公认后，各种荣誉潮水般涌向门捷列夫，他一夜间成了世界第一流的化学大师、俄国人民心中的科学英雄（图1-3）。他被多个国家的科学院聘为外籍院士。1882年，他与迈耶尔共同获得英国皇家学会的最高荣誉—戴维奖章。虽然门捷列夫的贡献巨大，但是他没能当上俄国科学院院士，因为他支持圣彼得堡的学生运动，愤然辞去圣彼得堡大学的职务，得罪了沙皇政府。齐宁去世之后，科学院空出一个院士的名额，教育部门的人给委员会施加压力，不许门捷列夫当选，最终赞同票对反对票为9：10。舆论哗然，沙皇政府被骂得狗血喷头，不得不重新推选门捷列夫为院士。但门捷列夫才不稀罕呢，他干脆拒绝加入。后来政府请他当“度量衡总局”局长，门捷列夫把国际单位制引进了俄国。海军又请他帮忙改进火药，谁叫他们1905年刚刚在旅顺口吃了败仗呢。门捷列夫为俄国而到处奔忙。图1-3 门捷列夫纪念邮票
门捷列夫也没能得到诺贝尔奖，因为评审委员会有个科学家跟门捷列夫有私人恩怨，这个人叫作阿累尼乌斯，他提出了溶液的电离学说。正因为他提出了电离学说，毕业论文迟迟通不过，毕不了业。他的导师认为他是胡说八道，可是国际上知名的学术大腕儿可是很看得起这个毕不了业的学生，甚至到学校来看他，这可把他的导师给吓得不轻。阿累尼乌斯自己当年也是学术压制的受害者，当权以后却也学会了挟私报复别人。正是他从中作梗，导致赞同票对反对票为4：5，门捷列夫没拿到诺贝尔奖。说到底，有人的地方就有江湖，这一年的诺贝尔奖颁发给了莫瓦桑。转过年来，大家觉得这一回总该轮到门捷列夫拿奖了吧，哪知道门捷列夫突然去世了。门捷列夫说过：“天才就是这样，终身劳动，便成天才。”他真的工作到最后一刻，由于突然心梗发作，公历1907年2月2日（俄历1月20日），门捷列夫与世长辞。
门捷列夫只是发现了元素的周期律。随着原子量的增加，每隔一段就会出现元素性质近似的情况。但是元素周期律背后蕴含的规律是什么呢？大家并不知道。大自然哪里会轻易把自己的秘密透露给人类呢？那岂不是太便宜我们了。
就在大家惊叹门捷列夫元素周期表的神奇的时候，出麻烦了。英国剑桥大学当时的校长威廉·卡文迪许是正经八百的德文郡公爵。他家祖上有一位“科学怪人”叫亨利·卡文迪许，此人脾气古怪，也不结婚，深居简出地钻研科学，一辈子淡泊名利，从来不靠刷论文数量来体现自己的学术水平，留下的手稿倒是很丰富。他的后辈—第七代德文郡公爵威廉·卡文迪许当上了剑桥大学的校长，自己掏腰包建立了一座实验室，聘请当时的电磁学宗师麦克斯韦来执掌，这个职务就相当于剑桥大学物理系的系主任。麦克斯韦对卡文迪许的手稿很感兴趣，花了大量时间整理。1879年麦克斯韦去世以后，这一切都由瑞利男爵（本名约翰·斯特拉特，是第三代瑞利男爵）接班执掌。
瑞利男爵注意到了卡文迪许手稿里面记录的一件事。一个玻璃容器，倒扣在碱液里面，空气都聚集在顶部。伸进两个电极，打出电火花，空气中的氧气和氮气在电火花的作用下会形成二氧化氮。二氧化氮是酸性的，会被碱液吸收。空气中还会有少量二氧化碳，本身也是酸性的，也会被碱液吸收。随着不断放电，顶部空气越来越少，按理说空气里面也没什么其他成分了，最后应该被吸收得一点不剩，所有空气都会被消耗光。但是卡文迪许发现不是这样的，最后总有一个小气泡消除不掉。这是为什么呢？卡文迪许只是做了记录，并没有下结论。100年过去了，大家根本没注意这件事，但是瑞利男爵注意到了。他当时在测量各种气体的密度，别的气体密度测量结果都很准确，唯独氮气的密度老是测不准。（图1-4）图1-4 卡文迪许使用的是原理类似的装置
获取纯净的氮气有两个办法，第一种是从含氮的化合物里面提取出氮气，第二种是清除掉空气里面的其他气体，那么也就只剩下氮气了。用这两种办法获得的氮气测量出来的密度居然是不同的，相差了1.2‰。瑞利男爵一个头两个大，这到底是为什么呢？这要是别人碰上，根本不当回事，可是瑞利男爵是个特别仔细的人，他总觉得这事不对劲。魔鬼总在细节里，很多科学发现都是在小数点后面好几位数的数值变化里挖出来的。他一次次重复试验，测出来的比重就是对不上。所以卡文迪许的手稿给了他一个启发，莫非空气中还有其他成分？
瑞利男爵自己搞不定，便广发英雄帖，看谁有兴趣来帮他。喊了半天，没人理他。后来一个叫拉姆塞的人蹦出来，表示自己有兴趣（图1-5）。这个拉姆塞用了别的办法。他让空气不断通过炽热的镁粉，镁粉很活泼，高温下会跟氧气和氮气发生作用。最后折腾来折腾去，总是留下个小气泡。这个小气泡到底是什么玩意？量太少，测定成分显然还不够，拉姆塞开始大规模地烧镁粉，最终把这种奇怪的气体收集了好几升，瑞利男爵自己也另外搞出了500毫升。这下好了，足够实验用了。他们想尽办法把这东西跟其他元素放在一起，加热也罢，放电也罢，人家就是刀枪不入，跟谁都不发生反应。这是何方神圣，居然有金刚不坏之身？拉姆塞一看，折腾不动这东西，那么就不得不把他老师最趁手的法宝请出来了。图1-5 瑞利男爵和拉姆塞
拉姆塞的老师是谁啊？他老师叫基尔霍夫，是大名鼎鼎的物理学家。更重要的是基尔霍夫还有一位“好基友”（基尔霍夫的朋友，简称“基友”），就是前文中提到过的那位本生。这个本生擅长自己鼓捣化学仪器，缺个瓶瓶罐罐的，自己就能造。实验室普遍使用酒精灯，但是酒精灯的温度根本不够用，本生就开始利用煤气制作高温灯具。可本生造的煤气灯浓烟滚滚，根本不好使。恰好他的学生从英国带回了法拉第设计的新灯具，但是这个灯火焰小、温度低，仍然不够用。本生想到了改进方案，最后是彼得·迪斯德加按照本生的思想搞定了灯的改进，但名字还是叫“本生灯”（图1-6）。图1-6 本生灯
本生灯其实就是一种煤气灯，温度很高，能达到2300摄氏度，而且煤气灯的火焰颜色很淡，不会干扰实验。基尔霍夫和本生同在海德堡大学工作，那时本生正对一个现象着迷，就是不同的金属盐撒到本生灯上会出现五颜六色的火焰，非常美丽。本生发现，这些颜色好像跟金属元素有关系。比如你烧的是含钠的盐，发的就是黄色的光，烧的是含钙的盐，发的就是砖红色的光。本生越烧越兴奋，逮着什么烧什么。基尔霍夫在旁边看不下去了：别烧啦！你烧起来没完啦！
本生对基尔霍夫说，不同的颜色很可能代表不同的元素。基尔霍夫眼前一亮：真的吗？好像是这么回事啊，基尔霍夫脑子一转，人凭着主观印象描述颜色，是根本不靠谱的，要想精确描述光的颜色，只能依靠光谱分析。他跟本生一说，本生一拍大腿，说干就干。基尔霍夫立刻去找来三棱镜，两个人一顿敲打，造出了世界上第一台光谱仪（图1-7）。图1-7 光谱仪图1-8 低压钠灯的光谱线
他们俩又是一通烧，把能烧的金属盐都找来烧一遍，大有收获。比如说钠盐的光谱，是两条黄色的谱线，不是连续光谱，谱线很窄。各种元素的谱线都不太一样（图1-8）。要是连续的光谱还不好辨认呢，现在一根根细细的谱线，那就好比是每个元素独有的条形码。本生还把一大把金属盐撒上去，考考基尔霍夫能不能根据光谱线反推出元素。连续测试了很多回，基尔霍夫总是回答得分毫不差。这两个人乐疯了，他们俩发现了一种鉴别元素的新方法，而且灵敏度很高，这是1859年的事。第二年，圆明园就被烧了。不由得感慨一下，都是人，差距咋就这么大呢……
就在1859年10月20日，他们俩向柏林科学院做了个报告。报告的题目别提多吓人了，他们居然说搞清楚了太阳上的元素组成。一帮科学家在台底下听着心里纳闷儿，你们俩啥时候去太阳上溜达了一圈啊？等他们俩把实验过程详细描述了一遍，大家不由得拍案叫绝。牛顿用三棱镜发现了光的色散，原来太阳光是可以分解成不同颜色的。后来德国的物理学家夫琅和费发明了光栅，这东西也能分解光谱，而且效果比三棱镜更好。他发现，太阳光的光谱里面有大量的暗线，他记录了600条之多。但是大家一直不知道这些暗线是从哪儿来的，又为什么会有暗线。本生和基尔霍夫发现，这些暗线跟某些元素发出的明线光谱是一一对应的。他们俩就此判断，夫琅和费线（图1-9）就是太阳里面化学元素的指纹。图1-9 夫琅和费线
基尔霍夫说，他们把能烧的全烧了，能找的全找了。太阳的600多条谱线跟地球上的元素是一一对应的。也就是说，宇宙里面的天体，成分应该大差不差。天体物理由此进入了新阶段。人类现在可以用光谱来分析物质的组成元素了。
翻回头来再说瑞利男爵和拉姆塞。他们实在没辙了，新发现的这种气体刀枪不入，随便你怎么折腾，它都不与其他元素发生反应。拉姆塞想起老师基尔霍夫的光谱仪来了。但是他老师一直是烧金属盐来测定光谱，气体该怎么办呢？这东西没法拿到火焰上烧啊。这也难不倒科学家们，他们发明了一种办法，在气体瓶子里放电，用电场来激发气体辉光。发明这玩意的人叫克鲁克斯，他是瑞利男爵和拉姆塞的后援团之一，这种装置就叫作“克鲁克斯管”。当然啦，他们也没想到这种放电的管子居然又导致了另外两个重大发现的诞生。一张嘴说不了两家事，咱们暂且不表。
有了放电装置的帮助就可以观察气体的光谱线了。不看不知道，一看吓一跳啊，拉姆塞发现这种元素的光谱以前从来没见过，摆明了是一种新元素。这种气体实在是太不活泼了，因此他们给这种气体起了个名字叫“氩”气，希腊文的意思是懒惰，惰性气体由此得名。正值英国科学协会在牛津开会，他们在牛津大学的讲坛上向世人宣布，空气中还有他们以前不知道的气体存在。一石激起千层浪，大家都傻了。没想到，普通的空气里面还有不为人知的秘密。这时有人回过味儿来啦！不对啊，按照元素周期表，这个元素不属于任何一个空格。元素周期表压根儿就没有预见到这玩意的存在。难道元素周期表错啦？
拉姆塞本人很冷静，新发现的氩元素跟哪个族的元素都不像，难不成是自成一派？这倒是很有可能。拉姆塞后来再接再厉，又分离出了好几种惰性气体。这些气体组成了元素周期表的新一族，元素周期表又增添了一列，恰恰说明了门捷列夫元素周期表的前瞻性和预见性。这已经是1895年的事了，门捷列夫那时候没空，正在当度量衡总局的局长。沙皇不喜欢他，但是他名气太大，不得不把他换到一个闲职上，省得乱说乱动。
19世纪晚期，很多学科都在开花结果。大家都信心满满，觉得只要发掘下去，没什么是搞不定的。但是好景不长，几年之后的20世纪就变了天，如果19世纪的科学的特征是“靠谱”、“搞得定”。那么到了20世纪，科学界毁了好几次三观。20世纪物理学的特点就是“说不清，道不明，才下眉头又上心头”。
就拿基尔霍夫为例，他的主要工作还是在物理学方面。他提出了黑体辐射的概念。所谓的黑体，那就是不反射任何辐射的理想物体。这样的话，你能测到的任何辐射都是这家伙自己发出来的。但这样的理想物体在自然界一般是不存在的，不过现实中可以模拟一个理想的黑体。假设一个内部粗糙的容器，壁上开个小眼儿，要是有光射进去，在里面粗糙的表面上被不断反射吸收，恰好能从这个小眼儿出来的概率就很低很低。这个小眼儿，基本上可以当作黑体来对待。
基尔霍夫提出这个理念，是1862年的事了。这是自打他1859年开始“烧东西”以来，花了三年总结出来的结果。黑体会自己辐射出能量，也会吸收能量，只跟温度有关系，与物质成分没关系，他是从麦克斯韦电磁学理论推导出来的。但是他没想到这在无形之中给经典物理学挖了个大坑。现在人们不知不觉间已经挖了两个坑了：一个是元素的周期性到底是从何而来；另一个就是光谱线的成因是什么，为啥光谱不连续呢？一个元素的所有光谱线是不是符合某种数学规律呢？基尔霍夫反正是只管挖坑不管填，1887年就去世了。果不其然，后来就有人掉进了这个坑里。一个是前面提到的那个瑞利男爵，惰性气体的发现者之一。另一位是数学教师，他的名字叫巴尔末，也牵扯到了这件事里面。
对于巴尔末来讲，这是个数学问题，不是物理学问题。不就是找出一堆数字之间的数学关系嘛，那还不手到擒来。一来二去一折腾，果然被他折腾出来了。巴尔末当时已经60岁了，老爷子真是不含糊。他推算出来的公式精确度极高，跟当时实际测量的值相差仅仅1/40000，公式也写得优雅简洁。后来老爷子还推上瘾了，又推了氦元素的光谱和锂元素的光谱线规律（图1-10）。图1-10 巴尔末线系在可见光范围内的四条谱线
巴尔末老爷子对光谱学和近代物理的发展起了重要作用。光谱线背后蕴含的奥妙一点儿都不简单，一个后生小子给出了非常漂亮的解释并因此拿下了诺贝尔物理学奖。不过这已经是几十年后的事了。
在科学家眼里，光谱线公式是那么优美简洁。公众却对此一头雾水，大部分人对这些东西也没有任何兴趣。不过，一张照片的发表引起了公众对于物理学的强烈兴趣，成了大家街头巷尾热议的话题，这是怎么回事呢？
02．神秘的X射线
上一回讲到，本生跟基尔霍夫两个人把能烧的物质统统烧了一遍。两人在实验室一见面，第一句话就是“今天，你烧了没有？”气体不能拿本生灯去烧，那该怎么让气体发光呢？不要紧，前面提到，他们有个外援叫克鲁克斯，人家的拿手好戏就是让气体发光。
气体在电压作用下会发光。这个现象1838年已经被英国的电学大师法拉第发现了。后来人们发现，靠近阳极部分的玻璃管也会发光。克鲁克斯就对这事特别感兴趣，专门造了个“克鲁克斯管”（图2-1）来研究这种现象。在阳极的一端涂上荧光粉，玻璃管里面放个金属片，能在荧光粉屏幕上看到金属片的剪影，这就足以证明这种射线是从阴极发射出来射向阳极的，射线可以被金属片挡住。
那时候大家都觉得这东西好玩儿，因此一大帮人都开始研究这种现象。研究了没多长时间，英国人跟德国人就吵起来了。他们吵什么呢？1876年，德国的哥尔茨坦发现这种射线跟紫外线类似，因为紫外线也能引起荧光粉发光，这东西看来应该是一种光。
1871年，英国物理学家瓦尔利发现阴极射线在磁场中会偏转，于是提出这种射线是由带负电的物质微粒组成的。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的赞同，但是德国有一位著名的科学家站出来反对了，他就是在1887年发现了无线电波的赫兹。麦克斯韦预言的电磁波，最终是由赫兹做实验给验证出来的。这个实验很重要，我们后文中要重点提到，此时暂按下不表。正因为赫兹证明了电磁波的存在，因此显然是站在他的同胞一边。他也认为阴极射线是电磁波，电磁波就是“以太波”。当时物理学界流行着“以太说”，认为光是依靠以太传播的，光就是以太波。物理学界此时形成两大阵营，英国人说是粒子，德国人说是波。双方互相都不服气，分头设计实验来验证自己的推测。图2-1 克鲁克斯管
英国的舒斯特把带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890年，他发现，阴极射线粒子在磁场里面是走圆弧的，根据磁偏转的圆弧半径和电极间的电位差，可以估算带电微粒的荷质610比。他测量以后计算了一下，得到的结果在5×10～1×10库仑/千克8之间，与电解所得的氢离子的荷质比10库仑/千克相比，数量级相近。两者如此接近，其中必有蹊跷。
赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的理论。德国人这一派又叫以太学说。英国人不是说阴极射线是带电的吗？那好办啊，我在克鲁克斯管旁边加上电场，看看阴极射线是不是会偏转。结果测来测去测不到，于是赫兹一拍巴掌，你看你看，不偏转吧，看来不带电，这东西应该是电磁波。到了1891年，赫兹又发现，这个阴极射线居然可以穿透很薄的金属片。1894年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管末端嵌上厚度仅0.00265毫米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线，在空气中穿越约1厘米的行程。德国人非常得意。这种射线能够穿透实物，隔山打牛，只有波能办得到，粒子根本不行。
英国人当然不服气，发誓要扳回一局。大概在1890年前后，一个34岁的年轻人开始关注这个领域。这个人我们后文再提。那个年代，有关克鲁克斯管的研究也就成了热门话题，那年头各个物理实验室要是没有摆弄过克鲁克斯管，都不好意思说自己是研究物理的。图2-2 伦琴和他的实验室
1895年11月8日，德国维尔茨堡大学的一间实验室里面，校长伦琴教授正在做克鲁克斯管的实验（图2-2）。当时房间没开灯，屋子里一片漆黑，放电管用黑纸包得严严实实的。他突然发现在不远处的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。伦琴感到非常奇怪，他尝试把荧光屏挪远了点儿，但荧光屏仍然发出幽幽的荧光。伦琴觉得蹊跷，阴极射线穿透能力非常弱，厚一点儿的障碍物都无法穿过，他现在拿黑纸包着克鲁克斯管，按理说不会漏光。是不是别的东西导致荧光屏发光呢？伦琴把克鲁克斯管关掉，荧光立刻不见了，说明荧光就是克鲁克斯管引发的。
他拿来手边的各种东西遮挡克鲁克斯管，纸片挡不住，木头也不行，只有厚一点儿的金属板可以。伦琴顿时觉得这事闹大了。一连6个星期，伦琴闷头钻到实验室里闭关研究。这一个半月的时间，他大门不出二门不迈，吃住全在实验室。他明白，这种射线跟阴极射线是有关的，但并非阴极射线。伦琴一时半会儿搞不清楚这种射线到底是什么。在这件事上，伦琴体现出两个优点，第一点是观察敏锐仔细，别人不留心的地方他留心了，而且很认真；第二点是他很老实，不知道就是不知道，不懂就是不懂。他决定称这种射线为X射线，X就是方程式里面的未知数。图2-3 第一张人体X射线照片
时间过得飞快，一晃到了圣诞节。伦琴夫人非常好奇，老公好久没回家了，起居都在实验室，他究竟在鼓捣啥呢？怀着强烈的好奇心，她来到了老公的实验室，伦琴一看夫人来了，很想在夫人面前展示一下最近的研究成果，他拉过夫人的手按在底片上，接通了克鲁克斯管的电源。等到底片冲洗出来，一张手掌骨骼的透视照片呈现出来了，这也是世界上第一张人体透视照片（图2-3）。夫人感到非常神奇，仔仔细细地端详这张照片……为什么有个圈圈呢？伦琴不由得一滴汗下来。这不是你手上的结婚戒指嘛！X射线是不能透过厚金属的。
我们说，这是世界上第一张人体透视照片，这没错，但是这并非世界上第一张X射线照片。1880年就已经有人发现克鲁克斯管里会有异常的荧光出现，他们没当回事。到了1895年，各个物理学实验室的工作人员都发现了，感光底片最好别放在克鲁克斯管附近，离得近了容易出问题，好多底片莫名其妙地黑掉了。1887年，克鲁克斯本人也发现了最近底片质量越来越差，冲洗出来都是黑的。他还纳闷儿，这年头怎么总是买到伪劣产品呢？他怎么都没想到这是旁边的克鲁克斯管在作怪。
1890年2月22日，这是一个比较“2”的日子。美国宾夕法尼亚大学的古茨彼德也遇到了类似情况，甚至还拍摄到了物体的X射线照片，但他没当回事，随手把底片扔到废片堆里了。6年后，伦琴宣布发现X射线，古茨彼德才回忆起这件事，可惜世界上没有卖后悔药的。
1895年12月28日，伦琴把《关于一种新的射线》为题的论文送交到维尔茨堡物理学会和医学协会会长手里。他以严谨的文字将7个星期的研究结果写成了16个专题。这一年伦琴正好50岁，X射线是他为人类奉献的最珍贵的礼物。这个发现不仅在物理学上有重要的意义，同时也开启了一门崭新的医学学科，从此影像医学诞生了。过完新年，1896年的1月5号，报纸开启了“刷屏”模式，消息到处流传。《维也纳日报》星期版的头版头条详细报道，文章写得通俗易懂：伦琴先生发现了一种神奇的射线，能够穿透物体（图2-4）。过去，不剖开皮肉是无法看到骨骼的，现在能在荧光屏上直接看到骨头的影像，还能拍下照片。这一伟大的发现传遍了全世界。
1896年1月13日下午5时，伦琴应邀在德皇威廉二世和皇后御前讲演和表演，德皇与他共进晚餐，授予他二级宝冠勋章和勋位，批准在波茨坦桥旁为他建立塑像，这是多大的面子啊！1月23日，伦琴做了公开演讲，紧接着，他的好友柯立卡（一位解剖学教授）建议以“伦琴射线”命名此新射线以做纪念，一群大学生也于当晚举行了火炬游行以示庆祝。伦琴说：“假如没有前人的卓越研究，发现X射线是很难实现的。”伦琴的品格就是如此。有人劝他弄个贵族头衔，他没兴趣。有人让他申报专利，他也不干。X射线是全世界的共同财富，伦琴不愿独享，将其无偿用于救死扶伤的医疗领域。就在这一年，X射线便应用于临床医学，通过X射线透视技术，成功地从伦敦一位妇女的手部软组织里取出一根缝衣针，这是破天荒的第一次。X射线已经展现出巨大的威力。图2-4 透视效果
伦琴的工作是在简陋的环境中完成的。那是一个不大的工作室，窗下摆着一张大桌子，左边是个木架子，上面放着日常用品，前面是个火炉，右边放着高压放电仪器，这就是人类第一次进行X射线试验的地方。伦琴的名气大了，这个简陋的实验室也成了景点，不断有人前来参观，大家都想见识这神奇的X射线。伦琴不得不花时间精力作陪。结果，“施主”们看到设备简陋，需要资金来添置仪器设备。名气大了就好办，总有人会帮助他。
X射线发挥的作用怎么评价都不过分。伦琴一辈子获得了150多个荣誉，最高的荣誉当然是1901年获得第一个诺贝尔奖。他的奖金全部用来给实验室添置仪器了，自己并没留下什么。晚年，他辞去所有的行政职务，专心搞科研。第一次世界大战以后，德国经济一落千丈，大家手头都紧。伦琴的身体尤其差，体重骤降了40多斤，得了急性脑病。1923年2月10日，伦琴安静地结束了78年的人生旅程。图2-5 贝克勒尔和庞加莱
1896年这一年，X射线的发现绝对是最大的新闻。消息传到了法国，法国科学界也很关注。贝克勒尔在一次科学院大会上碰到了庞加莱（图2-5）。这个贝克勒尔也不是凡人，他父亲亚历山大·贝克勒尔也是物理学家，当年就研究过太阳辐射和磷光现象。他爷爷则是电解法提炼金属的发明者。他的儿子也是物理学家，算起来一家有四代人从事科学研究。庞加莱的名字更是如雷贯耳，他是数学家，也是物理学家，还是位哲学家。伦琴给庞加莱写了信，还寄了一张X光照片。正赶上法国科学院开会，庞加莱马上把照片展示给了法国科学界。贝克勒尔一看就来了兴趣，他问庞加莱，这射线怎么搞出来的？庞加莱说，可能是阴极射线轰击金属阳极给轰出来的。贝克勒尔心里一动，他的家传绝学就是荧光。他爷爷、他老爹都专门研究荧光现象，也叫作磷光现象。古人以为是鬼火，其实就是磷化氢的自燃现象。传统上，大家习惯把黑暗处发冷光的现象都叫“磷光”，现在一般叫荧光现象。贝克勒尔的老爹发现某些铀矿石会发出荧光，那么这两者是不是有相似之处呢？
贝克勒尔已经发现了，铀矿石在太阳底下暴晒之后拿回黑暗处，就会有荧光。X光是阴极射线打中了金属靶子以后溅出来的，那么荧光物质在太阳光的轰击下是不是也会发射X射线呢？庞加莱听他一说，马上鼓励他，这种现象值得好好研究。贝克勒尔说干就干，他买了一大包胶片，取一张用黑纸里三层外三层地包上，放在太阳底下晒。晒了一天，冲洗出来一看，什么痕迹都没有，果然没有曝光。看来黑纸能够完全挡住太阳光。他又找他老爹要了一瓶子铀盐（硫酸铀酰钾），这种物质在紫外光照射下可以发出荧光。他就把这种铀盐放在底片上边压着，端到太阳底下晒。假如阳光照射到铀盐上，铀盐被激发后发射X射线，X射线可以透过黑纸让底片感光，那就验证了贝克勒尔的猜想。底片晒了一阵子再拿回去冲洗，果然变黑了，显然是已经曝光了，这印证了贝克勒尔的猜测。
贝克勒尔还不放心，万一这张底片是次品，本身就是黑的呢？万一不是被铀盐的辐射照出来的呢？那好办，再来几次实验，凡是能够在严格条件下重复的事才是规律嘛，科学就是在研究这些规律。于是他又把一些底片拿黑纸包严实，然后压上铀盐。为了进一步确认，他还放了打孔的金属板、硬币、钥匙。拿到阳光下晒一阵子再拿回去一冲洗，果然底片上出现了钥匙、硬币之类的影子。显然，这种射线透不过金属，才会留下无法曝光的地方。
那是不是化学物质渗透进了黑纸包或者是温度导致的底片变黑呢？也要排除这个可能性。他就在铀盐和黑纸包之间加了一层玻璃。结果还是一样的，底片曝光了。贝克勒尔非常开心，他马上写了报告，在法国科学院的会议上宣读了。他见到庞加莱以后非常开心。老庞啊，果然被你说中啦！的确会出现跟X射线类似的现象。这个射线的确也能透过黑纸包。庞加莱鼓励他：那好啊，你回去继续实验，把这东西搞清楚吧。
贝克勒尔继续回家做实验，但是不巧，天气变阴了，实验做不成了，贝克勒尔包好的底片暂时用不上了。他把底片往抽屉里一放，实验用的铀盐也顺手扔了进去。一连好几天阴天，晒不了太阳。贝克勒尔忽然念头一闪，假如不晒太阳光，底片会有反应吗？索性先把底片冲洗出来看看，这一看可了不得了，底片居然已经被曝光。原来即便不晒太阳，铀盐一样能使得底片曝光（图2-6）。贝克勒尔心头一颤，不好！前边的报告搞错了。图2-6 曝光的底片
沉住气，冷静点儿，先把事情搞清楚再说。他看看底片，好像比晒过太阳的那几张还要黑，看来这种辐射跟太阳没关系，而是跟时间有关系。摆在那里的时间越长就越黑。那么是不是自然环境中有什么东西可以激发铀盐发出辐射呢？贝克勒尔在暗室里面重复了这个实验，一切照旧。原先设想太阳光激发铀盐发出辐射，然后这种辐射导致底片感光，看来完全是不靠谱的。铀盐自己会发出辐射，不需要外界激发。可是铀盐里面的元素比较多，有硫、铀、钾，到底哪种东西才是发射这种射线的罪魁祸首呢？他换了其他荧光材料来实验，发现只有含铀的物质会产生这个现象。他换了各种各样的铀盐，果然都出现了底片变黑的情况。而且不管是把盐溶解在水里还是加热到熔融状态，都不能改变这个性质，这是铀元素本身的特性。贝克勒尔动用关系好不容易才搞到了一小块纯铀金属，又做了一次实验，果然，这一次底片颜色最黑。那么就排除了其他一切因素，这种射线就是铀元素发射出来的，也能穿透黑纸包，跟X射线类似。
1896年5月，他在法国科学院发表了报告，认为这种射线来自于铀元素本身，只要有铀元素在，就会源源不断地发射出射线来。贝克勒尔把这种射线命名为铀射线，虽然也有穿透性，但是与X射线是不同的。这种射线可以使空气电离，也就是说，在这种射线的作用下，空气变成了导体。
大家生活中见过导电的气体吗？其实很常见，火焰就是会导电的气体，内焰就是电离状态。当然，烟雾报警器的原理也是让空气电离，然后测量空气的电阻，要是烟雾浓度高了，空气的电阻就会变化。万一发生火灾，报警器检测到烟雾太浓，立刻就会喷水。那么是用什么办法让空气电离呢？烟雾报警器的核心部件有赖于一位年轻母亲的伟大发现。图2-7 居里夫妇和大女儿
1897年，这位女士刚刚生了个女儿，她一边抱着娃一边准备报考博士学位，此前她已经拿了两个学士学位。贝克勒尔的文章一发表，立刻引起了这位年轻妈妈的关注。她对铀射线非常感兴趣，但是必须得到她所在单位的领导，也就是她丈夫皮埃尔·居里的支持，才能研究这种射线。这位年轻的女士过去的名字叫“玛丽亚·斯卡洛多斯卡”，这是一个波兰名字。她有一个大家更为熟悉的名字，也是物理学历史上一个传奇的名字—玛丽·居里，后来大家都称她为居里夫人（图2-7）。
居里先生过去的主攻方向是晶体研究，压电效应就是他发现的。他发现石英晶体假如在某个方向受到压力，表面居然会产生电荷，反过来也一样，加上电场，石英晶体也会产生变形。居里就用这个效应造了一个静电计，可以测量出极微弱的电量，也叫居里计。
居里在磁性方面做出了不少贡献，比如居里定律：温度高到一定程度，物体就会突然失去磁性。现代家用电饭煲的温控就利用了这个原理，温度高到一定程度，突然失去磁性，开关吸不住就突然跳起来了。居里的这些成就都是跟他的哥哥合作搞出来的。居里一辈子都不缺好搭档，先前跟哥哥在一起搞晶体方面的研究，成就不小；后来跟老婆搞夫妻档，成就更大。居里先生慧眼识珠，他发现夫人的研究更有意义，就放下自己的主攻专业，来给自己的夫人做助手。
居里夫人能够找到的有关铀射线的资料也就是贝克勒尔的几篇文章，但是她对贝克勒尔的办法很不满意。要是每次测量辐射都用胶片曝光的办法，显然太过麻烦。按标准称出几克的物质用黑纸包起来，拿秒表算时间，然后去暗室里冲洗底片，再拿出来看够不够黑，凭着肉眼看颜色深浅，这太不靠谱了。有什么更方便快捷的测量办法吗？办法就在眼前，辐射不是可以让空气电离吗？测量通电能力不就行了吗？巧了，她老公造出了最灵敏的静电计，解决方案不就摆在面前嘛。
居里夫人造了个仪器，组成部分是一个电离室、一个居里计、一个压电石英静电计，这个仪器很管用。居里夫人测量了铀元素的辐射值。她发现，辐射强度只和铀元素的量有关，而且是成正比的关系，跟外界环境无关，不论温度高还是温度低，不管有光照还是没光照，这种特性仿佛是铀元素自己的特殊秉性。现在发现的化学元素已经有80多种了，难不成只有铀元素有这个特性？居里夫人想，说不定别的元素也会发出辐射。
居里夫人对已知的化学元素做了个普查，很快就发现另一种元素也有跟铀类似的特性，也会发出射线，这就是钍元素。既然发出射线不是铀元素独有的特性，显然就不好叫作“铀射线”。居里夫人起了一个新名字，叫“放射性”，铀和钍就成了最早被发现的放射性元素。
居里夫妇俩工作的学校是理化学院，一个工科院校，有大量来自各地的矿石标本。他们俩就开始翻出各种各样的矿物质来测量放射性。他们俩不看成分，只拿仪器检测，只要是有放射性的矿石肯定含有铀或钍，没有放射性的肯定不含铀或者钍。有一次，他们拿了一块矿渣来测试，一测不要紧，放射强度直接爆表，远比一般的铀和钍强得多。他们俩一头雾水，得出的一致结论是仪器出毛病了。修理了半天，结果还是一样，又测了20多次，每次都爆表。
居里夫妇有点儿莫名其妙，这么强大的放射性是从哪儿来的呢？要知道居里夫人可是把已知的元素挨个儿查了一遍，并没有发现有这么强大的放射性元素。那么，居里夫人断定，这种矿渣里一定有未曾发现的新元素。沥青铀矿的放射性比提纯的二氧化铀的放射性强了4倍，摆明了里面还有没被发现的新元素。他们估计，这种新元素的含量不会高，最多不过1/100。如果不是含量稀少，前人不会忽略，早该被发现了。如果当时他们能知道真实的含量，估计哭的心都有了，1/100那是太乐观了，真实含量仅有1/100万，他们高估了一万倍。
说来也有趣，正因为他们错估了形势，才敢花力气提取这种元素。沥青铀矿是复杂的混合物，不是纯净物，首先要分离里面的成分。他们按照普通的化学方法，先把沥青铀矿分解开，然后逐个检查放射性。他们发现不同的成分放射性也有差异。他们预感到这不是一种，而是两种不同的元素，写论文发表了这个成果。老公皮埃尔问老婆玛丽，这个元素叫啥名字好呢？玛丽一下就想起了自己的祖国，她是波兰人。当时她的祖国已经亡国，被沙皇俄国统治着，她给新元素起了个名字叫“钋”，含义就是祖国波兰。
到了年底，他们又发表了一篇论文，他们提出沥青铀矿里面应该还有一种新元素，他们命名为镭。物理学家们看到这篇论文，觉得很新鲜。原来发现新元素不需要坛坛罐罐，拿个仪器测量放射性也行，你们两口子真行。不过大家都不表态，这毕竟还是推测，还是等等看，等到事情水落石出了再说。
物理学家们保持沉默，化学家们可不干了。你们俩说发现两种新元素，原子量多少啊？有什么样的化学性质？你们两口子要是能提炼出来，我们就相信。居里夫妇开始放手提炼这种元素（图2-8），结果这一干就是好几年。就在这几年里面，物理学界又捅出娄子来了……图2-8 居里夫妇的工作场景
03．群英汇集的卡文迪许实验室
如今大家都说，对孩子的教育不能输在起跑线上，千万不能让孩子在起步时就落后。但是每个人机缘不同，不是人人都能有优越的家庭条件。比如说电学大师法拉第，小时候家里很穷，父亲是个铁匠，尽管想让孩子接受完整的教育，毕竟没有足够的财力，法拉第不得不到印刷厂去当学徒。不过法拉第是个有心人，在印刷厂工作有个好处，那就是看书不要钱。印刷出来的书籍堆积如山，法拉第一头就扎进去，抱着《大英百科全书》一看起来就放不下，尤其对电学部分爱不释手。后来终于获得当时的大科学家戴维的垂青，被收为弟子。法拉第是赢在了起跑线上，还是输在了起跑线上呢？真的很难说。
剑桥大学的卡文迪许实验室赫赫有名。首任卡文迪许物理学教授就是一代宗师麦克斯韦。麦克斯韦在1879年英年早逝，去世的时候年仅48岁，正值壮年，算是非常遗憾的事。第二任卡文迪许物理学教授由瑞利男爵接任。瑞利男爵说，我也不多干，就先干5年吧。1884年，5年任期到了，瑞利男爵一摆手说，我不干了，你们另请高明吧。于是大家分头物色人选，有人去问了当时大名鼎鼎的开尔文勋爵，人家一摆手，不干。他们又去德国找著名的物理学家冯·亥姆霍兹，人家两手一摊，开尔文不干，我也不干。找谁呢？大家抓瞎了。这时，一个年仅28岁的年轻人毛遂自荐，既然他们不干，我来干吧。瑞利男爵一看，好啊，小伙子，你上，我给你观敌瞭阵。有了瑞利男爵的支持，这个年仅28岁的小伙子就出乎意料地当选了。他就是第三任卡文迪许物理学教授—约瑟夫·约翰·汤姆逊（图3-1）。图3-1 卡文迪许实验室第三任掌门人汤姆逊
我们今天要提到的这位汤姆逊，家庭条件比法拉第要优越多了。法拉第是出版商的学徒，汤姆逊他爹是出版社的老板，专门印刷大学课本，一来二去就跟大学教授都混熟了，真称得上是“谈笑有鸿儒，往来无白丁”。大家一看，你家孩子太聪明了，这么小就能啃这么大部头的书啊。各位教授学者都对汤姆逊喜欢得不得了。这孩子也真争气，14岁就考上了曼彻斯特大学。1876年，就被保送到剑桥大学三一学院，那年人家才21岁。汤姆逊1880年就在剑桥大学获得学位，然后就留校任教了。
卡文迪许物理学教授这个职位，其实就相当于实验室主任。卡文迪许实验室就相当于剑桥大学的物理系。汤姆逊一接手这个职位，立刻就显示出与众不同来了。汤姆逊对自己的学生要求非常严格，他要求学生在开始做研究之前，必须学好所需要的实验技术，研究所用的仪器全要自己动手制作。他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力的人才的场所，不是用“现成的机器”投影造出“死的成品”的工厂。因此，他坚持不让学生使用现成的仪器，而是要求学生不仅是实验的观察者，更要做实验的创造者。
那年头最流行的实验就是阴极射线管，剑桥大学自然也不落伍。汤姆逊就开始折腾阴极射线了。英国和德国正吵得不亦乐乎，德国人说是以太波，英国人说是微粒。汤姆逊决定设计一个实验来解决这个问题。他找到了一种荧光粉，叫作硫化锌。硫化锌的荧光是绿色的，余辉比较长。他用硫化锌做了一片荧光屏，封装在阴极射线管里面。他尽量让阴极射线贴着荧光屏划过，这样就在荧光屏上留下了一道笔直的轨迹。
他拿磁铁往旁边一放，这条轨迹立刻被“掰”弯了（图3-2）。磁场可以使阴极射线拐弯，那么电场行不行呢？放两个极板，加上电压，阴极射线的轨迹又被掰弯了。汤姆逊一看，妥了，阴极射线必定是带电粒子，不是电磁波。过去也发现过阴极射线在磁场里面会拐弯，但是在电场里面并不拐弯。汤姆逊总结了原因，粗枝大叶害死人啊，管子的真空程度不够，抽气没抽干净，残余气体干扰粒子流，当然会影响到实验结果。因此他拼命改进真空技术，使得残余气体大为减少。汤姆逊是第一个发现阴极射线会在电场中偏转的人。图3-2 阴极射线被磁场偏转
早在1890年，就有人粗略地测过阴极射线粒子的荷质比，也就是电荷与质量之比。他们发现阴极射线粒子荷质比是氢离子的500倍。氢离子的荷质比是靠电解定律计算出来的。那时候没有互联网、BBS这些东西，汤姆逊不知道有人做了这个实验。直到7年之后，汤姆逊才发现原来前人已经测量过了。这个测量比较粗糙，汤姆逊的测量比较精细，他计算出大概阴极射线粒子的荷质比是氢离子的1000～3000倍。
但是汤姆逊是不会重复别人已经走过的道路的。他打算重新设计实验来计算荷质比。他做的新仪器顶端有个荧光屏，阴极射线粒子会在荧光屏上打出光点。他先施加一个磁场，果然光斑就偏移了。然后他再施加一个电场跟磁场相互抵消，通过调整电场强度使得偏移逐渐减小，最后精准地抵消。通过磁场强度和电场强度，就可以算出粒子的速度。然后撤了磁场，剩下电场，那么根据偏移就可以算出荷质比了。他计算出来，阴极射线粒子的荷质比起码比氢离子大600～1000倍。但是他又发现了一个奇怪的现象，速度越大，荷质比越大。低速的时候，荷质比基本是个定值，但是速度快了就不对头了。这是怎么回事啊？汤姆逊那时候是无论如何也回答不出这个问题的，这个问题留给爱因斯坦用狭义相对论来回答比较合适。
不管怎么样，汤姆逊得到一个结论，这个东西的荷质比非常大。是某种离子吗？他有意在阴极射线管里面剩余了微量气体，他发现这东西跟气体成分没关系。换了不同的阴极材料再试，貌似也没关系。荷质比非常大，就说明要么这东西电荷非常强，远超过氢离子；要么电量跟氢离子差不多，但是质量非常小；要么就是两者兼而有之。汤姆逊猜，这东西应该是一种非常微小的颗粒，这是1897年的发现。汤姆逊管这种东西叫作“电子”，这个名词是斯通尼在1891年发明的。从这儿起，就可以正式使用电子这个名字了。
汤姆逊很严谨，他对很久以前由赫兹发现的光电效应做了研究。他用一整块锌板作为阴极，放一块阳极跟它平行，两者之间加上电场，自然电流不能通过。再拿紫外线对着锌板一照，居然有电流了。这个电流是怎么穿透空气流过去的？大家百思不得其解。汤姆逊说，看我的，我来做实验。他给这个实验装置加上强磁场。汤姆逊猜想，一定是电子从阴极飞出来撞到了阳极，那么电流回路就通了。外部加上磁场，电子就不是沿直线飞向阳极，而是拐弯飞。要是磁场够强呢，电子干脆就绕个圈，飞回出发点。一点点加强磁场，一定会加到某个强度，让电子恰好飞回出发点，再也飞不到阳极上，电流就断了。那么好了，就可以由此计算荷质比了。他仔细测量了一下，与阴极射线管测出来的结果类似。汤姆逊知道了，光电流，其实也是电子。
光线能激发出电子，热行不行呢？当然也是可以的。这个现象是发明大王爱迪生发现的，他为了改进灯泡，突发奇想，往灯泡里面加了一根导线，这根导线跟灯丝不相连，但是加上电场，居然有电流跑出来。爱迪生丈二和尚摸不着头脑，为什么这根单独的导线并没有与其他部分相连，也会有电流通过呢？爱迪生并没有深究，他关心的是改进灯泡，其他的事都扔一边儿去了。这个现象就被称为“爱迪生效应”（图3-3）。爱迪生的这个实验可以说是电子管的前身。图3-3 爱迪生效应
汤姆逊没有放过这一点，他也对爱迪生效应做了测量。他发现这个现象也是电子搞的鬼，热也可以使得电子跑出来。看来电子这东西是个普遍的存在，到处都有。电子还有一定的穿透性，能从极薄的铝箔后面透出来，想来这东西比原子、分子都要小吧，否则怎么钻得出来呢？
汤姆逊不是一个人在战斗，在他的主持下，卡文迪许实验室已经成了一个人才大本营。威尔逊曾经是汤姆逊的学生，他去过英国第一高峰本内维斯峰的天文台，在山顶上看着脚下云遮雾绕，阳光照在云海之上，非常美丽。云海给了威尔逊很大启发，能不能在实验室造出云雾呢？1895年，他设计了一套设备使水蒸气冷凝来形成云雾。当时，人们认为要使水蒸气凝结，每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。如果空气极端干净，没有任何尘埃，蒸汽即便饱和，乃至过饱和，也不会凝结成小水滴。威尔逊仔细除去仪器中的尘埃，他发现不需要尘埃，只要用X射线照射充满过饱和蒸汽的云室，云雾就会立即出现，这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。过饱和蒸气非常敏感，有个微小扰动就会发生凝结。
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