诺贝尔物理学奖史演义系列(二)——以实证虚分大奖

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19世纪以前，人们一直认为电、磁和光是不相关的自然现象。进入19世纪，科学家法拉第和麦克斯韦把电、磁和光现象放在一起解释。赫兹用实验来证明电磁波的存在，从那时起，电、磁和光的效应结合在一起。

阴极射线发现后，西方物理学家尽力研究其本质。这些人包括上次提到的伦琴。到19世纪70年代，对于阴极射线的性质有两种完全不同的观点:英国科学家克鲁克斯和其他人认为它是带负电的粒子流，德国物理学家赫兹和其他人认为它只是电磁波产生的辐射。两党之间进行了激烈的讨论。

阴极射线示意图(来源:百度)

荷兰物理学家亨德里克·安托万·洛伦兹也参加了讨论。经过深入研究，他得出以下结论:阴极射线是由比原子小的粒子振动产生的。这种粒子存在于任何物体的原子中，发光现象与这种粒子的振动有关。这些粒子的振动会产生电场和磁场。只要电场或磁场的方向改变，光也会改变。

然而，这些先进的理论在当时是完全站不住脚的。一方面，著名科学家法拉第在去世前研究了磁场对光源的影响，但以失败告终。后来，几乎没有人研究过它。其次，西方科学界一直认为，物体是由原子组成的，原子就像一个玻璃固体球，不可能开得尽可能小。

亨德里克·洛伦茨的形象(来源:读史春秋的博客)

洛伦茨不相信邪恶。他决心用他的强项——理论研究来证明原子是可分离的。他于1870年进入莱顿大学。受天文学教授弗雷德里克·凯瑟的影响，他开始对理论物理感兴趣。1878年1月25日，他成为莱顿大学的理论物理教授。在接下来的20年里，他的理论研究包括阴极射线的本质，解释电、磁和光之间的关系等。，紧跟时代潮流。

经过理论研究，洛伦兹发现物体的原子中有带负电的粒子。这些粒子由于围绕原子核运动而产生电场。根据法拉第的实验，运动的粒子也会产生磁场。核自转产生电场和磁场，这些电场和磁场与带负电的粒子相互制衡，形成原子磁场。

根据原子图，洛伦兹发现的粒子是电子。(资料来源:科学网)

当光源通过原子磁场时，原子中粒子的振动会发生变化，光源的谱线肯定会变宽或分裂洛伦茨经过反复推理得出了这个结论。

物理学的发展离不开理论和实践的结合。尽管洛伦兹从“虚拟”理论证明了原子中存在带负电荷的粒子，但他如何通过“真实”实验证明这一理论呢？

就在他为此痛苦的时候，他的学生彼得·塞尔曼出现了。

塞曼也是荷兰人。1865年5月24日晚，荷兰泽兰岛上的大坝决堤。在一艘没有舵和桨的小木船上，一名中年产妇在碰撞中痛苦地生下了塞曼。塞曼的小学成绩平平，但他在高中毕业考试中物理不及格。他的母亲用他出生的故事来影响他，所以他努力学习，进了代尔夫特高中。在这里，Zeeman遇到了比他大12岁的heike kamerlingh onnes。后来，获得诺贝尔物理学奖的艾格尼丝聪明又渴望学习，给塞曼留下了深刻的印象。

塞曼经过不懈努力，终于考上了莱顿大学。1890年大学毕业后，他留在学校，幸运的是，他是物理教授洛伦茨的学生和助手。

作为洛伦茨的助手，塞曼最大的乐趣在于他可以继续研究磁光克尔效应。磁光克尔效应是指光线进入磁铁时发生偏转的现象。它是以1877年英国科学家约翰·克尔发现它而命名的。经过3年的研究，塞曼完成了他关于磁光克尔效应的博士论文。后来，他被莱顿大学聘为讲师，暂时离开了洛伦茨的实验室。

磁光克尔效应示意图(来源:原始文献网络)

1896年，塞曼被开除，因为他不听莱顿大学实验室主任的安排，悄悄地进行了谱线磁场分裂实验。他把光源放在一个非常强的磁场中，结果，发光体的光谱发生了变化，谱线被分成了三部分。在离开莱顿大学之前，塞曼冷静地将实验过程和结果以论文的形式提交给荷兰皇家艺术科学院。

那一年的10月31日，洛伦茨在皇家艺术科学院的一次会议上意外发现了塞曼关于光谱研究的论文，他对此感到震惊。两天后，星期一早上，他邀请塞曼去他的办公室。塞曼详细描述了光谱实验的过程。洛伦茨仔细听后说，磁场中光谱变化的根本原因是原子中带负电粒子的振动。

由于洛伦茨的大力推荐，塞曼的实验吸引了西方科学界的注意。

彼得·西摩(来源:读史春秋的博客)

他的实验首先证明了原子具有精细的结构并且不是“不可分的”，这是对洛伦兹“原子中的带电粒子”理论的最好支持。其次，实验证实了洛伦兹的理论，即“磁场中发射的光将被极化”。这也意味着电、磁和光可以相互影响。后来科学家称这种现象为磁场分裂光谱塞曼效应。塞曼效应作为一种众所周知的磁光效应，使世界对物质的原子和光谱有了更多的了解，被誉为继X射线之后物理学中最重要的发现之一。为了表达对塞曼的记忆，科学界将月球背面的一个陨石坑命名为“塞曼”。

塞曼效应可以用来测量恒星的磁场。海尔和其他美国天文学家首次在威尔逊山天文台利用塞曼效应测量太阳黑子的磁场。物理学家汤姆森利用塞曼效应测量了谱线分裂的频率间隔，称之为原子电子中的负电荷粒子，并用数据证实了电子的存在。汤姆森因此获得了1906年诺贝尔物理学奖。

1902年12月10日下午16: 30，瑞典斯德哥尔摩皇家音乐学院的礼堂座无虚席。第二届诺贝尔奖颁奖典礼在这里举行。在严肃音乐中，所有国家的获奖者分别获得奖牌、证书和奖品。轮到塞尔曼上台时，他看到一个5到6英寸大的金框挂在胸前，而不是戴着花。这张照片显示了他死去的母亲。每次他获奖，他都会挂上这个相框来表达对母亲的敬意。这已经成为诺贝尔奖历史上的一个好故事。

诺贝尔奖颁奖典礼现场(来源:壳牌网)

从诺贝尔物理学奖回来的洛伦茨也受到世界的尊重和喜爱。他被誉为经典电子理论的创始人，因为他提出了电子存在于原子中的理论。后来，他的名字被用作物理学中的学术术语，如洛伦兹-洛伦兹公式、洛伦兹力、洛伦兹分布、洛伦兹变换等。爱因斯坦将洛仑兹变换应用于科学研究中的力学关系，从而产生了著名的狭义相对论。1928年2月4日，洛伦茨在荷兰城市哈拉姆去世。葬礼当天，荷兰国家电话服务暂停3分钟以示哀悼。公认的新一代物理领袖和著名科学家爱因斯坦致了悼词，称洛伦茨为“我们时代最伟大、最高尚的人”。后来，为了纪念洛伦茨的伟大贡献，荷兰*从1945年起将他的生日(7月18日)定为一年一度的洛伦茨节。

洛伦茨在理论上创立了经典电子理论，塞曼通过实验证明了电子的存在。老师和学生分享了1902年诺贝尔物理学奖。在从阴极射线开始的科学研究中，除伦琴、洛伦茨和塞曼外，许多科学家都取得了非凡的成就并获得了诺贝尔物理学奖，其中包括1903年的几位获奖者。他们是谁？你取得了哪些杰出的成就？如果你想知道事情的结果，请听下一期的解释。

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[参考]

1.《诺贝尔物理学奖一百年》一书于2002年由上海科普出版社出版，作者是和沈。

2.《诺贝尔物理学奖的故事》，陕西人民出版社，2012年9月。

3.论文《20世纪物理学的伟大缩影》，清华大学郭怡伶，2009年第2期，物理研究。