图:默里斯通讯社(Agence Meurisse),1926(公有领域,法国国家图书馆藏)
让·佩兰
Jean Baptiste Perrin1870–1942 · 生于法国里尔 · 法国
数出了看不见的原子——用一滴藤黄乳液里的颗粒,让「原子是否真实存在」不再是一个哲学问题
诺贝尔物理学奖 1926 关于物质不连续结构的工作,特别是发现沉降平衡
「用简单的不可见之物,去解释复杂的可见之物。」
—— 佩兰《原子》序言(1913),据法文原文译;原句为「expliquer du visible compliqué par de l'invisible simple」
1900 年前后,「原子是否真实存在」还是一个可以体面地争论的问题。化学家早已用原子写方程式,物理学家用分子推导气体定律,但以奥斯特瓦尔德为代表的「唯能论」者认为,这些不过是方便的记账符号:没人见过原子,也没人数过。
让·佩兰做的,就是去数。他在显微镜下盯着一滴黄色乳液里的颗粒,数了上万个,数出了每摩尔物质里有多少个分子。十几种互不相干的现象——气体的黏性、天空为什么是蓝的、黑体辐射、镭的衰变——各自给出这个数,结果彼此吻合。这件事之后,怀疑原子的人一个接一个改了口。
法拉第筒里的负电
佩兰 1891 年进入巴黎高师,1894 年留校当助教,开始研究阴极射线。当时这种射线是什么正吵得不可开交:德国的勒纳德、赫兹一派认为是以太中的波,英国的克鲁克斯一派认为是带电的粒子流。赫兹还做过一个实验,说它不带电。
佩兰的想法很朴素:电荷有没有进入一个封闭导体,是能确定无疑地测出来的。他把阴极射线引进一个与验电器相连的金属筒(法拉第筒),外面再套一层接地的金属罩挡住感应。射线一进筒,验电器的金箔就张开,显示强烈的负电;用磁铁把射线偏开,不再射进筒里,金箔就不动了。1895 年 12 月他把结果发表在《法国科学院通报》上,结论是:阴极射线就是运动着的负电。他后来回忆,幸亏当时不知道赫兹已经「证明」过射线不带电,否则也许不会去做。
与汤姆孙的先后
两年后,剑桥的 J. J. 汤姆孙测出了阴极射线粒子的荷质比,比氢离子大一千多倍,由此确认了电子。两人的关系,两方材料是这样写的:
- 汤姆孙 1897 年的论文《阴极射线》开头就讲佩兰的实验,承认它证明了「某种带负电的东西」从阴极射出、会被磁铁偏转,但认为它「可以被反驳」:以太派并不否认阴极会射出带电粒子,只是说这些粒子与射线本身的关系,就像子弹与枪口的闪光。汤姆孙于是把法拉第筒放在射线路径之外,只有射线被磁铁偏转过来时筒才带电,以此堵住这个缺口。
- 佩兰 1923 年在自己的工作简介里写道,他已搭好测荷质比与速度的装置,「正要开始这些测量时,我得知 J. J. 汤姆孙(他重复了我的实验之后,也走到了要测这个比值的一步)已经抢先了」;他认为自己实验的价值在于「是一连串实验的起点,这串实验最终确立了电子的存在」。
- 德布罗意 1945 年在法国科学院的悼词中评价,1895 年的实验「给出了电子存在的第一个直接证据」。
把颗粒当成大号分子
1900 年代初,佩兰转向胶体。他注意到范托夫已经证明,溶液里的溶质分子无论大小,对压强的贡献都与气体分子一样。那么颗粒再大一些、大到显微镜下看得见,是否仍然遵守气体定律?
如果遵守,一件可检验的事随之而来:空气越往高处越稀,因为分子的热运动与重力在较劲;乳液里的颗粒也应该这样,只是颗粒比分子重得多,变稀的高度要短上十亿倍。
难点在于做出大小一致的颗粒。他用的是藤黄——一种画家用的黄色树脂——在水里研开,然后像分馏一样反复离心分级。他在《原子》里写,最用心的一次处理了一千克藤黄,几个月后只得到几分克直径合乎要求的颗粒。
1908 年他在一个只有十分之一毫米深的液槽里,用显微镜逐层对焦、数颗粒数。四个等间距高度上的浓度之比是 100、47、22.6、12,恰是一个等比数列。每升高约 6 微米浓度减半,而空气要升高约 6 千米。由此反推出的阿伏伽德罗常数,一组数了 13000 个颗粒,得到 ;换一批颗粒、数了 17000 个,得到 。
检验爱因斯坦
爱因斯坦 1905 年给出了布朗运动的定量理论:颗粒的位移平方的平均值与时间成正比,比例系数里含有阿伏伽德罗常数。佩兰是通过朗之万才知道这个理论的。
他在显微镜的描图镜下,每隔三十秒描下同一颗粒的位置,积累了大量位移,再换颗粒大小、换液体(水、糖水、尿素溶液、甘油)重复。颗粒的大小相差到七万倍、液体黏度相差到一百多倍,算出的常数都落在 到 之间。他写道:「吻合到这个程度,已不能怀疑爱因斯坦理论的正确。」
1909 年,他把这些工作写成一篇百余页的长文《布朗运动与分子实在性》,发表在《化学与物理年鉴》上。文中有一句:「这个不变的数 是一个普适常数,似乎理应称之为阿伏伽德罗常数。」这个名字就是从这里来的。当年他采纳的数值是 ,1913 年修订为 ;今天定义的值是 。
十三条路通向同一个数
1913 年,佩兰出版了面向一般读者的《原子》。书的结尾列了一张表:气体黏性、乳液的高度分布、布朗运动的平动与转动、扩散、临界乳光、天空的蓝色、黑体辐射、带电微滴、α 粒子的电荷、镭产生的氦、镭的衰减、镭放出的能量——十三种现象,给出的数都在 到 之间。
他写道,从这么不同的现象得到这样的吻合,「让人不能不赞叹」,它「给分子的实在性以近乎确定的可信度」。他还指出,把这 13 个方程里的 消掉,就得到 12 个只含可观测量的关系:观察熔铁炉口黄光强度的物理学家,可以据此指出显微镜下数颗粒的同事读错了数。但他不认为该这样做,那「就像把已长成的植物的根砍掉」。
原子论胜利了。它的反对者曾经为数众多,如今终于被说服,一个接一个放弃了那些长期以来合理、而且无疑有益的戒心。
这本书到 1936 年卖出三万册。奥斯特瓦尔德在 1908 年前后改变立场、在教科书序言里承认物质的颗粒性,据科学史家 Mary Jo Nye 转引,他点名的依据正是汤姆孙对气体离子的计数与佩兰的布朗运动实验。玻尔兹曼没有等到这一天——他 1906 年自杀,佩兰在《原子》序言里把原子论归功于道尔顿与玻尔兹曼这样的人。
1926 年,佩兰获诺贝尔物理学奖,理由是「关于物质不连续结构的工作,特别是发现沉降平衡」。
太阳为什么会发光
佩兰没有停在原子上。1919 年他在《物理年鉴》发表长文《物质与光》,其中有一个大胆的推测:四个氢原子的质量比一个氦原子多约 0.8%,按爱因斯坦的质能关系,这点质量差是一笔巨大的能量;如果太阳里的氢在变成氦,就能解释它为何能发光十亿年以上,而亥姆霍兹与开尔文的引力收缩说只够几千万年。他在 1923 年的简介里说,这是「第一个可以接受的解释」。
一年后,英国的爱丁顿在英国科学促进会的演讲里提出了类似的想法,影响大得多。据天文学史家 Wesemael 的研究,佩兰的想法与爱丁顿的大体相近,但在天文学界几乎没有引起注意。真正算出氢怎样变成氦,要等到 1938 年的贝特。
科学的组织者
佩兰晚年最大的工程不在实验室里。他认为法国的年轻科学家要么挤进大学、要么放弃研究,于是四处游说,要给大学之外的研究者发薪水、买设备。据德布罗意的悼词,先是新设国家科学基金,与原有的科研基金并行,两者后来合并、改组为科学研究中央服务局;1939 年 10 月,在此基础上成立了法国国家科学研究中心(CNRS)。诺贝尔基金会的传记说,约里奥能完成他那些出色的研究,就靠这个机构。
1936 年人民阵线上台,伊雷娜·约里奥-居里出任科学研究副国务秘书,三个月后辞职,由佩兰接任,做到次年 6 月;1938 年春他又短暂回任。1937 年巴黎世界博览会,他主持办起了发现宫,把最新的科研成果搬给公众看,希望在年轻参观者中「唤起研究的志向」。此外,巴黎天体物理研究所、上普罗旺斯天文台、物理化学生物学研究所的建立,都有他的推动。
客死纽约
1940 年法国战败,佩兰先随政府南撤,再躲进自由区。1941 年底他经里斯本搭船赴美,12 月抵达纽约,与已在那里的儿子、物理学家弗朗西斯·佩兰会合。据德布罗意的悼词,他很快成为在美支持戴高乐的法国人中的领头人物之一,抱病写文章、作演讲,主持纽约的法语流亡大学。四个月后,1942 年 4 月 17 日,他在纽约去世,七十一岁。
战后的 1948 年,他的骨灰由法国海军巡洋舰「贞德号」运回。那年 11 月,他与同一年代从巴黎高师走出来的老友朗之万一起,被迁入先贤祠。
争议与存疑
- 1895 年实验与电子的发现:汤姆孙认为佩兰的实验没有排除「电荷与射线无关」的可能,因而加以改进;德布罗意则称它是电子存在的第一个直接证据。两种评价各见于上文所列原文。
- 数据精度:佩兰各种方法给出的数值在 到 之间,他最终采纳的 比今天的值高出约 14%。他自己在 1923 年的简介里已提到一个系统误差:助手 Costantin 发现容器壁会减慢颗粒的布朗运动,远离器壁重测得到 ,但计数只有一百来次。
- 太阳能源说的年份:佩兰本人把这一想法系于 1919 年的《物质与光》,德布罗意的悼词则写作 1920 年。
代表方程
乳液的沉降平衡
大气越高越稀薄,是因为分子的热运动与重力在较劲;佩兰假定悬浮在水里的藤黄颗粒也是「大号分子」,那么它们在几十微米高的液柱里也该这样按指数变稀。 是颗粒体积, 是颗粒与水的密度差——这些都能在显微镜下量出来,数一数不同高度上的颗粒数,唯一未知的就是阿伏伽德罗常数 。他的乳液每升高约 6 微米浓度减半,空气则要升高约 6 千米。
爱因斯坦的布朗运动公式
爱因斯坦 1905 年的预言:半径为 的颗粒在黏度为 的液体里,沿一个方向的位移平方的平均值随时间 线性增长。佩兰在显微镜下每隔固定时间描下颗粒的位置,拿位移反推 ,得到的数与沉降平衡给出的一致。
阴极射线的截止电压
1895 年证明阴极射线带负电之后,佩兰加一个逆向电场让射线停下来,量出所需电压 ,由能量守恒得到荷质比与速度的一个关系;再量磁场中的偏转半径,就能把两者分开。他正要做第二步时,得知汤姆孙已经抢先测出了 。
四个氢聚成一个氦
1919 年他指出:按当时的原子量,4 克原子的氢(4.032 克)比 1 克原子的氦(4.000 克)重 32 毫克,按爱因斯坦的质能关系,这部分质量对应约 尔格的能量。氢变氦若在太阳里发生,释放的能量足以让它发光远超开尔文估计的几千万年——这是他认为「第一个可接受的」太阳能源解释。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.J. Perrin《Nouvelles propriétés des rayons cathodiques》,《法国科学院通报》第 121 卷第 1130 页(1895)
- 2.J. J. 汤姆孙《阴极射线》,《哲学杂志》第 44 卷第 293 页(1897)——文中重复并改进了佩兰的实验
- 3.爱因斯坦《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》,《物理年鉴》第 17 卷第 549 页(1905)
- 4.J. Perrin《L'agitation moléculaire et le mouvement brownien》,《法国科学院通报》第 146 卷第 967 页(1908)
- 5.J. Perrin《Mouvement brownien et réalité moléculaire》,《化学与物理年鉴》第 8 辑第 18 卷第 5 页起(1909)——「阿伏伽德罗常数」的命名处
- 6.J. Perrin《Les Atomes》,巴黎:Félix Alcan(1913)
- 7.J. Perrin《Matière et lumière》,《物理年鉴》第 9 辑第 11 卷第 5–108 页(1919)
- 8.J. Perrin《Notice sur les travaux scientifiques de Jean Perrin》(1923)——本人对各项工作的回顾
- 9.路易·德布罗意《La réalité des molécules et l'œuvre de Jean Perrin》,法国科学院年会宣读(1945 年 12 月 17 日)
- 10.F. Wesemael《Harkins, Perrin and the Alternative Paths to the Solution of the Stellar-Energy Problem, 1915–1923》,《天文学史杂志》第 40 卷第 277 页(2009)
- 11.诺贝尔基金会《Jean Baptiste Perrin – Biographical》,载《Nobel Lectures, Physics 1922–1941》(1965)
- 12.M. J. Nye《Molecular Reality: A Perspective on the Scientific Work of Jean Perrin》,伦敦:Macdonald(1972)——奥斯特瓦尔德转变立场的经过据此转引