诺贝尔物理学奖（五）1905：勒纳德、阴极射线，和一扇小窗

配套视频（YouTube）：英文原声，可切换中文配音，中英字幕

这个系列的起点，是我的一位老师。他总愿意在朋友圈里和大家分享点什么。

我不是专家，也不是教授，只是一个喜欢科学的人。在人工智能的时代里，我常常感到迷茫，但我没有放弃自己热爱的事。

这个系列献给同样迷茫的人：献给敢于面对未知的人，献给走进未知去探索的人，也献给那些从未停下脚步、一直朝着梦想走的人。

也让我们不要忘记那些先驱者。

1892 年，波恩，一根放电管上开了一个小孔，孔上封了一片铝箔。这一集从这扇小窗讲起：阴极射线是什么，为什么要把它请出管子，勒纳德是个怎样的人，他怎么从射线拐弯量出它有多快、有多轻，又怎么知道原子大部分是空的；然后把这几步自己算一遍，再讲 1905 年的奖，最后是他和爱因斯坦、和伦琴之间的恩怨。

一扇小窗

1892 年，德国波恩大学的物理研究所。助手勒纳德在一根放电管上开了一个小孔，孔上封了一片铝箔。

他在这扇小窗上撒了几粒磷光粉，接通电源。磷光粉不用加热就能发光，射线打到它，它就亮。

1892 年，德国波恩大学的物理研究所。助手勒纳德在一根放电管上开了一个小孔，孔上封了一片铝箔。他在这扇小窗上撒了几粒磷光粉，接通电源。磷光粉不用加热就能发光，射线打到它，它就亮。他后来在诺贝尔演讲里回忆：它们亮了！他又把磷光粉放到窗外稍高一点的地方，还是亮的。

图 1　1892 年，德国波恩大学的物理研究所。助手勒纳德在一根放电管上开了一个小孔，孔上封了一片铝箔。他在这扇小窗上撒了几粒磷光粉，接通电源。磷光粉不用加热就能发光，射线打到它，它就亮。他后来在诺贝尔演讲里回忆：它们亮了！他又把磷光粉放到窗外稍高一点的地方，还是亮的。

他后来在诺贝尔演讲里回忆：它们亮了！

他又把磷光粉放到窗外稍高一点的地方，还是亮的。

管子里的阴极射线，头一次被通到了管子外面的空气里。

而十三年以后，1905 年，他因为阴极射线得了诺贝尔物理学奖。

就在这一年，爱因斯坦的一篇论文里，甚至还提到了勒纳德的另一项工作，称它是一项开创性的工作。

只不过再过十五年，他和爱因斯坦在一个会场上当面争论。又过十五年，在一座以他的名字命名的研究所里，他居然号召大家继续和「犹太精神」斗争。

这一集，就从那扇小窗讲起。阴极射线到底是什么？又为什么要把它通到管子外面来？还有他和爱因斯坦、和伦琴之间的恩怨。

请出管子

阴极射线不是勒纳德发现的。1905 年的颁奖演说一开头就说了：它是希托夫 1869 年发现的，只不过那时候太早，诺贝尔奖还没有。

一根玻璃管抽得很空，两头接上高压，接负极的那一头叫阴极。从阴极会射出一种看不见的东西，打到对面的玻璃上，玻璃就发光。这就是阴极射线，这样的管子，叫放电管。

图 2　一根玻璃管抽得很空，两头接上高压，接负极的那一头叫阴极。从阴极会射出一种看不见的东西，打到对面的玻璃上，玻璃就发光。这就是阴极射线，这样的管子，叫放电管。

先说答案。1897 年，英国的汤姆孙量出了它的质量和电荷之比，比氢离子的这个比值小得多，大约只有它的一千分之一。后来知道，它是一种比原子小得多、带负电的粒子，叫电子。

图 3　先说答案。1897 年，英国的汤姆孙量出了它的质量和电荷之比，比氢离子的这个比值小得多，大约只有它的一千分之一。后来知道，它是一种比原子小得多、带负电的粒子，叫电子。

可在这之前，它到底是什么，人们分成两派。颁奖演说里说，德国这边认为它是以太里的振动，和光差不多；英国这边，主要是克鲁克斯，认为它是一颗一颗带负电的粒子。

以太，是当时物理学家设想的一种东西：它充满整个空间，连抽空了的地方也有。光，就被看作以太里的波动，像声音是空气里的波动一样。

勒纳德自己，是从德国这一派出发的。

要弄清楚它是什么，我们最好把它拿到管子外面单独看。勒纳德在演讲里说：我想，要是能把这些射线从管子里请到外面的空气中，那该多好，那样就能直接拿它们做实验了。

管子里必须抽得很空：气多了，射线一出阴极就撞上气体分子，走不了多远，管子里只有一片辉光。可也不能抽到一点气都不剩：克鲁克斯在 1879 年的讲座里就讲过，抽得太空，电反而放不过去了。

可管子里是真空，外面是空气。开一个口，空气就进去了；不开口，玻璃又把射线挡住了。

他自己先试过一次。那时他还在海德堡给昆克当助手，造了一支管子，顶上开一个口，用一片 2.4 毫米厚的石英片封住。他在演讲里说：试验没有成功。

1892 年，有了一次机会。

那时他已经在波恩，给赫兹当助手。

他在演讲里写：有一天赫兹把我叫过去，可惜当时这种事不常有，给我看他刚发现的东西。

放电管里有一块铀玻璃，上面盖着一层铝箔。铀玻璃被阴极射线打到会发绿光，拿它就能看出射线打到了哪里；换成别的一打就亮的东西也可以，赫兹说，铀玻璃最好。铝箔盖在上面，是要看射线能不能穿过金属：铝箔不透光，箔下面要是亮了，只能是射线打的。射线从上面打下来，铝箔下面的铀玻璃亮了：射线穿过了铝箔。

图 4　放电管里有一块铀玻璃，上面盖着一层铝箔。铀玻璃被阴极射线打到会发绿光，拿它就能看出射线打到了哪里；换成别的一打就亮的东西也可以，赫兹说，铀玻璃最好。铝箔盖在上面，是要看射线能不能穿过金属：铝箔不透光，箔下面要是亮了，只能是射线打的。射线从上面打下来，铝箔下面的铀玻璃亮了：射线穿过了铝箔。

赫兹在论文里写：金属对光一点也不透，对阴极射线却多少能透过一些，这才叫人惊奇。

赫兹对他说：我们应该用铝箔把两个空间隔开，看看这些射线到底是物质里的现象，还是以太里的现象。

后来勒纳德在论文的脚注里写明：用金属箔，是赫兹教授亲自让我做的，我为此非常感激他。

接下来就是开头那一幕。他在管子顶上装上一块金属板，板上一个小孔，孔上封一片铝箔。磷光粉亮了。

图 5　接下来就是开头那一幕。他在管子顶上装上一块金属板，板上一个小孔，孔上封一片铝箔。磷光粉亮了。

这片铝箔不漏气，而射线却能穿过去。到了外面的空气里，它甚至还能走将近一分米。

他给这片铝箔起了个名字：窗。窗外那一边，叫观察室。

射线出来了，可是用眼睛却看不到。他说，把眼睛凑到窗口上是没用的，眼睛对阴极射线没有感觉。

要拿一张涂了这类发光物质的纸去接。纸亮了，就说明射线打到了。

第一集里，伦琴也是这样发现 X 射线的：眼睛看不见射线，两米外一张涂了铂氰化钡的纸屏，却亮了。

射线在空气里一边走一边散开。他说，就像把光从同一个小孔照进一缸稍微兑了水的牛奶。

图 6　射线在空气里一边走一边散开。他说，就像把光从同一个小孔照进一缸稍微兑了水的牛奶。

他又拿磁铁去偏转窗外的射线。射线弯了，他当时的解释是：磁极之间的以太变了样。但是他还站在德国这一派。

1894 年 1 月 1 日，赫兹去世，只有 36 岁。赫兹的遗著，是勒纳德整理出版的。

他的这扇窗，很快别人也用上了。1895 年底，伦琴发现 X 射线的那篇论文，第一句里提到的装置，就有勒纳德式的管子。

同一篇论文里，伦琴还称赞了勒纳德的实验。第二年，英国皇家学会把伦福德奖章同时颁给了伦琴和勒纳德。

有了这扇窗，勒纳德接着做的，是一样一样地测量：各种东西挡阴极射线，挡得有多厉害。固体、气体，他量了很多种。

他在演讲里说，结果叫人吃惊：起作用的只有重量。同样厚的铝、银、金，金最重，挡得最多；换成同样重的三层，影子一样深。东西是什么做的，是固体还是气体，几乎都不要紧。

颁奖演说里说，正是他自己的实验，让德国这一派的说法站不住了。

勒纳德的解释是：原子里大部分是空的，所以电子能穿过薄薄的铝箔。一路上，它被原子里的电力一次次拉偏、拖慢；箔厚了，走不了多远，就停下来了。

图 7　勒纳德的解释是：原子里大部分是空的，所以电子能穿过薄薄的铝箔。一路上，它被原子里的电力一次次拉偏、拖慢；箔厚了，走不了多远，就停下来了。

了解了勒纳德所做的，我们也进一步去了解一下他到底是个怎样的人？

这个人

菲利普·勒纳德（Philipp Lenard），1862 年 6 月 7 日生在匈牙利的波若尼，德语叫普雷斯堡，就是今天斯洛伐克的首都布拉迪斯拉发。父亲是酒商。

上学的时候，物理课和化学课，用他自己的话说，是「其余一片荒漠里的绿洲」。

中学时，他就和一位老师一起做磷光实验。开头小窗上那几粒磷光粉，他并不陌生：磷光这个题目，他前前后后做了四十年。

1903 年那一集里，贝克勒尔也是从磷光出发的：他想查会发磷光的铀盐，是不是也会放出 X 射线那样的东西，结果发现了放射性。

图 8　1903 年那一集里，贝克勒尔也是从磷光出发的：他想查会发磷光的铀盐，是不是也会放出 X 射线那样的东西，结果发现了放射性。

1903 年那一集里，贝克勒尔也是从磷光出发的：他想查会发磷光的铀盐，是不是也会放出 X 射线那样的东西，结果发现了放射性。

阴极射线，他也很早就遇上了。他在诺贝尔演讲里说，一切要从二十六年前说起：那是 1880 年，他读了克鲁克斯讲「辐射物质」的讲座，印象极深。

中学毕业，他先在布达佩斯和维也纳的工学院念了两个学期，都不满意，又在父亲的生意里帮了一年忙。1883 年，他才到海德堡，开始学物理。

顺便说一句，海德堡我去过，我很喜欢那里，是一座很美的城市。

在海德堡，他跟昆克和本生学物理，又去柏林念了一年。博士论文讲下落的液滴怎么振动，题目是亥姆霍兹建议的。1886 年，他在海德堡拿到博士。

之后他留下给昆克当助手，自己造了一台水银抽气泵，能抽到很高的真空。水银又重、又是液体，能把管子里剩下的气，一小份一小份地赶出去。他说，这种泵当时在物理研究所里，远不是常备的东西。前面那支封着石英片的管子，就是这时候做的。

赫兹去世以后，他先后去了布雷斯劳、亚琛、海德堡，1898 年在基尔当上正教授，1905 年得奖时就在那里。

第二年，他在诺贝尔演讲一开头说：我绝不总是摘果子的那些人；好几次，我只是种树、照料树的人。

勒纳德：

1862 年 6 月 7 日，生于普雷斯堡（今布拉迪斯拉发）
约 1880 年，读克鲁克斯的「辐射物质」讲座
1883 年起，在海德堡学物理，又在柏林念了一年
1886 年，海德堡博士
1886–1889 年，海德堡，昆克的助手
1891 年（一说 1892 年）起，波恩，赫兹的助手
1892 年，铝箔窗
1894 年，布雷斯劳；1895 年，亚琛；1896 年，海德堡
1896 年，和伦琴同获伦福德奖章
1898–1907 年，基尔大学正教授
1902 年，光电效应论文：电子的最大速度和光强无关
1905 年，诺贝尔物理学奖
1907 年起，海德堡大学教授
1920 年 9 月，巴特瑙海姆，和爱因斯坦辩论
1935 年 12 月，海德堡的物理研究所改名「菲利普·勒纳德研究所」
1936 年，《德意志物理学》第一卷
1937 年，加入纳粹党
1947 年 5 月 20 日，在梅瑟尔豪森去世

两说并列

有几件事，材料之间对不上，我们把两边都写出来。

到波恩给赫兹当助手是哪一年，德国人物辞典 NDB 写 1891 年 4 月，诺贝尔官网的传记写 1892 年起。能用一手定下来的是：1892 年 5 月，他已经在波恩发表论文，署名是波恩大学物理研究所；诺贝尔演讲里也说，1892 年他是赫兹的助手。

窗口实验从哪一年开始，NDB 和德国历史博物馆写 1892 年，官网和 1905 年的颁奖演说写 1893 年。1893 年 1 月，他在柏林科学院的会刊上先发了一篇简报。

1922 年海德堡那件事，NDB 写 6 月 22 日，德国历史博物馆写 6 月 27 日。拉特瑙 6 月 24 日才遇刺，《柏林日报》6 月 25 日晨刊报道了遇刺；6 月 22 日在遇刺之前，对不上。海德堡这场风波，《柏林日报》6 月 28 日晚刊才登，说的是前一天的事，所以更可能是 27 日。那篇报道没有写停课和拉特瑙有关；把两件事连在一起的，是 1937 年的纳粹纪念册。

拐弯的射线

从希托夫那时候起，人们就知道，阴极射线遇到磁铁会拐弯。

后来又发现，两块带电的金属板夹着它，它也会拐弯。

后来又发现，两块带电的金属板夹着它，它也会拐弯。被电板拉弯，说明它带着电；它弯向带正电的那块板，说明带的是负电。磁铁让它拐弯的方向，也正是一束跑动的负电该拐的方向。

图 9　后来又发现，两块带电的金属板夹着它，它也会拐弯。被电板拉弯，说明它带着电；它弯向带正电的那块板，说明带的是负电。磁铁让它拐弯的方向，也正是一束跑动的负电该拐的方向。

被电板拉弯，说明它带着电；它弯向带正电的那块板，说明带的是负电。磁铁让它拐弯的方向，也正是一束跑动的负电该拐的方向。

拐弯拐得多厉害，跟它跑得多快、每一份质量上带多少电有关。反过来，在磁铁下量一次拐弯，在电板之间再量一次，两个合起来，就能把这两个数都算出来。

图 10　拐弯拐得多厉害，跟它跑得多快、每一份质量上带多少电有关。反过来，在磁铁下量一次拐弯，在电板之间再量一次，两个合起来，就能把这两个数都算出来。

赫兹和舒斯特都这样量过，可两人的结果对不上。

勒纳德觉得，毛病出在管子里面：里面有气体，又有放电，什么都搅在一起。

汤姆孙最先把这个测量发表出来，他做的时候，射线还在管子里。

勒纳德要在管子外面量：射线从窗里出来，进到另一个抽成高度真空的空间，那里没有气体，也没有放电，只有射线自己。

在那样的真空里，射线能走好几米，又直又清楚，像光一样。

勒纳德要在管子外面量：射线从窗里出来，进到另一个抽成高度真空的空间，那里没有气体，也没有放电，只有射线自己。在那样的真空里，射线能走好几米，又直又清楚，像光一样。

图 11　勒纳德要在管子外面量：射线从窗里出来，进到另一个抽成高度真空的空间，那里没有气体，也没有放电，只有射线自己。在那样的真空里，射线能走好几米，又直又清楚，像光一样。

他量出来的结果是：射线跑的速度，大约是光速的三分之一。

每一份质量上带的电，大约是电解里氢原子的一千倍。

电解里的氢离子，是当时知道的每一份质量带电最多的东西。射线里那个带电的东西，要么电荷是它的一千倍，要么质量只有它的一千分之一。

图 12　电解里的氢离子，是当时知道的每一份质量带电最多的东西。射线里那个带电的东西，要么电荷是它的一千倍，要么质量只有它的一千分之一。

电解里的氢离子，是当时知道的每一份质量带电最多的东西。射线里那个带电的东西，要么电荷是它的一千倍，要么质量只有它的一千分之一。

勒纳德的说法是：我们在阴极射线里找到的，是没有物质的电，是没有带电物体的电荷。

今天我们叫它电子，它的质量差不多是氢原子的一千八百分之一。

图 13　今天我们叫它电子，它的质量差不多是氢原子的一千八百分之一。

穿过去的空

前面讲过，阴极射线被挡多少，大致只看挡在前面那一层，每一块面积上有多重。

图 14　前面讲过，阴极射线被挡多少，大致只看挡在前面那一层，每一块面积上有多重。

勒纳德由此推了一步：各种原子不是本质上不同，只是同一种基本材料的多少不同。

他让两束射线从相反的方向穿过同一个空间，两束互相一点也不干扰。

他让两束射线从相反的方向穿过同一个空间，两束互相一点也不干扰。他说，这说明射线里的电，是一个一个很小的颗粒，中间隔着大片的空间。

图 15　他让两束射线从相反的方向穿过同一个空间，两束互相一点也不干扰。他说，这说明射线里的电，是一个一个很小的颗粒，中间隔着大片的空间。

他说，这说明射线里的电，是一个一个很小的颗粒，中间隔着大片的空间。

射线跑多快，看管子两头加多大的电压，电压越高越快。越快的射线，越容易穿过去。

图 16　射线跑多快，看管子两头加多大的电压，电压越高越快。越快的射线，越容易穿过去。

用最快的射线去试，他得出：一立方米又重又密的铂块里，真正挡得住射线的部分，加起来最多一立方毫米，只有针头那么大；其余的地方，和天空一样空。

图 17　用最快的射线去试，他得出：一立方米又重又密的铂块里，真正挡得住射线的部分，加起来最多一立方毫米，只有针头那么大；其余的地方，和天空一样空。

原子里大部分是空的。后来，卢瑟福根据阿尔法粒子打金箔的实验，1911 年推断出原子中间有一个很小很重的核。阿尔法粒子带正电，比电子重几千倍。

他在这些年里还做了另一项研究：光照在金属上，会打出电子来。1902 年他发现，打出来的电子最快能跑多快，和光的强弱无关；光强一些，打出来的只是更多。

三年后，爱因斯坦在一篇论文里提到了这项工作，称它是开创性的。爱因斯坦给这个结果的解释，后来让他得了 1921 年的奖。那是另一集的故事。

同一个结果，两种解释

这里只说一句两人的分歧。勒纳德自己的解释，写在 1902 年的论文里，也讲在诺贝尔演讲里：电子出来时的能量根本不来自光，而来自原子内部本来就有的剧烈运动，光只起触发的作用，就像点燃一支上了膛的枪的引信。

爱因斯坦 1905 年的解释正相反：能量就来自光。光是一份一份的，一份光的能量只和频率有关，是 $h\nu$ 。一个电子吸收一份光，花掉一部分能量离开金属，剩下的就是它出来时的动能。所以光强只决定打出多少个电子，不决定电子最快能跑多快；电子出来时最大的动能，随频率沿一条直线上升：

\tfrac{1}{2} m v_{\max}^{2} = h\nu - P

$P$ 是电子离开这种金属要花的能量。

1916 年，美国的密立根用实验量出了爱因斯坦方程预言的那条直线，结论是方程经得起他设计的每一项检验。可在同一篇论文里，他说爱因斯坦的光量子假说大胆，甚至鲁莽，背后的理论看来完全站不住。他证实了方程，却不接受方程背后的光量子。

那么，射线拐弯，怎么就能算出它多快、有多轻？我们来算一下。

从头算一遍

先让射线同时经过电场和磁场。电场把带电的东西往一边推，力的大小是电荷 e 乘电场强度 E。磁场和射线方向垂直的时候，它推跑动电荷的力，大小是电荷 e 乘速度 v 乘磁场强度 B；电场、磁场、射线三者两两垂直，方向摆对，这个力就和电场的推力正好相反。把电场调到某个值，两个力正好相等，射线一点不拐，直直地过去。

图 18　先让射线同时经过电场和磁场。电场把带电的东西往一边推，力的大小是电荷 e 乘电场强度 E。磁场和射线方向垂直的时候，它推跑动电荷的力，大小是电荷 e 乘速度 v 乘磁场强度 B；电场、磁场、射线三者两两垂直，方向摆对，这个力就和电场的推力正好相反。把电场调到某个值，两个力正好相等，射线一点不拐，直直地过去。

先求速度。 让射线同时经过电场和磁场。电场推带电粒子的力是 $eE$ ；磁场和射线方向垂直的时候，推跑动电荷的力是 $evB$ 。电场、磁场、射线三者两两垂直，方向摆对，这个力就和电场的推力正好相反。把电场调到两个力正好相等，射线一点不拐，直直地过去：

eE = evB \quad\Longrightarrow\quad v = \frac{E}{B}

例子：电场每米三万伏，磁场一毫特斯拉：

v = \frac{3\times10^{4}\ \mathrm{V/m}}{1\times10^{-3}\ \mathrm{T}} = 3\times10^{7}\ \mathrm{m/s} \approx \frac{c}{10}

这时 e E 等于 e v B，两边消掉 e，速度 v 就等于 E 除以 B。举个例子：电场每米三万伏，磁场一毫特斯拉，速度就是每秒三千万米，大约光速的十分之一。

图 19　这时 e E 等于 e v B，两边消掉 e，速度 v 就等于 E 除以 B。举个例子：电场每米三万伏，磁场一毫特斯拉，速度就是每秒三千万米，大约光速的十分之一。

再把电场关掉，只留磁场。磁力一直和速度垂直，射线就沿着一段圆弧走。圆周运动要的向心力，等于质量 m 乘 v 平方除以半径 r。这个力就是磁力 e v B。所以 m v 平方除以 r，等于 e v B，整理一下，e 除以 m，等于 v 除以 r 和 B 的乘积。

图 20　再把电场关掉，只留磁场。磁力一直和速度垂直，射线就沿着一段圆弧走。圆周运动要的向心力，等于质量 m 乘 v 平方除以半径 r。这个力就是磁力 e v B。所以 m v 平方除以 r，等于 e v B，整理一下，e 除以 m，等于 v 除以 r 和 B 的乘积。

再求荷质比。 关掉电场，只留磁场。磁力一直和速度垂直，射线沿一段圆弧走，磁力就是向心力：

\frac{m v^{2}}{r} = e v B \quad\Longrightarrow\quad \frac{e}{m} = \frac{v}{rB}

量出圆弧的半径约 0.17 米，代进去：

\frac{e}{m} = \frac{3\times10^{7}}{0.17 \times 1\times10^{-3}} \approx 1.76\times10^{11}\ \mathrm{C/kg}

量出圆弧的半径，大约十七厘米，代进去：每千克一点七六乘十的十一次方库仑。

图 21　量出圆弧的半径，大约十七厘米，代进去：每千克一点七六乘十的十一次方库仑。

和氢离子比。 电解里，析出 1 摩尔氢原子（约 1.008 克，也就是半摩尔氢气）要通过 1 法拉第的电，约 96485 库仑，所以氢离子的荷质比是

\frac{96485\ \mathrm{C}}{1.008\times10^{-3}\ \mathrm{kg}} \approx 9.6\times10^{7}\ \mathrm{C/kg}

两个一比：

\frac{1.76\times10^{11}}{9.6\times10^{7}} \approx 1800

电解里氢离子的这个比值，大约每千克九千六百万库仑。两个一比，差了一千八百多倍。勒纳德当年量出来是一千倍左右。数不一样，结论一样：射线里的东西，比最轻的原子轻得多。

图 22　电解里氢离子的这个比值，大约每千克九千六百万库仑。两个一比，差了一千八百多倍。勒纳德当年量出来是一千倍左右。数不一样，结论一样：射线里的东西，比最轻的原子轻得多。

差了一千八百多倍。勒纳德当年量出来是一千倍左右。数不一样，结论一样：射线里的东西，比最轻的原子轻得多。

为什么例子取光速的十分之一。 上面用的是牛顿力学。第一步不受影响：两个力相等时 $v = E/B$ ，在相对论里照样成立。要改的是第二步：粒子跑得越接近光速，它在磁场里走的圆弧，半径就比牛顿力学算的越大，大出的倍数是

\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^{2}/c^{2}}}

光速的十分之一时 $\gamma \approx 1.005$ ，用上面的式子算出的荷质比只偏小千分之五；要是取勒纳德量到的光速的三分之一， $\gamma \approx 1.061$ ，就要偏小约百分之六。

再说那条只看重量的规律。挡住射线的，是每平方厘米上有多少克，就是密度乘厚度。层不太厚的时候，每多一份同样的质量厚度，透过去的射线大致按同样的比例少一截。铝、银、金，只要每平方厘米的克数一样，挡掉的比例就差不多一样，这就是勒纳德量出来的结果。

图 23　再说那条只看重量的规律。挡住射线的，是每平方厘米上有多少克，就是密度乘厚度。层不太厚的时候，每多一份同样的质量厚度，透过去的射线大致按同样的比例少一截。铝、银、金，只要每平方厘米的克数一样，挡掉的比例就差不多一样，这就是勒纳德量出来的结果。

只看重量的规律。 射线被挡多少，看的是每平方厘米上有多少克，叫质量厚度，就是密度乘厚度：

\text{质量厚度} = \rho\, d

层不太厚的时候，每多一份同样的质量厚度，透过去的射线大致按同样的比例少一截。设每一份让射线剩下比例 $q$ ，叠 $n$ 份，就剩 $q^{n}$ ；写成连续的形式，就是

\frac{I}{I_{0}} \approx e^{-k\,\rho d}

勒纳德量到的是：铝、银、金的 $k$ 差不多一样。只要每平方厘米的克数一样，挡掉的比例就差不多一样。（层厚了，这个式子就不对了：同一速度的电子有一个大致确定的射程，厚到一定程度，一个也过不去。）

那块铂。 一立方米里最多一立方毫米：

\frac{1\ \mathrm{mm^{3}}}{1\ \mathrm{m^{3}}} = \frac{1}{(1000)^{3}} = 10^{-9}

十亿分之一。

勒纳德 1905 年的奖，官方的得奖理由是：因为他在阴极射线上的工作。

那么，这一年的奖，是怎么给到他手里的？

1905 年 12 月，斯德哥尔摩

这个系列的第一集讲过：1901 年，第一届诺贝尔物理学奖，物理委员会的五个委员，提名的都是伦琴和勒纳德两个人。科学院只把奖给了伦琴。

四年以后，才轮到他。

1905 年的物理学奖，一共收到 27 条提名，勒纳德只有 2 条。

被提名最多的是汤姆孙，13 条。提他的人里，有居里夫妇、洛伦兹、伦琴、开尔文、瑞利、拉姆齐，前几集里都出现过。

奖最后颁给了勒纳德。

1905 年 11 月 9 日，瑞典科学院做了决定。他的证书今天在德意志博物馆，上面的理由只有一句：为了他关于阴极射线的工作。

12 月 10 日，斯德哥尔摩。勒纳德没有来，奖由德国公使代领。同一年的化学奖得主拜耳也没有来。

同一年的诺贝尔奖年鉴里，他的小传写着：应当把勒纳德看作伦琴发现的先驱和开路人。

颁奖演说里说：前几年得了诺贝尔奖的伦琴、贝克勒尔和居里夫妇，他们那些革命性的发现，都可以看作这股推动结出的果实。

这是 1905 年斯德哥尔摩的说法。

他的诺贝尔演讲推迟到了第二年的 5 月 28 日。讲到伦琴，他说：伦琴是第一个用上述那种管子的人。人们一般说这是一个幸运的发现；可是有了那种管子，在我看来，到了那一步，这个发现是必然要被做出来的。

档案里写了什么

1905 年那 27 条提名，勒纳德的 2 条，一条是范托夫（van ‘t Hoff）单独提他，一条是皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）把他和亥维赛（Oliver Heaviside）并列提名。

汤姆孙的 13 条，提名人除了上面几位，还有洛克耶、洛奇等人。汤姆孙第二年得了奖。

其余 12 条里，李普曼 3 条；布劳恩 1 条，提名人是勒纳德的老师昆克，他 1909 年得奖；玻尔兹曼 1 条，提名人是普朗克。还有 1 条提的是布朗德洛，就是「N 射线」的提出者：1904 年 9 月，美国的伍德在《自然》上发表《N 射线》一文，揭穿了它。可第二年，布朗德洛还是被提名了。

档案只记谁提了谁。委员会为什么在 2 条和 13 条之间选了 2 条，提名档案的网页上没有写。

勒纳德也不是第一次被提。1901 年有 6 条，1904 年有 3 条。

奖金

1905 年的奖金是 138,089 瑞典克朗。

之后

1897 年，米列娃在海德堡旁听过勒纳德讲课。她写信给爱因斯坦说，昨天勒纳德教授的课真好。

1901 年，爱因斯坦读了勒纳德的一篇论文，写信给后来的妻子米列娃说，读得满心幸福和喜悦。

转折在 1918 年。勒纳德发表文章，反对爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论里有一个说法：火车猛地刹车，可以说是火车变了速；也可以把火车当作不动，这时车里就多出一个引力场，车里的东西是被它甩碎的。爱因斯坦说，这不是两种对立的猜测，而是同一件事的两种说法。

勒纳德举的就是一列火车：火车猛地改变运动，车里的东西全摔碎了，车外一切完好；任何健全的理智，都只会认为是火车变了，而不是周围变了。

1920 年 8 月，爱因斯坦在《柏林日报》头版写了一篇回应。他说：在有国际声望的物理学家里，明确反对相对论的，我只知道勒纳德一个。我钦佩勒纳德是实验物理的大师；可他在理论物理上还毫无建树，他的反对意见肤浅得很。

一个月后，在德国巴特瑙海姆的一次物理学会议上，两个人当面辩论。

勒纳德说：一个自然科学家的朴素理智，在这个理论面前碰了壁。

爱因斯坦答：什么叫直观，是随时代变的。物理学是靠概念的，不是靠直观的。

相对论里，用不着那种让光在里面传播的以太。勒纳德最后说：还是不要宣布「废除以太」为好。

印出来的会议记录里，这是一场关于物理的争论。

1921 年的物理学奖，勒纳德提名的是反对相对论的格尔克。1923 年、1924 年，他又提了两次。

1922 年 6 月 27 日，海德堡。校长下令停课，勒纳德照常上课。

工人们赶来，被消防水龙喷，被学生扔石头。后来勒纳德被拘押，走过新桥的时候，差一点掉进河里。

第二天《柏林日报》的报道，没有写为什么要停课。

三天前，6 月 24 日，德国外交部长拉特瑙在柏林街头被枪杀。

十五年后，一本纳粹时期的纪念册讲的是另一个版本：那天是拉特瑙的葬礼，勒纳德没有给研究所挂旗；冲进来的是犹太学生带领的暴民，他们威胁要把他扔进内卡河。

同一件事，两种讲法。

1933 年，纳粹上台。他 71 岁生日那天，帝国总统授给他帝国鹰盾，背面刻着：献给伟大的德国物理学家。

1935 年 12 月，海德堡大学的物理研究所改名叫「菲利普·勒纳德研究所」。《自然》杂志报道，他在仪式上号召大家继续有力地和「犹太精神」斗争。

1936 年，他出了四卷本《德意志物理学》的第一卷。书的开头写：人们没有足够清楚地认识到，正如跳蚤和大象的心智不同，不同人种和民族的精神也彼此不同。

这套书的第 4 卷里，X 射线不叫伦琴射线，叫高频射线。他在脚注里写：「伦琴射线」这个名字是医生们起的；用人的名字给自然现象命名，不合适。

同一年的纳粹党代会上，希特勒授给他纳粹党的文化奖。1937 年，他加入了纳粹党。

他还写过一本讲历代大科学家的书。讲到 X 射线，书里只写高频射线的发现。1938 年的英译本，从头到尾没有出现伦琴的名字。1943 年这本书在德国出第 6 版，扉页印着一句希特勒的话。

1942 年他 80 岁，布拉迪斯拉发的大学授给他名誉博士，他出生的那条街改了他的名字。

从留下来的文字看，这份怨是勒纳德单方面的：伦琴在论文里提到他，是把他那种管子列为可用的装置之一，还称赞了他的实验。

而这些书出版的时候，伦琴已经不在了。他 1923 年 2 月在慕尼黑去世，比纳粹上台还早十年。

1947 年 5 月 20 日，勒纳德在德国梅瑟尔豪森去世，84 岁。

2020 年 8 月 12 日，国际天文学联合会把月球上以勒纳德命名的那个环形山的名字取消了。

那扇窗没有被取消。1925 年，美国通用电气的库利吉在《科学》杂志上发表文章，开头第一句就是：勒纳德成功地把电子从阴极射线管里，经过一扇薄薄的金属窗，打到了空气中。

今天给医疗器械灭菌、给食品包装消毒，用的电子束，也是从真空里经过一片 6 到 10 微米的钛箔打出来的。

那片箔，就是 1892 年那扇小窗。

那天，在波恩，几粒磷光粉亮了。

图 24　那天，在波恩，几粒磷光粉亮了。

那天，在波恩，几粒磷光粉亮了。

回看勒纳德这一生：从一扇让射线走进空气的小窗，到诺贝尔奖；从一个把实验做得极细的物理学家，到一个按民族来分物理的人。

他有自己的坚持，这份坚持后来变成了固执。他有实实在在的贡献，可这些贡献，抵消不了他在政治上走的那条路。

小到我们每个人，大到被人称作伟人的人，只要是人，就有不完美的地方。勒纳德是一个例子。

所以，对任何理论，都不该故步自封；对任何人，都不该盲目崇拜。

下一集是 1906 年，汤姆孙。就是 1905 年得了 13 条提名、却没有得奖的那一位。

参考来源

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