伦琴与X射线的发现

19世纪末物理学领域有3大发现是具有里程碑意义的，分别是X射线的发现、放射性的发现、电子的发现。其中X射线的发现是一个偶然的巧合，说起来有这么一个小故事。

X射线的发现起源于对阴极射线的研究。所谓阴极射线就是真空管内的金属电极在通电时其阴极发出的射线，射线受到磁场影响，具有能量。19世纪末，关于阴极射线的本质问题吸引了许多科学家。德国维尔茨堡大学的物理学教授伦琴就是众多的研究者之一。

1895年，身为彼茨堡大学校长的伦琴教授有一次在学校物理研究所大楼的实验室内研究阴极射线时，发现了一件怪事：有一包用黑纸包得很好的照相底片全部感光了。他试验了多次，都得到了同样的结果。伦琴敏感地注意到这种情况以前从未发生过，他怀疑是刚装在实验室内的阴极射线使底片感光了。

为了把这件怪事弄清楚，也为了使底片自动感光的事不再发生，一个傍晚，年过半百的伦琴，一手拄着手杖，一手拿着一本厚厚的科学专著，和往常一样，独自来到实验室，继续研究阴极射线，他关上了所有的门窗，接通了电源，检验黑纸是否漏光。就在这时，他忽然看到一道绿色的荧光在漆黑的实验室里闪烁。伦琴感到很奇怪，便自言自语道：“这光是从哪儿来的？”他立即打开电灯，发现原来发光物是离放电管2米远处的一个工作台上的氰化钡荧光屏。他一关掉阴极射线管的电源，荧光屏就不发光了；但是只要一接通阴极射线管电源，荧光屏就又发光了。他反复做了多次实验，终于证明确实是荧光屏在发光。

伦琴在奇怪之余也感到很兴奋。有一点他觉得很奇怪：阴极射线在空气中能通过的距离只有几厘米，而阴极射线管又已经被厚厚的黑纸包裹起来了，2米远处的荧光屏又怎么可能会因此而发光呢？兴奋的伦琴冥思苦想，不禁喃喃自语：“射线管是通电的，那么荧光屏发光的原因是什么呢？难道是射线中有某种未知射线，射到荧光屏上引起它发光吗？”想到这儿，伦琴随手把一本书挡在射线管和荧光屏之间，想看看这样荧光屏还会不会发光，结果是荧光屏依然会发光。他将荧光屏再移远一些，上面仍然发光。原来这种射线竟然能够穿透固体物质。

一次，伦琴偶然把手伸到射线管和荧光屏之间，手的影子竟然出现在荧光屏上。再仔细一看，荧光屏上赫然出现了一只黑色的手骨骼的影子，这简直令伦琴瞠目结舌。伦琴怀疑是自己看错了，他把眼睛狠狠地揉了几下，又定睛细望，眼前清清楚楚出现一只手的骨骼，他试着弯弯手指，握握拳头，屏幕上的手也跟着做出同样的动作，看到这一幕时，伦琴高兴极了。

1895年12月，伦琴做了一个更有意义的实验。这天，他的夫人来到实验室，伦琴让她把手放在黑纸包严的照相底片上，然后用这种射线对准照射了15分钟。显影后，底片上呈现出伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也清晰可见。这成了一张有历史意义的照片。夫人惊奇地问：“什么射线有这么大的魔力？”伦琴回答：“无名射线。”夫人顺口说：“又是一个X！”此刻伦琴心头一亮，接着他说道：“那就叫它X射线吧！”

伦琴公布了他的发现，立即震惊了全世界。他那生物骨骼的X射线照片，引起了人们的好奇心。几天后，全世界的报纸都报道了这个重大发现。差不多有名望的科学家都重复做了这个实验。在美国报道伦琴发现X射线的新闻4天后，就有人用X射线发现了患者足部的子弹。于是，X射线很快被应用于医学，从而创立了X射线学。X射线的发现为后来物理学的发展提供了一个有力的工具。

X射线的发现给伦琴带来了巨大的荣誉。1901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。

如今，X射线已经被广泛应用于晶体结构研究、医学、金属探测和透视等方面，人类因此受益匪浅。

爱因斯坦与他的相对论

自17世纪以来，人们一直将牛顿力学视做全部物理学，甚至是整个自然科学的基石，并运用它来研究所有物体的运动。进入20世纪后，科学家们发现传统的理论体系在解释一些新的物理实验中产生的现象时已经无能为力。曾经对牛顿力学坚信不疑的科学家们陷入了迷茫，尽管他们无力调和新发现和旧理论之间的矛盾，但他们仍然不曾对牛顿力学产生过丝毫的怀疑。就在这场物理学革命中，爱因斯坦选择了与其他科学家明显不同的方向，最终在牛顿力学的基础上，成功地提出了狭义相对论。

爱因斯坦的狭义相对论建立在相对性原理和光速不变原理这两条基本原理之上。

根据狭义相对论的两条基本原理，可以推导出一些前人无法想象的结论。比如，宇宙飞船上的一切过程都会比在地球上慢半拍。而宇宙飞船的速度越快，这种时间的延迟就会越明显。假如飞船以每秒3万千米的飞行速度飞行的话，那么飞船上的人过了1年，地球上的人就过了1.01年；假如飞船以每秒29.99万千米的速度飞行，那么飞船上的人过了1年，地球上的人已经过了50年了。

此外，狭义相对论还可以推导出物体的质量与运动有着紧密的联系，即随着运动速度的增加，其质量也会增加以及质量和能量可以互相转换的结论。爱因斯坦得出的质能关系式为：E=mc2，其中m表示物体的质量，c表示光速，E是同m相当的能量。这个方程式揭示了原子内部隐藏着巨大能量，并成为原子能应用的主要理论基础，启发了高能物理学家和原子核物理学家的科学研究。

有一点需要说明：物质在低速运动时，相对论的效应不易显示出来，也很难被察觉，因此牛顿力学与相对论的结论非常接近。相对论力学只适用在当速度大到能够和光速相比拟的情况下。所以我们在现在日常生活的各个领域中，还必须应用牛顿力学的原理和方法。

1912年10月，爱因斯坦任教于苏黎世大学。在此期间，他继续钻研，进一步充实和丰富了狭义相对论的思想。1913年，爱因斯坦发表了一篇论文，题为《广义相对论和引力理论纲要》。这篇重要的论文是爱因斯坦和他的老同学数学教授格罗斯曼合作写成的。这篇论文的发表具有重大的意义，它为广义相对论的建立扫清了障碍。

1915年，爱因斯坦终于完成了创建广义相对论的艰巨工作。次年，他发表了《广义相对论的基础》一文。在这篇总结性的论文中，他提出了与200年来在科学界占垄断地位的牛顿引力方程不同的新的引力方程。人们称誉这篇论文为20世纪理论物理学的巅峰。

后来，爱因斯坦又在广义相对论的基础上提出了3大预言：光线在太阳引力场中将发生弯曲；水星近日点运动；引力场中的光谱线向红端移动。

1919年5月29日，发生了一次日全食，英国分别派出了两支天文考察队，在两个地点进行了独立观测。这次被清晰地拍摄下来的日食的星光照片结果证实了爱因斯坦的预言是正确的。光线不但如爱因斯坦所言是弯的，就连弯曲的程度和数值也和爱因斯坦的计算结果相吻合。爱因斯坦的其余两个预言也在后来相继得到证实。

爱因斯坦被誉为“20世纪的牛顿”，他的广义相对论如今已成为现代物理学最主要的理论基础，从而宣告了原子理论时代的到来。

这一理论成为20世纪以及以后世纪里宇宙航行和天文学主要的理论基础。这位著名的科学家于1955年在美国普林斯顿与世长辞，但他的名字将永远留在人们心中。