受自然的启示做出的重大科学发现︱科学史 - 自然科学史研究杂志社投稿

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受自然的启示做出的重大科学发现︱科学史

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日本著名的化学家福井谦一说：“大自然深不可测，在科学的自然认识中，对科学创新最有影响的，就是直接地、如实地认识自然。整天和复杂而单纯的大自然打交道的科学工作者，若不靠这种认识方法，就不可能创造出推进科学前进的理论和新的科学法则。”

在科学史上，一些科学家“直接、如实地认识自然”，受到自然现象的启发，做出了重大的科学发现。

模拟云雾形成与云雾室的发明

1932年，美国物理学家安德森利用云雾室发现了正电子，引起了轰动。

云雾室是英国物理学家威尔逊（C. T. R. Wilson，1869—1959）发明的。1894年，他在苏格兰群山的最高峰尼维斯峰天文观察站工作。

太阳照射山上的云雾时，呈现的奇妙的光学现象使他着迷。

他说：“特别是太阳周围的彩环（日晕）以及山顶和人在云雾上的影子周围呈现的彩环（光轮），使我产生了极大的兴趣。我想在实验室里模拟这些现象。”

1895年，威尔逊设计了一套设备，使水蒸气冷凝来形成云雾。当时许多人认为，要使水蒸气凝结成雾珠，必须以尘埃为核心。

威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现，当水蒸气饱和超过一定的限度也能形成云雾。他想，除了尘埃外，水蒸气或许能以大气中导电离子为核心而凝结成雾珠。

威尔逊用伦琴刚发现不久的X射线照射云室，出现了云雾；他又用铀射线、紫外线照射，也出现了云雾。这证明了自己的设想：雾珠凝结是能以离子为核心形成的。

他经过多年的研究总结出，当无尘空气的体积膨胀比为1.25时，负离子开始成为凝聚核心；当膨胀比为1.28时，负离子全部成为凝聚核心。对于正离子来说，膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心，膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心。

威尔逊尝试用自己的设备来探测带电粒子的径迹。经过反复实验，在1911年他研制出了云雾室：利用蒸气绝热膨胀，温度降低，达到饱和状态，当带电粒子通过时，蒸气沿粒子轨道凝结，从而显示粒子径迹。

利用其电离密度还可以测量粒子的能量和速度。在1912年，他为云室增设了拍摄装置，以拍到清晰地显示带电粒子径迹的照片。

威尔逊用云雾室拍摄到了α射线径迹的相片。他把照片给著名的物理学家布拉格看，布拉格格外惊讶：照片上α射线的径迹与自己先前按想象绘制的径迹竟然十分吻合！云雾室所具有的科学意义是再清楚不过的了。

1920年，美国物理学家康普顿发现，短波长的电磁辐射（X光）射入物质被散射后，在散射波中除了原波长的波以外，还出现了波长增大的波，这种散射现象在以后被称为康普顿效应。

康普顿引入了量子的概念解释：一个X光量子与物质中的自由电子碰撞以后，光量子的一部分能量和动量转移到电子上面，其能量减小，频率变小，也即增大了波长而改变方向飞开。

他的解释遭到了一些守旧的物理学家的反对。

然而在1923年，威尔逊用云雾室证明了反冲电子的存在并显示了其径迹，有力地证实了康普顿的解释。

威尔逊云雾室对粒子物理学的发展起了重大作用，除正电子外，μ介子（μ+、μ-）、Κ0、Λ等粒子都是通过拍摄它们在云雾室中的径迹而发现的。

1927年，威尔逊与康普顿分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

他的挚友、物理学家布莱克特这样评价他：

“作为当代最伟大的科学家之一，他对工作的专注是来自他对自然世界的热爱，来自他对自然世界的瑰丽壮美的喜悦。”

大海的颜色和拉曼散射的发现

1931年，印度物理学家拉曼（C. V. Raman，1888—1970）由于“在气体散射方面所作的卓越研究和发现以他的名字命名的拉曼效应，为认识物质开辟了新的道路，并取得重要的成果”荣获这一年度的诺贝尔物理学奖。

拉曼

拉曼做出重大的发现，是受到大海颜色的启发。

1921年，拉曼访问英国后搭船回国。途经地中海，蔚蓝色的海水使他赏心悦目，他突然对“海水为什么是蓝的？”这个问题产生了强烈的兴趣。

英国物理学家瑞利研究过天空和海洋的颜色，他认为太阳光经大气分子散射后，红色光大部分被接收，剩下的大多是蓝色光，所以天空一般呈蓝色。他认为海水本身没有颜色，之所以呈蓝色，是因为它反射了天空的颜色。

文章来源：《自然科学史研究》网址: http://www.zrkxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0715/386.html

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