人类有史以来,挽救人的生命最多的药要数抗菌素。科学家们认为:每发现并使用一种新的抗菌药,人的平均寿命就延长1.5岁。以日本为例,从1940年至1960年,人的平均寿命延长了20岁。
所以,抗菌素真正是让人延年益寿的长生药。今天,当人们享用这一医学科学的伟大成果时,当然不能忘记抗菌素最初的发现者。特别是瓦克斯曼,他在发现链霉素后又发现了金霉素、土霉素和四环素。1951年,他再接再厉,又发现了制服结核病的特效药“酰肼”。
科学技术的最高宗旨是造福于人类,众多的抗菌素的发现和使用再一次证明了这一真理。
三十七、李四光是如何创造地质力学的?
1905年7月末的一天,在东京赤坂区的一幢日式小屋里,孙中山正在主持中国同盟会的成立宣誓仪式。宣誓完毕,孙中山会见到会的70多位会员。当他走到一位年仅16岁的少年跟前时,高兴地握住他的手,勉励说:“你这么小年纪就参加革命,很好。要努力学习,能为国用。”这位16岁的少年就是后来创立地质力学的李四光,当时他正在日本弘文学院学习。
李四光在日本留学6年后,怀着科教救国的愿望回国了。不久,武昌起义爆发,23岁的李四光积极拥护孙中山的革命运动,被选为实业部长。从此,他日以继夜地为制定振兴祖国的蓝图而操劳。可是,几个月后,孙中山被迫辞去了临时大总统的职务,窃取政权的袁世凯加紧迫害革命党人。李四光不愿为这个窃国大盗效力,便辞去了实业部长的职位,再次远渡重洋,出国留学。李四光来到英国的伯明翰大学攻读地质学。1921年,他获得了博士学位,怀着满腔的爱国热情,回到祖国。当时在地质学界正流行着“中国除西部高原之外,没有第四纪冰川”的论调。李四光觉得这种论调缺乏科学依据,他决心通过实地调查,得出正确的结论。于是他不畏艰险,登高山、涉恶水、爬绝壁、攀悬崖,果然在太行山麓的沙河县发现了第四纪冰川的漂砾,以后又先后在太行山、九华山、天目山、庐山等许多地方发现了冰川遗迹,以确凿的事实证实了中国东部第四纪冰川的存在,为华东地区的矿产勘探和地质研究提供了科学的依据。在寻找第四纪冰川遗迹的过程中,李四光发现了许多地质学上不载经卷的现象。其中最重要的就是在同一地质时代里,大陆有南方海浸,北方海退的现象。这种现象是赖尔创立的传统地质学所无法解释的。按照传统地质学的观点,原始大陆和海洋在地球上的位置都是固定的,地壳的运动以缓慢的上升和下降为主,大陆的扩大和大洋的缩小是地壳发展的“基本规律”。而李四光所发现的海水运动现象,恰恰与这一传统的理论背道而驰。李四光认为,不能受赖尔理论的束缚,因为事实证明赖尔的理论是错误的。
从眼前的事实出发,李四光坚信海水运动与地壳运动有关,特别是与地球自转速率的变化有关。根据力学原理,物体在转动时会产生离心力。李四光经过几年的潜心研究,认为地球自转产生的离心力作用在地壳以及地球内部,使地壳内积聚起一种地引力。在一定的时候,地引力释放出来,它的巨大能量就足以改变地壳表面的面貌。有的地方受挤压而形成隆起的山脉,也有的地方因为挤压反而变成平原或盆地。由于地引力挤压的方向不同,地壳也就相应地形成不同走向的构造带。如果地壳受来自南北方向地引力的挤压,就形成“经向构造带”,反之,形成“经向构造带”;如果同时受到几股不同方向的力的挤压,那么地壳就如绞麻花那样出现“扭动构造带”。李四光把东西走向和南北走向绞合的“扭动构造带”称为“山”字型构造体系,而把北东走向和西南走向绞合的“扭动构造带”称为“多”字型构造体系。李四光进而解释说,巨大的地引力,不仅改变了地壳的形状,还影响了地球内部的深层结构,使某些矿藏集中在某种构造带中。例如,“纬向构造带”中多见重金属矿,“多”字型构造体系,更多地存在石油和天然气的可能,“山”字型构造体系,则有可能蕴藏着煤田。
李四光把自己的新理论称为地质力学,1945年他写出了《地质力学的基础方法》一书,向世界宣告了一个中国人创立了一门崭新的地质学料。
自从地质学诞生以来,人们研究地质的方法,大都是以地层提供的资料为基础。可惜地层资料,总是局部的、片面的,哪怕是把全球的地层资料全部综合起来,也难以反映地质时代的全部历史。而李四光创立的地质力学则是从力的作用,来探索各种地质现象的生成规律和内在联系,并且把地质学、矿产学和力学结合起来。这不仅可以顺理成章地解释各种地质现象和成矿因素,而且为认识地壳构造现象提供了新方法,为研究地壳运动的规律开辟了新的途径。
可是,真理常常会蒙受不公正的待遇。尽管李四光的地质力学成果如此辉煌,但由于它诞生在落后贫穷的中国,这是那些怀有偏见的西方人所不愿意接受的事实。所以,地质力学从它诞生的第一天起,就受到困难。面对这些无视科学的外国同行,李四光愤怒地反驳说:“我们国家,亚洲整个大陆的构造型式鲜明地摆在我们眼前”,“难道我们研究万里长城的构成,非用建造埃菲尔铁塔的方式来说明不可吗?这是毫无道理的!”
李四光一面坚持自己的学说,一面更刻苦地进行研究。新中国成立以后,在党中央的直接关怀下,为李四光的研究创造了良好的条件,地质力学获得了进一步的发展,不仅体系更加完善,内容更加丰富,而且由于运用这一理论去指导矿业勘探、地质研究和地震预报而获得的令人信服的成果,证实了地质力学的科学价值。最突出的成果是在石油勘探方面,按照传统地质学的结论,中国是个贫油国,可是,按照李四光的地质力学,结论正好相反。李四光认为,在中国东部的松辽平原、华北平原、江汉平原,西部的准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地,以及西藏地区的一些低洼地带,海上的黄海、东海和南海都有贮油可能。事实是,在李四光指出的上述地区,连二接三地发现了一个个油田。地质力学取得的科学成果是炎黄子孙对人类文明和科学的又一贡献。
李四光的名字将永远镌刻在人类科学发明和发现的丰碑上。
三十八、什么是宇称不守恒定律?
1956年,两位年轻的美籍中国物理学家李政道和杨振宁推翻了在物理学界被奉为“金科玉律”的“宇称守恒定律”,提出了“宇称不守恒定律”,为人类在探索微观世界的道路上开辟了新的领域。这一震撼国际物理学界的重大发现,使这两位年轻人一起登上了1957年诺贝尔物理奖的领奖台,成为最先获得这项殊荣的龙的传人。
为什么国际物理学界如此看重这两位青年科学家的发现呢?我们先来简单地了解一下什么是“宇称不守恒定律”。
原来在1932年中子被发现以后,人们认识到原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的。可是电荷是相互排斥的,许多带正电荷的质子是怎样紧紧地维系在一个小小的原子核里的呢?当时,有位名叫海森堡的科学家解释说,在原子核内,一个质子在遇到另一个质子之前,就已经通过交换变成了一个中子,可以共处在一个核中了。这个变化发生得非常快,原子核就这样保持着稳定。1935年,日本物理学家汤川秀树根据海森堡的理论提出,原子核由质子和介子组成。正是这种称为介子的粒子使原子核形成一个固体。1947年,汤川秀树所预言的介子被英国物理学家鲍威尔在宇宙射线中找到了。汤川秀树因此获得了1949年的诺贝尔物理学奖。1952年,科学家又在宇宙射线中发现了两种新粒子--K介子和超子。这使人们在认识电磁力、万有引力和核强相互作用力之外,认识了一种新的力--相对应于核强相互作用力的弱相互作用力。在此之前,物理学家们一致公认创立于1924年的“宇称守恒定律”的正确性。所谓“宇称”,就是描述微观粒子体系运动或变化规律左右对称性的量。这一定律的含义是粒子相互作用前的总宇称,等于相互作用后所形成的新粒子的宇称。
可是现在麻烦来了,因为新发现的K介子有时会变成三个兀介子,使得这个等式不成立。是不是“宇称守恒定律”出了问题呢?但面对被视为“金科玉律”的“宇称守恒定律”,科学家们都退却了,谁也不敢迈出冒险的一步。
似乎是历史有意把这一开创新纪元的重任交给了两位黄皮肤的龙的传人。1956年的一天,李政道与杨振宁在纽约的上海饭店会餐。在餐桌上,他们不约而同地谈到了共同感兴趣的有关K介子和“宇称守恒定律”的话题。真是英雄所见略同,他们越谈越投机,彼此的见解,都使对方迸发出新的思想火花。于是,他俩欣然决定共同合作,一起进行原子核和基本粒子的研究。他们俩精诚团结,在一番深入研究之后,大胆提出了一种新的理论。认为“宇称守恒定律”只在强相互作用和电磁相互作用下才是正确的,但在弱相互作用中就不成立了。他们冲破了爱因斯坦的相对论,共同提出了弱相互作用中“宇称不守恒定律”。他们的思想顿时震惊了全世界。
为了证实自己的理论,李政道和杨振宁邀请有“中国的居里夫人”之称的女物理学家吴健雄用实验检验。吴健雄一口答应,她来到华盛顿国家标准局,领导一批优秀的科学家,利用现代化的设备,进行这项重要的物理实验。
这是一次高难度的实验,需要在严格的超低温条件下进行,又涉及到许多复杂的因素,稍有疏忽就可能导致实验的失败。吴健雄整天钻在实验室里,困了打个盹,有时连续一星期不分白天黑夜地在实验室里观测、记录、分析、研究,不敢有一丝马虎。辛勤的劳动终于换来了丰硕的成果。1957年1月4日,这是难忘的一天,经过无数次的实验,吴健雄证实了宇称在弱相互作用中不守恒定律的正确性。
李政道、杨振宁的新发现说明,宇宙间的万事万物不一定都存在对称的关系。这一新的理论对于研究宇宙的构造和物质的构造都具有不可估量的巨大意义,被认为是“科学史上的一个转折点”。
一项伟大的发现,联系起三位科学骄子。让我们一一讲述他们的故事。
李政道,1926年11月生于上海。他从小喜欢读书,每天总是不知厌倦地沉浸在书海里。有一次,母亲为他准备好了洗脚水,催他去洗脚,可他满脑子思索着刚才书上的内容,洗脚时竟下意识地把手放在洗脚盆里搅了搅,全然忘记了洗的应该是脚。
1945年春季的一天,原来在浙江大学读一年级的李政道,经人介绍认识了被人称为“物理学界伯乐”的吴大猷教授。吴教授慧眼识材,将他转入自己任教的西南联大,亲自带教了一年后,又推荐他报考芝加哥大学的博士研究生,随着名物理学家费米学习物理。1954年,刚满24岁的李政道,取得了博士学位。以后被美国许多大学请去工作。1956年,年仅30岁的李政道,成为哥伦比亚大学最年轻的教授,但并没有陶醉在自己的成就上,仍然孜孜不倦地探索着,向着物理学的高峰攀登。在他获得诺贝尔奖的20年后,他又提出了一种新理论,论证了制造一种“核物质”的可能性。他称这种“核物质”为“超密核子”,它比铅重50倍,是一种“有700至1万个稳定质子数的新元素”。他的这一新理论,引起了利学界的极大重视。因为李政道的预言一旦实现,意味着会有更多能量极大的“新原子核”产生,其意义真是不可估量。
此外,李政道还提出了“非连续性力学”的新理论,以及“自由夸克永难发现”的新论点,对高能物理的发展都有重要意义。李政道博士在国际物理学界被认为是一位具有天才科学家爱因斯坦特质的,能作“超时代大胆想象”的科学天才。
比李政道大4岁的杨振宁生在安徽合肥一个中学教师的家中。当他还是10个月的婴儿时,父亲杨武光以优异成绩通过考试去美国留学。在母亲的教育下,杨振宁从小刻苦学习。1938年,只上完高中二年级的杨振宁竟以高分考进西南联大。在大学期间,杨振宁用功学习,如饥似渴地求知。在学校附近的小茶馆里,杨振宁经常和他几个要好的同学讨论物理学问题,尤其是量子力学问题,辩个不停,晚间宿舍熄灯后点起蜡烛再辩,终于使他对量子力学有了精深的了解。杨振宁大学毕业后,又考进联大的研究生院攻读。取得硕士学位后,不远万里去美国投在物理学大师费米和泰勒的门下,成为一名优秀的青年科学家。
1949年,杨振宁和导师费米共同提出了基本粒子结构型,即费米-杨振宁模型。
1954年,他和助手米尔斯合作,提出了规范场的数学结构,即杨-米规范场,解决了爱因斯坦后半生30年没有解决的难题。杨振宁在物理学领域取得了一个又一个的光辉成就,为炎黄子孙在国际科学界争了光。
用实验验证“宇称不守恒定律”的吴健雄,1912年5月31日,她生于江苏太仓的洌河镇。同一切成功的科学家一样,勤奋、拼搏和持之以恒,是她取得辉煌成就的法宝。她在南京中央大学读书时挑选宿舍大楼最后一排的最后一间,为的是少受外界影响。她常常反扣房门,读书到深夜,学校熄灯以后她仍点上蜡烛,有时竟为一道难题而通宵达旦。那时经常有几百人一起上的大课,这对那些只想混张大学文凭的公子小姐来说,自然是逃课的好机会。因为黑压压的一片,老师怎么查得清谁来谁没来呢?有些学生即使来了,也总爱坐在最后,这样看小说、交头接耳方便。可吴健雄总是早早地带上课本和笔记本,在大教室前挑中间的位置上坐下来。久而久之,这个座位就成了她的专座。
作为一名实验物理学的专家,吴健雄一生完成过两项轰动物理学界的实验报告。一项就是验证“宇称不守恒定律”的实验。另一项实验是1959年,加利福尼亚理工学院的着名物理学家基尔曼再三恳求她试验他和另一位物理学家提出的“向量电流的守恒性”理论。由于工作忙,她一直到1962年才动手做这个实验,并且在这年的年底证明了这一理论的正确。当时,美国、前苏联、瑞士等许多世界一流的科学家都在进行这项实验,但都失败了,只有吴健雄获得了成功。
李政道、杨振宁、吴健雄这三位举世闻名的科学家尽管入了美国籍,但这丝毫也不会改变他们的中国心。他们对祖国一往情深,他们是我们中华民族的骄傲。