居里夫人自傳 第39章 最初的研究 (1)
    正是在物理和化學學校羅林學院裡的舊樓中,皮埃爾·居裡工作了年,開始任實驗室主任,後來便成了教授,這幾乎等同於他科學生命的全部時間,甚至於他的回憶也似乎都與那些已經被拆除了的舊大樓密切地聯繫在了一起。在那裡面,他會度過整個白天,只有晚上才會回到他父母親居住的鄉間。他在學校裡感到非常幸福,因為學校的創建者舒贊貝格校長對他十分關懷,並且學生們對他也非常敬重和友善,其中有很多學生都成了他的弟子和朋友。關於這份經歷,他在他生命中最後幾年裡於巴黎大學所作的一次演講結束後,是這麼說的:

    在此,我想著重指出,在巴黎市政府籌建的物理和化學學校,我們進行了所有的研究工作。無論任何科學成果,人們身處的工作環境對它的影響都是很大的,甚至於有一部分成果都應該歸功於這種影響。我在物理與化學學校工作二十多年了,學校的首任校長舒贊貝格是一位優秀的科學家。我至今仍舊心懷感激地記得當我還是教輔人員的時候,他所為我提供的優越的工作條件。後來,他又允許我的妻子瑪麗.居裡到我身邊工作,這樣的舉措在當時那個年代是一種不同尋常的嘗試。舒贊貝格在很大程度上給予我們大家自由。他對科學的那種熱情感染了大家,令我們感觸頗深。物理和化學學校的教師以及該校的畢業生共同形成了一個親切有益、成果多多的氛圍,對我有很大幫助。就是在學校的校友中我們找到了合作夥伴和朋友。非常高興我能夠在這裡向大家表示感謝。

    在剛開始出任新職務的時候,他幾乎比他的學生們大不了多少,不過日常生活中的他平易近人且又彬彬有禮,是老師,可更像朋友,因此學生們都很敬愛他。他們中有一些人至今回憶起在他身邊學習以及在黑板上討論問題的情景時還是很動情。他會主動地和大家就一些科學問題進行討論,這對大家的成長與激情的萌發都是大有裨益的。年,皮埃爾參加了學校老校友會舉辦的一次聚餐會,在那裡,他笑著回憶起那時的一次意外。有一天,他和幾個學生在實驗室裡幹活幹得太晚了,等到他想走的時候,發現門被鎖上了。所以大家只能順著二樓窗子旁的一根管子溜下去。

    因為矜持和靦腆,他不是很容易就能和大家打成一片,但是由於工作關係而同他在一起的那些人卻非常愛戴他,因為他為人親切隨和。他這一生,都是深受他的下屬們喜歡的。皮埃爾在學校裡的實驗室裡有一個助手,是個小伙子,他在生活極其困難的時候受到了居裡的幫助,因此對皮埃爾·居裡一直懷有很深的感激和崇敬之情。

    儘管同哥哥分居兩地,但皮埃爾仍與哥哥維繫著以往的友誼和信任。每到放假,雅克·居裡就會前來看他,兩人再次開始頗有成效的合作,將這段自由的時間全部奉獻給這種合作了。有的時候,也會是皮埃爾前去看望雅克,雅克當時正於奧維涅忙著繪製一份地質圖,他便和雅克共同進行實地踏勘工作。

    下面就是他對其中一次踏勘的回憶,是從他在我們倆結婚前不久給我寫的一封信中摘抄下來的:

    我和我哥哥一起度過了一段很開心的時光。我們拋開了眼前的所有煩惱,去享受我們已經習慣的生活方式,我們甚至於連一封信都收不到,因為每一天我們都不知道第二天將會宿於何處。有的時候,我覺得我們兩個又回到了生活在一起的那個時候。我們竟然達到了對任何事情的看法都一致的程度。因為想法一致,我們都不用再說出來就可以相互領會彼此的看法。我們兩個性格迥異,能做到這一點就更是難能可貴了。

    從科研的角度來看,必須承認皮埃爾·居裡從一開始受聘前去物理和化學學校任職的時候,就耽誤了他的實驗性研究。的確,他剛上任的時候,這所學校還沒有任何東西,全部都要創建。圍牆和隔板也都剛剛弄好。皮埃爾·居裡必須全權負責組織學生實驗工作。他以其別具一格的精細新穎的思想成功地完成了這項任務。

    學生數量很多,每班有三十名。對於僅有一個實驗室助手相幫的年輕的皮埃爾來說,帶領這麼多的學生做實驗,本身就很艱難。這頭幾年的工作無疑是艱苦的,但對於他所指導的學生們的教育和培養卻是大為有益的。

    皮埃爾·居裡趁著自己的實驗研究被迫中斷的機會來補充自身的科學知識,尤其是數學方面的知識。這個時候,在對於晶體學和物理學的理論性質思考方面,他已經成為了領軍人物。

    年,他發表了以晶體對稱性研究為基礎的有關增長序與重現的一篇論文。同樣是年,就同一題目,他做了一個更加廣泛的報告。另一篇有關於對稱與重現的論文於年發表。同一年,他就晶體的形成與不同面的毛細常數又發表了一篇非常重要的理論文章。

    我們可以從這連續發表的幾篇論文看出,對於晶體物理,皮埃爾·居裡有多麼關心。他在這一領域的研究,不論是理論性的還是實驗性的,都圍繞著一個非常普遍的對稱性原則。他成功地逐漸地將這一原則指出,但直到年至年才於他所發表的一些論文中最終確定下來。

    下面就是他關於這—論證所提出的將於今後成為經典的方式:

    當某些效果為某些原因所產生時,原因的對稱因子應該再次出現於所產生的效果之中。

    當某些效果顯出某種不對稱時,這份不對稱應該再次出現於使之產生的原因之中。

    這兩種假設的逆命題未必正確,但至少在實際之中不是這樣,換句話說所產生的效果能夠比原因更加對稱。

    這個雖然簡單但卻完美的論證具有極大的重要性,這種重要性在於,它所引入的對稱因子是同所有物理現象相關聯的,無一例外。

    受對有可能存在於自然界之中的對稱群所作的一次深入研究的指引,皮埃爾·居裡指出了應該怎樣利用這種既是幾何學特性又是物理學特性的資料去對某種現象是否會產生或是它在所考慮的條件下產生是不可能的進行預見。他在一篇論文的開頭是這麼強調的:

    我認為最好能夠在物理學中引入為晶體研究者們所熟知的對稱概念。

    他於這條道路上所取得的成果是重大的,儘管後來轉向了其他研究,但對於晶體物理,他始終保持著濃厚的興趣,並在這一領域內不斷地醞釀出一些新的研究計劃。

    使皮埃爾·居裡念念不忘的對稱原理是重大的物理原理之一,這些原理雖然為數不多,但卻對物理現象的研究起著指導作用,它們扎根於實驗所提供的概念之中,但是又逐漸地從中擺脫出來,獲得一種更加普遍、更加完美的形式。因此,熱當量與功當量的概念便被補充進動能與潛能的當量概念中來,使得應用很普遍的能的保存原理得到建立。同樣,質量保存原理也從將化學作為基礎的拉烏瓦齊埃實驗中逐漸地得出來了。通過對這兩種原理進行聚合,一個令人讚歎的綜合在最近得以達到了更高普遍性的程度,因為已經被證明過,一個物體的質量同其內在的能是成正比的。對電現象的研究令裡普曼將電的保存的普遍原理提了出來。根據生熱裝置的運作構思所產生的卡爾諾原理也具有非常普遍的意義,使它能夠對各種物質系統自發變化的最有可能的方向進行預見。

    對稱原理提供了一種可比變化的榜樣。從一開始,通過對大自然的觀察就能對對稱概念進行驗證:如果礦物質是晶體化了的,那麼它的規律性則會更加完美。我們能夠看到大自然向我們提供了對稱面與對稱軸的概念。如果對稱面將物體分成兩個部分,而如果每一部分又都可以被看做是這個面所反映的另一部分的形象(就像在一面鏡子裡那樣)的話,這個物體就擁有一個對稱面或是蜃景面。這幾乎就是人與許多動物的外部形象所產生的那樣。如果把一個物體沿著某一軸線旋轉,當轉到一周的幾分之一的時候,物體恢復到開始的形狀,我們就能夠說這個物體擁有一千幾階的對稱軸線。比如,一個整齊的四瓣花朵,就擁有一個四階對稱軸線,或是四階軸線。像岩鹽或者明礬這樣的晶體就擁有好幾個對稱面與好幾個不同序的對稱軸。

    我們被幾何學教會對一種被限定的形象,例如多面體的對稱因子與在這些因子中發現的使它們聚集成堆的一些不可或缺的關係。瞭解這些堆體十分有利於將晶體形式合理地排列成為一個數量不多的系,其中的每一個系都是由一個簡單的幾何形式演變而來的。因此,正八面體就屬於和立方體一樣的系,因為由對稱軸與對稱面所組成的堆體於兩種情況之下都是相同的。

    對晶體物質的物理屬性進行研究的過程中,必須對這種物質的對稱性進行考慮。這種物質在通常情況下都是各向異性的;換句話說,當介質,例如玻璃或水,是各向同性(這是因為於這種情況下,各個方向全是相等的)時,它於各個方向中就不具有相同的特性。對於光學的研究首先指出了光在晶體裡的傳播所依據的是晶體的對稱因子。對於導熱性、導電性,對於磁化與極化等來說,也都是同樣的。

    正是在對這些現象的因果關係進行思考時,皮埃爾·居裡被引導去對對稱的概念進行補足與擴展。他認為對於一個現象出現在其中的介質來說,這種概念是一種獨有的空間狀態。為了對這一狀態進行確定,就必須要考慮介質的構成,和它的運動狀態以及它所從屬的物理因子。所以,一個直圓柱體就擁有與它在其介質中的軸相垂直的一個對稱面和通過這個軸的無盡的對稱面。假如這同一個圓柱體能夠圍繞著它的軸進行旋轉的話,就存在第一對稱面,但是其他的就全部被取消了;假如這個圓柱體還被一股電流同時縱向通過的話,那麼任何對稱面就都保存不住了。

    對於所有的現象來說,都有將同它的存在相容的對稱因子確定下來的必要:在這些因子中,有一些能夠同某些現象共存,但是它們卻並不是不可缺少的。必須的則是,它們之中的某一些並不存在,而是不對稱在產生現象。當數個現象重疊於同一個系中時,不對稱就自動增多。(出自皮埃爾·居裡《論文集》第頁)

    正如上述結論所說,皮埃爾·居裡對一種普遍原理進行了闡釋,其《論文集》(第頁)對這一普遍原理的研究,在其普遍性和抽像性方面,達到了巔峰的狀態。如此得到的綜合似乎是決定性的,而剩下的只是據此而去推論出它所包含的整個發展。

    因此,應該將每個現象的獨特對稱確定,並將那些對稱群按照門類分開。質量、電荷、溫度有著相同的稱之為「標量」的,也就是圓球形對稱。水流或者單向電流屬於矢量對稱性,是「極矢量」之類。正圓柱體的對稱則是屬於「張量」之類。所有的晶體物理學研究都能夠按照這種方法加以歸類,但這種方法中,不需要指定所研究現象的具體情形,而只需要觀察它們的各物理量於幾何與解析上的因果關係就行了。

    因此,對於電場所產生的極化效應所做的研究也就相當於是在對兩個矢量之間的關係進行研究,並列出含有九個係數的一組線性方程式。這組方程式中的每個係數的意義在於,對於它們加以修改即可以用來表示導體中的電流同電場的關係,或者熱流同溫度梯度的關係。同樣,在對矢量同張量間的普遍性關係進行研究時,壓電現象的各種特性便可以顯示。除此之外,凡是屬於晶體彈性的各種現象也都能夠通過兩組張量之間的關係來決定。但是,這些張量通常都需要三十六個係數才能進行表述。

    通過這一簡單的闡述,我們能夠瞭解到自然現象中全部的對稱性在理論上的巨大的重要性,而皮埃爾·居裡憑借一種明白無誤的方式對其深刻的意義進行了表述。有必要在此提及,巴斯德曾經也用過同樣的觀點來對生命進行觀察,他說道:「作為一個整體,宇宙是不對稱的,所以我相信我們見到的生命應該是受宇宙不對稱作用影響的,或是說我們的生命是不對稱性的結果。」
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