[物理史] 路易斯在给《自然》的信中造了「光子」一词

作者: 分类: J惠生活 发布于:2020-06-10 161次浏览 32条评论



(译自APS News,2012年12月)

[物理史] 路易斯在给《自然》的信中造了「光子」一词

路易斯(Gilbert Lewis)

在 20 世纪初,普朗克(Max Planck)和爱因斯坦(Albert Einstein)提出了量子的概念,为物理界投下了震撼弹。爱因斯坦 1905 年的论文讨论光的粒子本质,但他并没称这些粒子为光子,光子一词是由美国的物理化学家路易斯(Gilbert Lewis)所创造出来的。

路易斯是美国麻塞诸塞州维贸斯(Weymouth, MA)人,他主要都是由家教到家教导,只短暂地于 9-14 岁间到公立学校就读,那时他到内布拉斯加大学(University of Nebraska)注册。3 年后,他 17 岁,转到哈佛学院就读,1899 年,他年仅 24 岁就完成了博士学位。路易斯在德国当了 1 年的访问学者,追随有名的科学家如奥士华(Wilhelm Ostwald)和能斯特(Walther Nernst)做研究,之后回到哈佛教书。

1904 年,路易斯到菲律宾当科学度量衡局局长,但他只当了 1 年,就又回到波士顿,在麻省理工学院任教职。1912 年,他接受了柏克莱加州大学的聘任,在那裏度过大半的科学生涯。

早期路易斯对于热力学深感兴趣,尤其是和化学平衡有关的部分,他写了一些论文讨论那时才刚起步的相对论,提出一个替代爱因斯坦质能等效性的推导。1913 年,他被选为美国国家科学院院士。

路易斯最为人称道的是化学键的研究,尤其在他 1916 年的经典论文〈原子和分子〉中,概述共价键的观念,以及 1923 年论文,提出了酸硷反应的电子对理论。早在 1902 年,他即一直在他的演讲笔记中使用简略的草图,描述方块状的原子,其中的角落代表电子可能在的位置。最后他了解,原子中的电子会成对地围绕在原子核四周,最常形成一个四面体,而两个键在一起的原子在其中间会共享成对的电子。这些想法后来影响了包括鲍林(Linus Pauling)在内科学家的研究。

他也是最先于 1926 年 12 月 18 日在给《自然》期刊的信中,造了「photon」(光子)这个字,来说明光的单位。严格来说,他对这个字的了解是,它说明了「辐射能」的一个载体,而不是光粒子本身;「我冒昧地提议给这个假设性的新原子一个名字『photon』,它并非是光,但在每一个辐射的过程中都扮演着重要的角色。」那样说来,他的概念和爱因斯坦 1905 年光的量子理论不同,然而「photon」也就被用来说明爱因斯坦原先的用词「light quantum」(光量子)了。

路易斯在他的家乡维贸斯有一条街,以及当地中学图书馆的一个侧厅,以他的名字命名;加州柏克莱大学有路易斯厅,来纪念他,他还获得了许多专业上的荣誉,以肯定他的研究,唯独少了诺贝尔化学奖。有人臆测那有一部分要归咎于他和能斯特(Nernst)间激烈的竞争,导致能斯特利用他在提名委员会的位置封杀了路易斯的提名。

尤其令路易斯失望的是,他的一个学生尤瑞(Harold Urey)因发现重氢而获得了 1934 年诺贝尔化学奖,此研究使用柏克莱的迴旋加速器来净化重水,说明它的特质,其中有不少应归功于路易斯的贡献。路易斯在同一年辞职离开美国国家科学院,也许是因在职场上不受尊敬而生气,也可能是因他所提名的人没被选入那受人尊敬的团体,而一直感到挫折所致。还有一位路易斯所指导的年轻物理学家西博格(Glenn T. Seaborg)也在 1951 年接着获得了诺贝尔奖。(路易斯的确喜欢和特优的学生一起做研究,而这些学生们后来的成功证明他不凡的判断力。)

路易斯虽有着科学上的各种成就,但他的人生却以悲剧收场。1946 年,他的一个研究生去柏克莱实验室时,在工作檯下面发现了路易斯的尸体,很明显地他是液体氰化氢毒气的牺牲者。他当时的实验一直在使用此物质,但是有一破了的管线致使氰化物渗漏进他实验室的工作区。他官方的死因是冠状动脉疾病,然而多年来一直谣传说,路易斯是自杀身亡。

这位化学家一直和忧郁奋战,可能源自于诺贝尔奖委员会对他的冷漠,仅管他这一生被提名了 35 次,是记录的保持者。在路易斯死亡那天,他和朗谬(Irving Langmuir)共进午餐,朗谬因研究介面化学,获得了 1923 年的诺贝尔化学奖,那天他去柏克莱接受荣誉学位。同事们回想说,路易斯从那午餐回来后,明显地郁郁寡欢,几个小时后,他即亡故。

我们也许决无法确切知道路易斯是否自杀,不过他的事蹟却一直流传下来,不仅他的科学论文,以及他两个儿子的成就(两个儿子都是化学教授),还有他创造出来的名词。我们每次使用「photon」这个字,都在向路易斯表示些微的敬意。


原文刊载于物理双月刊2013年12月号35卷第6期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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