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《镭:居里夫妇》3:皮埃尔 精选

已有 5598 次阅读 2022-8-20 08:44 |个人分类:人物传记|系统分类:人物纪事

 一、皮埃尔的早期教育

      如果说传统的中小学教育并不适合科研人才的培养,那么皮埃尔·居里就是一个例证。 

 皮埃尔生于1859年,父亲是一名医生,母亲是一名家庭主妇。大约十四岁的时候,随父母由巴黎市区搬到郊区,先是在范特莱(Fontenayaux-Roses)居住了十年,后来又移到索镇(Sceaux)。皮埃尔没上过小学,也没上过中学,他不适应正规学校的教学方式,跟不上教学进度。老师认为他反应迟钝,是个笨孩子。其实,皮埃尔并不笨,他只是太专注于遇到的问题,爱思考,爱钻牛角尖儿,希望自己把问题弄清楚。其实,与皮埃尔类似的孩子很多,我们今天还能遇到,他们生来就是要成为科学家的。可是传统的中小学教育只是为了提高普通人的文化素养而设置的,教学的目的并不是培养科研创新人才。然而,几乎所有人的人生观和思维模式,都是在成年之前的中小学时期养成的。如果我们不能在初等教育阶段就培养孩子们勇于思考,敢于探索的精神,很难保证他们长大以后会成为创新型的人才。

       皮埃尔的父母很开明,并没有强迫他去适应那种刻板的学校教育。他们决定亲自指导皮埃尔学习。此外,皮埃尔的哥哥雅克也参与了对皮埃尔的指导。需要说明的是,雅克也没有学习过正规的中学课程。这种居家的自主学习模式看起来非常不正规,却最大限度地保持了两个孩子的天真和个性,而这两项特点在科学的探索中尤为重要。 

 皮埃尔十四岁那年,父母专门请了A·巴齐耶(A. Bazille)先生来教他初等数学和高等数学。巴齐耶先生很喜欢皮埃尔,皮埃尔也非常爱戴巴齐耶先生。我们必须承认,人是感情的动物,教师和学生之间的真挚的感情会产生良好的教学效果。在巴齐耶先生的指导下,皮埃尔的数学能力提高很快。巴齐耶先生还帮助皮埃尔学习拉丁文,皮埃尔和巴齐耶先生的儿子也成为了好朋友。

      皮埃尔十六岁时通过了法国高中的理科学业考试,可以直接申请进入法国的大学学习了。到此为止,实践证明皮埃尔父母的居家教育模式取得了成功,皮埃尔再次融入了社会。两年以后,皮埃尔取得了物理学的学士学位,可以从事自己喜欢的科学研究了。

 

二、发现压电效应

 由于家庭经济困难,大学毕业以后,皮埃尔没有继续攻读博士学位,而是担任索邦大学实验室主任德山(Desains)教授的助手。他在这个岗位上工作了五年,这是皮埃尔科研工作的正式开始。 

 皮埃尔的第一项科研工作,是用热电偶和金属线光栅测定热辐射的波长。热辐射大部分处于红外线波段,当热辐射经过金属线光栅时,会发生波的衍射现象,在不同的角度,用热电偶测得的温度并不相同,由此可以计算出热辐射的波长。如今,这种通过光栅衍射测定波长的方法已经被广泛应用在实验研究中。 

 在德山教授的实验室担任助手期间,皮埃尔和他的哥哥雅克一起发现了晶体的压电效应(Piezo-electricity)。沿着晶体的对称轴方向施加外力,晶体发生形变,晶体内的电荷重新分布,产生电极化现象。当时雅克在索邦大学的另一个实验室担任助手,他们的这项研究成果并不是偶然得到的。在十九世纪后期,晶体结构是科学研究的热点问题,皮埃尔和雅克曾经长期思考晶体的对称性和外场作用之间的几何关系,压电效应的发现只不过是验证了他们的猜想。

      后来,皮埃尔和雅克还实现了反压电效应。索邦大学的李普曼教授曾经预言压电晶体在电场内会产生形变。由于晶体的形变很不显著,实验测量非常困难。在德山教授的支持下,皮埃尔和雅克设计了恰当的实验方案,精确测量了晶体在电场内的微小形变,证实了反压电效应的存在。没有资料记载皮埃尔和雅克的实验方法,但是,用光杠杆的原理放大材料的微小形变是今天的大学物理实验中一个重要的教学内容。

       利用反压电效应,皮埃尔和雅克很快发明了一种可以测量微小电荷和微弱电流的静电计,他们把它叫做压电石英静电计(Piezoelectric quartz electrometer),这种静电测量仪器比原来的静电计灵敏得多,后来被称为居里静电计。

        关于反压电效应的故事并没有结束。1915年,皮埃尔的学生、法国物理学家保罗·郎之万(Paul Langevin)利用反压电效应发明了声呐(Sound navigation and ranging,简称Sonar),可以把高频率的电信号转化为超声波,用于探测潜艇和海底地形。压电效应和反压电效应提供了电信号和声波之间的转换机制,这种机制被广泛运用到科学研究、军事和生产的各个领域。从皮埃尔和雅克最初的研究到声呐和无线电发报机,再到家家户户的石英钟和人们佩戴的石英手表,我们可以看到实验室里进行的基础科学研究往往具有巨大的应用潜力。

 

三、理化学校的实验室主任

        1883年,皮埃尔24岁,经弗里德尔(Friedel)教授和舒曾伯格(Schuzenberger)教授推荐,担任新成立的巴黎市理化学校的首任实验室主任,舒曾伯格教授任校长。现在,这所理化学校的全称是巴黎市工业物理化学学校(法语:école supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris,缩写:ESPCI ParisTech),已经成为法国乃至全世界最著名的培养工程师的高等学府之一。它的最初的成功很大程度上是由皮埃尔和他的太太玛丽奠定的。所以说,大学最重要的资源不是奢华的大楼,也不是巨额的科研经费,而是在学校从事科研和教学工作的老师。老师的科研成就,老师的教学风格,乃至老师的逸闻趣事都将成为一所大学最独特的标签。因此,我们一定要尊重老师,不能说讲课就是你们的饭碗,想干就干,不想干就go out!更不能辱骂老师。

      理化学校刚刚建立,实验室里什么都没有,大量的建设工作都由皮埃尔这位年轻的实验室主任亲自完成。他一边建设实验室,一边还要指导学生做教学实验,可是,他的手下只有一名助手。可想而知,皮埃尔的工作多么繁重。

      工作再繁重,也不能迫使皮埃尔放弃科学研究,一个真正的科学家永远不会停止思考。既然无法开展实验研究,皮埃尔就尝试研究晶体的对称性,并且从对称性的角度解释了晶体的压电效应和反压电效应。后来,他还发明了一种不用添加小砝码,就能够快速称量物体质量的天平,后人称为居里天平(Curie balance)。

       在认识玛丽·斯可罗多夫斯卡之前,皮埃尔还完成了一项非常重要的科研工作,就是研究物质的磁性随着温度的变化。皮埃尔发现,随着温度的升高,具有强磁性的铁磁体可能转化为具有弱磁性的顺磁体,就像冰熔化成水一样。另外,顺磁体的磁化率与绝对温度成反比。如今皮埃尔的这项研究工作已经写进了物理教科书,人们把皮埃尔的研究成果称作居里定律,把铁磁相变的临界温度称为居里温度。

       尽管皮埃尔很早就取得了如此巨大的科学成就,可是,我们不得不提到,他的这些成就都是在非常艰苦的条件下取得的。在理化学校,皮埃尔的科研经费非常有限,他没有自己的实验室,大部分实验是在楼梯和一间实验室之间的走廊上完成的。皮埃尔能够取得如此巨大的科学成就,已经取得的和即将取得的,都是和他对科学研究的热情分不开的。当一个人拥有对于某种事情的非凡的热爱的时候,他可以爆发出巨大的能量和创造力,跨越一切的障碍和约束,去实现自己的理想。对于皮埃尔来说,他的科学理想也是全人类的理想。

居里夫妇结婚照.jpg



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