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第39章 最初的研究 (1)

正是在物理和化学学校罗林学院里的旧楼中,皮埃尔·居里工作了年,开始任实验室主任,后来便成了教授,这几乎等同于他科学生命的全部时间,甚至于他的回忆也似乎都与那些已经被拆除了的旧大楼密切地联系在了一起。在那里面,他会度过整个白天,只有晚上才会回到他父母亲居住的乡间。他在学校里感到非常幸福,因为学校的创建者舒赞贝格校长对他十分关怀,并且学生们对他也非常敬重和友善,其中有很多学生都成了他的弟子和朋友。关于这份经历,他在他生命中最后几年里于巴黎大学所作的一次演讲结束后,是这么说的:

在此,我想着重指出,在巴黎市政府筹建的物理和化学学校,我们进行了所有的研究工作。无论任何科学成果,人们身处的工作环境对它的影响都是很大的,甚至于有一部分成果都应该归功于这种影响。我在物理与化学学校工作二十多年了,学校的首任校长舒赞贝格是一位优秀的科学家。我至今仍旧心怀感激地记得当我还是教辅人员的时候,他所为我提供的优越的工作条件。后来,他又允许我的妻子玛丽.居里到我身边工作,这样的举措在当时那个年代是一种不同寻常的尝试。舒赞贝格在很大程度上给予我们大家自由。他对科学的那种热情感染了大家,令我们感触颇深。物理和化学学校的教师以及该校的毕业生共同形成了一个亲切有益、成果多多的氛围,对我有很大帮助。就是在学校的校友中我们找到了合作伙伴和朋友。非常高兴我能够在这里向大家表示感谢。

在刚开始出任新职务的时候,他几乎比他的学生们大不了多少,不过日常生活中的他平易近人且又彬彬有礼,是老师,可更像朋友,因此学生们都很敬爱他。他们中有一些人至今回忆起在他身边学习以及在黑板上讨论问题的情景时还是很动情。他会主动地和大家就一些科学问题进行讨论,这对大家的成长与激情的萌发都是大有裨益的。年,皮埃尔参加了学校老校友会举办的一次聚餐会,在那里,他笑着回忆起那时的一次意外。有一天,他和几个学生在实验室里干活干得太晚了,等到他想走的时候,发现门被锁上了。所以大家只能顺着二楼窗子旁的一根管子溜下去。

因为矜持和腼腆,他不是很容易就能和大家打成一片,但是由于工作关系而同他在一起的那些人却非常爱戴他,因为他为人亲切随和。他这一生,都是深受他的下属们喜欢的。皮埃尔在学校里的实验室里有一个助手,是个小伙子,他在生活极其困难的时候受到了居里的帮助,因此对皮埃尔·居里一直怀有很深的感激和崇敬之情。

尽管同哥哥分居两地,但皮埃尔仍与哥哥维系着以往的友谊和信任。每到放假,雅克·居里就会前来看他,两人再次开始颇有成效的合作,将这段自由的时间全部奉献给这种合作了。有的时候,也会是皮埃尔前去看望雅克,雅克当时正于奥维涅忙着绘制一份地质图,他便和雅克共同进行实地踏勘工作。

下面就是他对其中一次踏勘的回忆,是从他在我们俩结婚前不久给我写的一封信中摘抄下来的:

我和我哥哥一起度过了一段很开心的时光。我们抛开了眼前的所有烦恼,去享受我们已经习惯的生活方式,我们甚至于连一封信都收不到,因为每一天我们都不知道第二天将会宿于何处。有的时候,我觉得我们两个又回到了生活在一起的那个时候。我们竟然达到了对任何事情的看法都一致的程度。因为想法一致,我们都不用再说出来就可以相互领会彼此的看法。我们两个性格迥异,能做到这一点就更是难能可贵了。

从科研的角度来看,必须承认皮埃尔·居里从一开始受聘前去物理和化学学校任职的时候,就耽误了他的实验性研究。的确,他刚上任的时候,这所学校还没有任何东西,全部都要创建。围墙和隔板也都刚刚弄好。皮埃尔·居里必须全权负责组织学生实验工作。他以其别具一格的精细新颖的思想成功地完成了这项任务。

学生数量很多,每班有三十名。对于仅有一个实验室助手相帮的年轻的皮埃尔来说,带领这么多的学生做实验,本身就很艰难。这头几年的工作无疑是艰苦的,但对于他所指导的学生们的教育和培养却是大为有益的。

皮埃尔·居里趁着自己的实验研究被迫中断的机会来补充自身的科学知识,尤其是数学方面的知识。这个时候,在对于晶体学和物理学的理论性质思考方面,他已经成为了领军人物。

年,他发表了以晶体对称性研究为基础的有关增长序与重现的一篇论文。同样是年,就同一题目,他做了一个更加广泛的报告。另一篇有关于对称与重现的论文于年发表。同一年,他就晶体的形成与不同面的毛细常数又发表了一篇非常重要的理论文章。

我们可以从这连续发表的几篇论文看出,对于晶体物理,皮埃尔·居里有多么关心。他在这一领域的研究,不论是理论性的还是实验性的,都围绕着一个非常普遍的对称性原则。他成功地逐渐地将这一原则指出,但直到年至年才于他所发表的一些论文中最终确定下来。

下面就是他关于这—论证所提出的将于今后成为经典的方式:

当某些效果为某些原因所产生时,原因的对称因子应该再次出现于所产生的效果之中。

当某些效果显出某种不对称时,这份不对称应该再次出现于使之产生的原因之中。

这两种假设的逆命题未必正确,但至少在实际之中不是这样,换句话说所产生的效果能够比原因更加对称。

这个虽然简单但却完美的论证具有极大的重要性,这种重要性在于,它所引入的对称因子是同所有物理现象相关联的,无一例外。

受对有可能存在于自然界之中的对称群所作的一次深入研究的指引,皮埃尔·居里指出了应该怎样利用这种既是几何学特性又是物理学特性的资料去对某种现象是否会产生或是它在所考虑的条件下产生是不可能的进行预见。他在一篇论文的开头是这么强调的:

我认为最好能够在物理学中引入为晶体研究者们所熟知的对称概念。

他于这条道路上所取得的成果是重大的,尽管后来转向了其他研究,但对于晶体物理,他始终保持着浓厚的兴趣,并在这一领域内不断地酝酿出一些新的研究计划。

使皮埃尔·居里念念不忘的对称原理是重大的物理原理之一,这些原理虽然为数不多,但却对物理现象的研究起着指导作用,它们扎根于实验所提供的概念之中,但是又逐渐地从中摆脱出来,获得一种更加普遍、更加完美的形式。因此,热当量与功当量的概念便被补充进动能与潜能的当量概念中来,使得应用很普遍的能的保存原理得到建立。同样,质量保存原理也从将化学作为基础的拉乌瓦齐埃实验中逐渐地得出来了。通过对这两种原理进行聚合,一个令人赞叹的综合在最近得以达到了更高普遍性的程度,因为已经被证明过,一个物体的质量同其内在的能是成正比的。对电现象的研究令里普曼将电的保存的普遍原理提了出来。根据生热装置的运作构思所产生的卡尔诺原理也具有非常普遍的意义,使它能够对各种物质系统自发变化的最有可能的方向进行预见。

对称原理提供了一种可比变化的榜样。从一开始,通过对大自然的观察就能对对称概念进行验证:如果矿物质是晶体化了的,那么它的规律性则会更加完美。我们能够看到大自然向我们提供了对称面与对称轴的概念。如果对称面将物体分成两个部分,而如果每一部分又都可以被看做是这个面所反映的另一部分的形象(就像在一面镜子里那样)的话,这个物体就拥有一个对称面或是蜃景面。这几乎就是人与许多动物的外部形象所产生的那样。如果把一个物体沿着某一轴线旋转,当转到一周的几分之一的时候,物体恢复到开始的形状,我们就能够说这个物体拥有一千几阶的对称轴线。比如,一个整齐的四瓣花朵,就拥有一个四阶对称轴线,或是四阶轴线。像岩盐或者明矾这样的晶体就拥有好几个对称面与好几个不同序的对称轴。

我们被几何学教会对一种被限定的形象,例如多面体的对称因子与在这些因子中发现的使它们聚集成堆的一些不可或缺的关系。了解这些堆体十分有利于将晶体形式合理地排列成为一个数量不多的系,其中的每一个系都是由一个简单的几何形式演变而来的。因此,正八面体就属于和立方体一样的系,因为由对称轴与对称面所组成的堆体于两种情况之下都是相同的。

对晶体物质的物理属性进行研究的过程中,必须对这种物质的对称性进行考虑。这种物质在通常情况下都是各向异性的;换句话说,当介质,例如玻璃或水,是各向同性(这是因为于这种情况下,各个方向全是相等的)时,它于各个方向中就不具有相同的特性。对于光学的研究首先指出了光在晶体里的传播所依据的是晶体的对称因子。对于导热性、导电性,对于磁化与极化等来说,也都是同样的。

正是在对这些现象的因果关系进行思考时,皮埃尔·居里被引导去对对称的概念进行补足与扩展。他认为对于一个现象出现在其中的介质来说,这种概念是一种独有的空间状态。为了对这一状态进行确定,就必须要考虑介质的构成,和它的运动状态以及它所从属的物理因子。所以,一个直圆柱体就拥有与它在其介质中的轴相垂直的一个对称面和通过这个轴的无尽的对称面。假如这同一个圆柱体能够围绕着它的轴进行旋转的话,就存在第一对称面,但是其他的就全部被取消了;假如这个圆柱体还被一股电流同时纵向通过的话,那么任何对称面就都保存不住了。

对于所有的现象来说,都有将同它的存在相容的对称因子确定下来的必要:在这些因子中,有一些能够同某些现象共存,但是它们却并不是不可缺少的。必须的则是,它们之中的某一些并不存在,而是不对称在产生现象。当数个现象重叠于同一个系中时,不对称就自动增多。(出自皮埃尔·居里《论文集》第页)

正如上述结论所说,皮埃尔·居里对一种普遍原理进行了阐释,其《论文集》(第页)对这一普遍原理的研究,在其普遍性和抽象性方面,达到了巅峰的状态。如此得到的综合似乎是决定性的,而剩下的只是据此而去推论出它所包含的整个发展。

因此,应该将每个现象的独特对称确定,并将那些对称群按照门类分开。质量、电荷、温度有着相同的称之为“标量”的,也就是圆球形对称。水流或者单向电流属于矢量对称性,是“极矢量”之类。正圆柱体的对称则是属于“张量”之类。所有的晶体物理学研究都能够按照这种方法加以归类,但这种方法中,不需要指定所研究现象的具体情形,而只需要观察它们的各物理量于几何与解析上的因果关系就行了。

因此,对于电场所产生的极化效应所做的研究也就相当于是在对两个矢量之间的关系进行研究,并列出含有九个系数的一组线性方程式。这组方程式中的每个系数的意义在于,对于它们加以修改即可以用来表示导体中的电流同电场的关系,或者热流同温度梯度的关系。同样,在对矢量同张量间的普遍性关系进行研究时,压电现象的各种特性便可以显示。除此之外,凡是属于晶体弹性的各种现象也都能够通过两组张量之间的关系来决定。但是,这些张量通常都需要三十六个系数才能进行表述。

通过这一简单的阐述,我们能够了解到自然现象中全部的对称性在理论上的巨大的重要性,而皮埃尔·居里凭借一种明白无误的方式对其深刻的意义进行了表述。有必要在此提及,巴斯德曾经也用过同样的观点来对生命进行观察,他说道:“作为一个整体,宇宙是不对称的,所以我相信我们见到的生命应该是受宇宙不对称作用影响的,或是说我们的生命是不对称性的结果。”

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