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“小数据”引出的大成果(中)

2019-07-12  八面楚风

俗话说:“细节决定成败。”

在科学史上,许多重大的科学发现

都是由于“小数据”而引发的。

“第三位小数的胜利”

——瑞利和拉姆齐发现“懒人”

“……我用两种方法制得的氮气密度不一样。虽然这两个密度只相差5‰,但是仍然超出了实验误差范围。对此,我颇有怀疑。希望读者提供宝贵意见。第一种方法:让空气通过烧红的装满铜屑的试管,氧与铜化合后剩下氮。这种氮的密度为1.2572克/升,称为氮Ⅰ。第二种方法:让氧、氨混合通过催化剂,生成水和氮气。这种氮的密度为1.2508克/升,称为氮Ⅱ。二者密度相差0.0064克/升……”这是英国《自然》杂志1892年9月号上刊登的一篇“读者来信”的一部分。信末署有“瑞利,1892年9月24日”字样。瑞利男爵是英国物理学家、化学家。

原来,在1892年上半年,瑞利在研测氮气密度时偶然发现,来自空气中的氮气和来自氮化物中的氮气的密度,在小数点之后第三位上开始不同。然而,这小小的差异却引起了他的“特别关照”。他不认为这仅仅是测量误差,并提出好几种假说加以解释。例如,假定大气中的氮含有与臭氧O3相似的成分“N3”。

瑞利

但是,学术界对瑞利的“新发现”并没有“特别的爱”,只有英国化学家拉姆齐猜想这其中必有蹊跷,并表示要和瑞利共揭奥秘。于是,拉姆齐又重新测定了两种氮气的密度,分别得到1.257克/升和1.251克/升的相似结果。他还宣布,两者密度之差,是因为大气氮中含有“N3”。

但是,当拉姆齐把眼光对准大气光谱时,却大吃一惊:除了已知氮的光谱,还有不属于任何一种已知元素的一组清清楚楚的红色和绿色光谱。看来,“新朋友”来了——大气中含有某种未知元素,而不是“N3”。

“新朋友”是何方神圣呢?拉姆齐想起了英国科学家卡文迪许在1785年做的实验:让含有充足氧气的空气通过放电来“固定”(氧化)全部氮气,但结果仍有大约1/80体积的“氮气”不能被氧化。不过,这并没有引起卡文迪许或当时的其他科学家的重视。

这两位科学家想到:空气中一定含有一种不和其他物质发生化学反应(就像“懒人”不干事那样)的新元素。

于是地球上第一个“懒惰的”元素——惰性气体氩,被瑞利和拉姆齐在1894年8月13日从百余吨液态空气的慢慢蒸发中发现。后来,他俩和其他科学家又分别发现了其他5种惰性气体。

第一个“懒人”——氩的发现,当时被称为“第三位小数的胜利”。瑞利和拉姆齐因为首先发现惰性气体氩等成就,分别独享1904年诺贝尔物理学奖和1904年诺贝尔化学奖。

瑞利和拉姆齐用的科学方法,主要是精确测量法,属于实验法中的定量实验法。从思维的角度说,是一种“同(同是“氮气”)中求异(密度不同)”的思维方法——与“异中求同”的思维方法正好相反。

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抓住1/8000的“少数派”

——卢瑟福揭秘“原子黑箱”

自从1897年英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙发现电子以后,人们对原子的结构进行了不断的深入研究。汤姆孙在1903年提出了实心带电球模型:原子是一个球体,正电荷均匀分布在球内,而电子就像枣子那样镶嵌在原子内。它被称为原子的“西瓜模型”,又称“面包夹葡萄干模型”或“布丁模型”。此外,各国的不少物理学家都分别提出了不同的原子结构模型。

1908年,英国物理学家卢瑟福(1871~1937)在曼彻斯特指导他的两位学生用实验研究原子结构。他们在一个小铅盒里装入放射性元素钋(Po),让钋放出的α粒子从铅盒里的小孔射出,形成一束射线,打在被测定的某种金属箔上,“以便在这些物质的散射能力和遏止能力之间建立某种联系”。α粒子打击被测金属箔后的去向,则由α粒子打到闪锌屏上产生的闪光来记数,这一闪光可由显微镜观测到。

当他们系统地用实验研究不同金属的散射作用时,却得到一个无法用“西瓜模型”解释的奇怪现象:绝大多数α粒子穿过金箔之后,不偏转或者基本上不偏转;只有少数α粒子大角度偏转。例如对4×10-7米厚的金箔,偏转90°的α粒子仅约占1/8000;其中的少数甚至被反弹回来—偏转角为180°,这种α粒子约占总数的1/20000。

这个现象奇怪到什么程度呢?卢瑟福有形象的比喻:“如果你向15英寸(1英寸约合2.54厘米)远的一张薄纸发射炮弹,它会弹回来打到你!”

为什么“西瓜模型”无法解释上述现象呢?首先,α粒子大角度偏转不能解释为若干次小角度偏转的积累,因为这种可能性比1/8000小得多。第二,α粒子大角度偏转不可能是α粒子受到实心球内电子撞击的结果,因为α粒子的质量约为电子的7300倍——一个大质量的粒子撞击一个小质量的粒子时,大质量的粒子怎么会发生大角度偏转呢?这正如大铅球撞击小乒乓球时,大铅球不会发生大角度偏转那样。第三,α粒子大角度偏转不可能是实心球内带正电的部分对α粒子作用的结果,因为带正电的α粒子会受到实心球内正电荷的排斥作用,不可能有剧烈的碰撞而大角度偏转。

1909年,卢瑟福没有漠视上述1/8000的“少数派”,而是报道了他们的发现,以期引起同行的研究。他自己也在苦思冥想,好几个星期之后,终于经过数学推算,在1910年年底证明:“只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径,α粒子穿过单个原子时,才有可能产生大角度散射。”据此,他进而提出了原子的“核式结构模型”即“卢瑟福模型”——简称“卢模型”。

“卢模型”的要点是:原子中心有一个体积很小的原子核,它集中了原子的全部正电荷,以及电子以外的全部质量;带负电的体积很小的电子在很大的空间中绕核旋转;整个原子所带的正负电荷相等而显电中性;电子绕核旋转所需向心力,是核对它的库仑力。

1911年3月7日,卢瑟福在曼彻斯特哲学会上做了题为《α、β的散射和原子的构造》的报告,公开了他的研究成果,这一报告还刊登在同年英国的《哲学杂志》上。

卢瑟福的成功,得益于抓住了“小数据”——1/8000。当然,中国古代哲人老子早就给出了这个“普适”的哲理:“天下难事,必做于易……天下大事,必做于细。”

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