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| 中外科学家发明家丛书：伽莫夫 （二） | 发布于:2012/07/27 | |
| 二、大学 伽莫夫在彼得格勒只有一个熟人——奥波林斯基教授，他在敖德萨中学 教书时是伽莫夫父亲的同事，后来成为列宁格勒林业学院的气象学教授。他 给伽莫夫找了一份工作——担任学院气象站的观察员。相对来说，这是个耗 费时间比较少的工作。早晨6：00到6：20，中午12：00到12：20，下午6： 00到6：20，星期六和星期天也不例外。他的工作是记下温度计上的最大和 最小读数，测定风向和风力，检查气压计上的压力，以及完成少量的其他工 作。不过这些“其他工作”往往令人头疼。例如，有不少温度计是放置在灌 木丛中的不同高度上，他必须每天三次用膝盖往前爬着记录温度计上的读 数，冬天常常是头顶着雪花，而且早上和傍晚都得带着手电筒。尽管如此， 每天毕竟只花费一个小时时间，因此伽莫夫能够有充裕的时间去大学听讲 座，阅读各种科技书刊。 几年以后，他和奥波林斯基教授发生了矛盾，教授希望他成为一名实验 气象学家，而他本人则想成为一名理论物理学家。于是他不得不离开奥波林 斯基教授的实验室，另谋一份工作。凑巧的是，红军野战炮兵学校里正好有 一个上校军衔的工作空着，于是伽莫夫20岁便成为一名红军上校。其原因 是，他所工作的红十月炮兵学校规定，必须按照受聘人员的薪金授予军衔， 而伽莫夫的薪金相当于野战军上校军衔。 在冬天的几个月里，他教炮兵学校的士官生们物理学和气象学基础知 识；夏季，学校开往离列宁格勒不远的鲁加靶场时，他就干起新的工作，成 了气象小组的负责人。这个小组有十几名士官生，拥有一辆马车，专门拉那 些测量风向和风力用的经纬仪、橡皮气球和氢气瓶之类的东西。 伽莫夫一边在炮兵学校任教，一边在大学上课。到1925年春，他通过了 取得学位证书所需的全部考试。当时，在俄国及大多数欧洲国家的大学里， 教学科目的安排是很死板的，如果某个学生选了一门指定的学科，如数学、 光学或电学，他就必须得去听课，并通过所选学科计划表上列出的一切考试 （这同我们国家目前仍在实行的教育制度十分相似。）而在美国主修物理的 学生也许会去听希腊史课，并获得该课程的学分。当然，俄国大学里的学生 想听其他课程也并不受限制，但他们得不到这些课程的学分。考试的评分等 级是“优”、“良”和“不及格”。获全优的学生可望获取研究生资格，即 被提名攻读哲学博士学位，并自动享有定期生活津贴。但是要没有一位教授 的提名推荐，学生是不可能当上博士研究生的。伽莫夫是罗杰斯特文斯基教 授的得意门生，后者是物理研究所所长。当伽莫夫以全优的成绩通过所有考 试从大学毕业时，教授打算让他成为一名博士研究生。可是这个学生只用三 年时间就完成了四年的课程，提前一年毕业，如果在这时就推荐他当研究生 的话，恐怕他竞争不过那些上了四年学，年龄较大的学生。基于这种考虑， 教授提议让他再等一年。伽莫夫同意这种安排，但是他需要一份工作养活自 己，因为在炮兵学校他只是代课，被代课的教员回来后他就没有工作了。罗 杰斯特文斯基教授马上给他找了一份工作，那是在国立光学研究所搞研究。 在光学所里的工作比较简单平淡，是些技术性的工作。制造高精度的光 学仪器需要烧熔玻璃，每次只能筛选出极少量成品。这部分成品是绝对均匀、 没有纹影的玻璃。玻璃块中的纹影是看不见的，因为玻璃的表面粗糙，形状 不规则。伽莫夫的工作是研究出一种能观察到纹影的方法，以便用气锤将玻璃的优质部分切割下来。他想出的主意是把玻璃块置于一个有点像金鱼缸的 大玻璃容器内，并在容器里注满一种折射率和所要测试的玻璃块完全相同的 液体。这样做以后，光线通过玻璃块与液体交界的地方时便不会产生折射， 因此，浮在水里的玻璃块是看不见的。这时纹影就显现出来了，接着用气锤 敲打玻璃块，便能击下一些明净无瑕的优秀玻璃块，可用来制作透镜。尽管 伽莫夫对量子力学比对切割玻璃更感兴趣，他还是满腔热情地做着这个工 作。 罗杰斯特文斯基教授还建议伽莫夫在光学所工作的同时，应该在成为正 式研究生之前开始着手准备今后几年内将要从事的研究课题，那就是物理光 学领域的研究，内容是使用教授在几年前发明的所谓钩法，去研究气体折射 率在吸收线邻域表现出的反常变化。这样，伽莫夫在物理研究所有了自己的 房间，里面堆满一排排十分灵敏的光学仪器。可是，他在光谱学方面的工作 情况却不太好。大部分光谱照片焦距没有对准，并且显影不足，后一个缺陷 是他照搬了书上给出的显影时间造成的。书上的显影时间要求室温达到摄氏 27度，然而由于燃料短缺，实验室的温度通常都低于摄氏13度。不用说， 任何一个好实验员都会考虑到这一点，他们懂得，在温度变化摄氏一度时， 大部分化学反应率会相应改变一倍。但是当时伽莫夫把这一点忽略了。 在实验室工作当中所栽的这些跟头使他最终意识到，光抱有美好的愿望 ——在研究所拥有自己的房间并成为实验物理学家——是远远不够的，他还 必须有踏踏实实、全面细致的工作态度。 从学生时代起，最使伽莫夫着迷的课题是爱因斯坦的狭义和广义相对 论。在这一领域他掌握了大量的知识，但当时，他最需要的是这方面的严密 数学基础。于是他选修了弗里德曼教授的《相对论的数学基础》一门课程。 弗里德曼教授对相对论的宇宙学问题同他一样抱有浓厚的兴趣，他从教授那 里获得了宇宙膨胀理论的一些早期认识，并把这种理论最终发展为一种举世 公认的解释宇宙形成的理论。下面简略讲一讲这个理论的形成过程。 1915年，爱因斯坦列出了他著名的广义相对论方程，并成功地用它解释 了长期存在着的水星近日点运动的偏差、光线在太阳引力场中的偏转及太阳 光谱中谱线的引力红移等现象，他决心用这一理论从总体上对宇宙进行描 述。 第一个为宇宙的稳定性焦虑不安的正是万有引力定律的创立者、英国著 名科学家牛顿。如果宇宙中的每一物质都通过引力吸引另一物质，那么整个 宇宙为什么没有坍缩成一团浆呢？爱因斯坦认为，他的改进了的引力理论能 够成功地处理牛顿这个古老的佯谬，因而确保宇宙的稳定性。第一步，他设 计了一种似乎能撇开牛顿的忧虑，而证明宇宙在其现存物质都放回到初始位 置时可能是稳定的数学论证，然后他着手寻找能导致这样一个稳定宇宙在时 间上永远不变的物质分布模式。但在进行过程中，他陷入了料想不到的困境： 没有一种可能的物质分布能够满足稳定性的条件，这是一个属于下述类型的 逻辑佯谬： 1）如果宇宙存在，那么它必然是稳定的。 2）不可能存在稳定的宇宙。 因此： 1）＋2），宇宙并不存在。 不过爱因斯坦没有走得那么远，他仅作出结论说，广义相对论的基本方程在运用于宇宙时是不正确的，必须加以修改。事实上他已发现，如果把他 原来方程再加上一项，即所谓“宇宙学项”，那么局面就可能改观，宇宙将 不致发生最终的坍缩。确实，这个新项有相当古怪的物理学解释，它代表一 种斥力，这种力随两物体之间的距离增大而增大，并且只取决于其中一个物 体的质量。然而只要能拯救宇宙，什么都行！结果就产生了著名的爱因斯坦 的稳定球形宇宙模型，这是他在1917年提出的。 弗里德曼从纯数学的角度去研究爱因斯坦就这个问题发表的论文，他注 意到爱因斯坦在他那对于宇宙必定永远稳定不变的所谓证明中犯了一个错 误。凡是学过初等代数的学生都知道，以任何量去除方程的两边都是允许的， 只是这个量不能为零。然而在爱因斯坦的证明里，他在一个中间方程中用一 个复杂的表达式去除方程的两边，而在某些情况下，这个表达式有可能等于 零。 因此，当这个表达式等于零时，爱因斯坦的证明就站不住脚了。弗里德 曼与伽莫夫意识到，这打开了一个全新世界的大门：宇宙是随着时间而变化 的，它经历着膨胀、坍缩和脉动等时期。而正是这一学说，开创了宇宙科学 的新纪元。 一年的时间过去了，伽莫夫顺利地通过了各项研究生考试，开始了他的 正式学生生涯。他和周围一群年轻有为、志同道合的同事形成一个充满活力 的研究小组。由于理论工作者们没有自己的工作室，他们经常聚会的地方是 波格曼图书馆。这个图书馆专为教授和研究生开放，它成为一个讨论现代物 理学和其他问题的场所。下面是一位研究者作的一首小诗，描绘了那个舒适 的小天地： 多舒适啊，波格曼图书馆， 二十五年如一日丝毫不移， 在这个欢乐的科学殿堂里， 我们的理论家相聚在一起。 这里因科学天才而闻名。 是认识“什么”和“为什么”的基地。 在这里，骑士风度的布尔西安教授， 穿着进口服装靠在沙发里。 每到考试临近时， 弗·亚·福克也在这里， 他翘着两撇小胡子， 不分昼夜出问题。 伊万宁科最爱打瞌睡， 老得伴着拍子把糖块送嘴里。 伽莫夫为了克服这毛病， 不停地使劲嚼着巧克力。 美妙的歌喉数朗道， 与人争论数他第一， 不管何时与何地， 哪怕和椅子也能谈谈问题。 1925、1926年，理论物理学界出现了令人振奋的事情，由丹麦物理学家 丹尔斯·玻尔在1913年创立的著名的原子的量子轨道模型陷入了困境，尽管它在过去十年中曾使人们了解原子结构方面取得巨大进展。显然，现在需要 一种全新的观点来推动它的发展。奇怪的是，这些新观点以两种完全不同的 形式出现，而且两者是如此不同，以致使理论物理学家们十分困惑。其中一 种形式是德国物理学家海森堡 （就是“测不准原理”的发现者）提出的所谓 矩阵力学，另一种是“波动力学”。它们的差别看上去是那么悬殊，然而， 这两种理论几乎得出完全相同的结果，并且同样出色地解释了观察到的原子 特性，而玻尔的理论正是在这上面碰了壁。但是不久便发现，矩阵力学和波 动力学在物理学上完全等同，只是表达它们对所用的数学语言不同而已，这 就像同一本书两种不同文字的版本一样，看上去印刷符号很不相同，但内容 却全一样。 物质微观结构在理论上的新突破引出了数百篇论文，而在列宁格勒大学 的理论小组里，伽莫夫等人把所有时间都花在阅读这些新出版物上，力求理 解它们。 在当研究生的头两年里，伽莫夫努力钻研学校指定的课题——单摆的绝 热不变性，但由于波动力学的出现取代了玻尔最初的量子理论，并为理论物 理学开辟了令人心弛神往的新前景，他很难把指定的课题研究下去，因为那 已是一项过时的课题。接连两年没有什么进展。 就在这时出现了一个转折。一位已退休的老教授克沃尔森建议他去外国 大学学习几个月，这样才可能对他有所提高。老教授向列宁格勒大学推荐， 建议送他参加德国著名的格廷根大学1928年举办的暑期学习班。格廷根是发 展量子物理学的几个主要中心之一。在那时，去国外的主要困难是能得到一 份把世界上不通用的俄国卢布兑换成能在俄国境外使用的等量外币的许可。 克沃尔森教授的推荐信又得到了其他几位教授的联名签署，这样，伽莫夫便 在6月初踏上了出国的旅途，先从列宁格勒乘船到德国斯温涅门德港，然后 换乘去格廷根的火车。 |
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