因誠信而導致的重大科學發(fā)現

陳敬全

在科學史上，一些科學工作者因誠信而導致了重大的科學發(fā)現。他們誠實地報告自己的實驗結果，這些結果有的看似微不足道，有的出人意料、使人失望，有的則令人厭煩，然而，恰恰是這些實驗結果為科學實現重大的突破提供了契機。

小數點后第三位數字的誤差與惰性元素的發(fā)現

英國卡文迪許實驗室物理學家瑞利（Lord Rayleigh），從1882年開始研究大氣中各種氣體的密度。當時大多數人都深信，大氣的主要成分是氧和氮，還有少量的碳酸氣和水蒸氣。瑞利在測定氮的密度時發(fā)現，從大氣中除去氧，碳酸氣和水蒸氣所得的氮氣的密度為1.2572克/升，而由亞硝酸氨制得的氮的密度卻是1.2508克/升，兩者相差為0.0064克/升，盡管這在實驗容許的誤差范圍之內，但瑞利沒有放過這小數點后第三位數字上的誤差，他以萬分之一克的精密天平反復測量，結果這個差別仍然存在。

瑞利對此百思而不得其解。他在《自然》雜志上如實地報告了這看似微不足道的差別，并公開征答。一位學者向瑞利提供了卡文迪許在一個世紀前遇到的一個重要實驗事實：在玻璃容器里用電火花使氮和氧化合，不論化合過程延續(xù)多久，總有一個小氣泡不能被氧化。卡文迪許猜想空氣中的濁氣不是單一的，還有一種不與氧化合的成分，其總量不超過全部空氣的1/120。另一位有心人、年輕的化學家拉姆塞（W.Ramsay）表示要與瑞利合作。

瑞利重復了卡文迪許的實驗，發(fā)現果然有小氣泡不能被氧化，他認為卡文迪許的猜想是有道理的。他和拉姆塞進行了多次實驗測定，先把“從化合物中制得的氮”與鎂一起加熱，或與氧混合通以電火花，再用“從空氣中制得的氮”進行同樣的試驗，對兩者進行對照。結果證明前者制得的氮是純氮，后者不是純氮，含有較重的新元素，測得這種新氣體1升的重量是1.7815克，密度為19.94（當氧的密度為16時）。在100體積的氮里含有1.186體積，也就是1/84。而測得純氮的重量1升為1.2502克。在不純的氮中，由于含有1.186%的這種氣體，所以1升重量應該為1.2572克。這個計算值與瑞利“從空氣中制得的氮”中所測得的實驗值完全一致。

他們用分光鏡對新氣體進行光譜分析，發(fā)現有橙色和綠色的各組明線，這是有別于已知氣體元素的光譜的。他們同時又委托光譜分析專家協助驗證，很快確證了未知氣體——一種新元素的存在。1894年8月瑞利和拉姆塞公布了這一發(fā)現。新元素被命名為氬（Argon，意為“懶惰者”）。他們以辛勤的勞動請出了躲藏在深處的“懶惰者”。

瑞利

拉姆塞

然而，有相當多的化學家不認可這一發(fā)現。瑞利和拉姆塞對氬氣做了更深入的實驗研究，證明了氬氣原來就包含在空氣中，其化學特性極不活潑：把氬與其他氣體、固體或液體混合在一起加熱或者通電，都未發(fā)生任何化合和分解現象，它是化學性質不同于其他元素的惰性元素；用物理法測得氬的恒壓熱容Cp與恒容熱容Cv之比為1.653，從而推知氬為單原子分子，原子量為40。他們無可辯駁地確證了新元素氬的客觀存在。

發(fā)現氬以后，拉姆塞經過不懈的努力，又相繼發(fā)現了氦、氪、氙、氖和氡等惰性氣體。

1904年，瑞利因“對一些重要的氣體密度的研究，以及這些研究的成果之一——氬的發(fā)現”而榮獲諾貝爾物理學獎。拉姆塞“因其發(fā)現新族元素——惰性元素”而榮獲諾貝爾化學獎。

邁克耳遜

以太漂移的零結果與狹義相對論的創(chuàng)立

在19世紀，許多物理學家認為光是借助被稱為“以太”的媒介來傳播的。他們想利用各種方法來檢驗“以太”的存在，并確定它的屬性。根據天文學和物理學的知識，推測“以太”是充滿整個太陽系的，地球就在這個“以太”的海洋中運動，人們希望利用實驗來測定地球相對于“以太”的運動速度，這就是平時所說的“以太”的漂移速度。

邁克耳遜和莫雷測量以太的實驗

美國物理學家邁克耳遜（A.Michelson）從1880年開始，就開展實驗測量“以太”的漂移，以證實它的存在。1881年，他在波茨坦天文觀測站的地下室，用自己發(fā)明的干涉儀完成了第一次實驗，結果令人失望，他并沒有測量到“以太”的漂移。

許多科學家都不愿意接受這個結果。有人指出了邁克爾遜的實驗存在誤差，不足以說明“以太”不存在。1884年秋天，英國著名物理學家開爾文和瑞利訪問了美國，邁克爾遜向他們報告了1881年的那次令人失望的實驗，開爾文和瑞利意識到這個實驗的重要價值，竭力鼓勵邁克爾遜繼續(xù)做“以太”漂移的實驗以證實它的存在。

邁克爾遜重整旗鼓，繼續(xù)做觀測“以太”的實驗。1887年7月，邁克爾遜和西利瑟夫大學的莫雷（W.Morley）教授合作，莫雷有一個設備很好的實驗室。他們信心滿滿，認為極有把握獲得成功。他們將光走過的路程增加了10倍，為了減少轉動的摩擦，他們還把安裝光學儀器的大石板浮在水銀面上。

經過數天精心的實驗，結果仍然與邁克爾遜在1881年做的實驗結果一樣，測不到任何“以太”漂移的速度，1887年12月，他們發(fā)表論文“地球運動和傳光的‘以太’”，宣布了得到否定結論的實驗結果，由此說明地球和“以太”之間不存在相對運動。這就是物理學史上有名的“以太”漂移的“零結果”。

邁克爾遜和莫雷并沒有更深入地追究“以太”是否存在的問題。邁克爾遜把他的干涉儀用于高精密度的物理測量上，他用實驗發(fā)現，保存在巴黎國際度量局的標準米是鎘光譜光線波長的1 553 163.5倍，他為長度基準找到了一個非實物的標準。1907年，邁克爾遜由于在“精密光學儀器和用這些儀器進行光譜學的基本長度測量”方面的研究榮獲諾貝爾物理學獎。

邁克耳遜本人并不了解“‘以太’零漂移”實驗結果具有的劃時代的重要意義，眾所周知，這一實驗的結果導致愛因斯坦在1905年創(chuàng)立了狹義相對論。邁克耳遜始終認為“以太”是存在的，他不樂意看到自己的實驗導致了相對論這一“怪物”。然而，他具有的高尚的科學品質卻是值得稱道的，他并沒有因為實驗結果出乎自己的意料而放棄和隱瞞結果，而是把實驗結果坦誠地公之于世。

幽靈般的電噪聲與3K微波輻射背景的證實

1964年的一天，美國貝爾電話公司實驗室的彭齊亞斯（A.Penzias）和威爾遜（R.Wilson）在調試天線以測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現出現了背景噪聲，它類似于雷雨天從收音機里聽到的天電干擾聲。

最初，他們猜測這可能是天線系統(tǒng)內部產生的電噪聲所致，為了檢測這臺天線的噪音性能，將天線對準天空方向進行測量。他們發(fā)現，在波長為7.35厘米的地方一直有一個穩(wěn)定的、各向同性（即不隨方向變化）的噪聲訊號存在，并且不因晝夜而變化，也不因季節(jié)而變化，因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。難道這是天線自身產生的電噪聲？1965年初，他們將天線拆卸，進行了徹底檢查，并完善了天線內部結構的一些部件，同時還驅趕天線附近的鴿子，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而排除這些內外因素后，噪聲仍然存在。他們如實地向外宣布令人失望的結論：噪聲無法消除，噪聲不是來自于天線本身，而是來自于整個天空的微波射電噪聲，其強度與3.5K的輻射相當（稍后又訂正為2.7K，簡稱為3K微波背景輻射）。

彭齊亞斯和威爾遜

迪克

如何從理論上解釋3K微波背景輻射的現象呢？彭齊亞斯他們深感困惑。

普林斯頓大學的一個研究小組的專家給出了問題的答案。該研究小組正熱衷于宇宙大爆炸理論的研究。早在1946年，美國物理學家伽莫夫提出了大爆炸宇宙模型，預言了作為大爆炸遺跡的電磁輻射背景存在的可能性。1953年，他指出宇宙如此古老以致變得異常寒冷，當年爆炸后殘存的輻射溫度可能只有5K。

研究小組在天體物理學家迪克（R.H.Dicke）教授的領導下，努力尋找宇宙大爆炸理論的依據。他們設計了一種簡陋的輻射計以探測宇宙殘余輻射，卻未發(fā)現任何跡象。正當迪克他們走投無路之時，得知了彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現。經過認真的討論，迪克斷定：他們發(fā)現的微波輻射正是自己苦苦尋找的宇宙背景輻射! 1965年7月，在美國《天體物理學報》第142卷上，同時刊登了彭齊亞斯和威爾遜的短文“4 080兆赫的過剩天線溫度測量”以及迪克小組寫的“宇宙黑體輻射”。前者僅用了約600個字簡要地報道了自己的觀測發(fā)現及測算方法；后者則著重于宇宙模型的理論探討和對前者的發(fā)現做理論詮釋，明確指出，3K微波輻射背景的發(fā)現，是對宇宙大爆炸理論的有力支持。

對現代宇宙學界來說，這是自1929年哈伯發(fā)現河外星系紅移即宇宙膨脹現象以來又一次劃時代的重大發(fā)現。彭齊亞斯和威爾遜追究令人討厭的噪聲，竟帶來了現代宇宙學發(fā)展的第二次高潮，他們獲得了1978年度的諾貝爾物理學獎，理由是他們的“貢獻是一項根本性的發(fā)現，使人們有可能得到很久以前——在宇宙形成時——所發(fā)生的宇宙變化過程的信息。”

在科學研究中誠實是第一位的

因誠信而導致重大科學發(fā)現，在科學史上被傳為佳話。科學工作者在開展研究開發(fā)活動時必須遵循誠信準則：誠實地提供信息，言而有信；遵守規(guī)則，實踐成約；在項目設計、數據資料采集分析、科研成果公布以及在求職、評審等方面，必須實事求是；對研究成果中的錯誤和失誤，應及時以適當的方式公開和承認；在評議評價他人貢獻時，必須堅持客觀標準，避免主觀隨意。

科學研究是建立在誠信的基礎上的。科學的目標在于求真——探究自然界運動變化的規(guī)律，所謂“真”，即與事實相符合。科學家探求真理是通過“從事實出發(fā)探究其中規(guī)律”的途徑實現的，為此必須不斷地通過觀察實驗而獲得大量的、確鑿的經驗事實和數據，并在此基礎上提出規(guī)律性的說明，否則“巧婦難為無米之炊”，探究自然規(guī)律就無從談起。由此，所獲經驗事實和數據必須真實可信，不容半點虛假，否則會導致虛假、無效的結論。

誠實是誠信的要義。在科學研究中，誠實是第一位的。英國科學家克拉默認為，誠實是科學家在科學研究中必需持有的一種品格。他說：“從長遠來看，一個誠實的科學家是不吃虧的，他不僅沒有謊報成果，而且充分報道了不符合自己觀點的事實。” 瑞利、邁克耳遜、彭齊亞斯和威爾遜的經歷證明了這一點，他們能夠獲得科學界的最高獎賞，是實至名歸、受之無愧的。