耿直的物理学家劳厄是如何做出“物理学上最美的实验”的

最美实验新发现。

1895年，伦琴发现了X射线，但X射线究竟是什么呢？

有个物理学家认为，X射线是电磁波。他设想，只要X射线的波长与晶体中原子(离子)之间的距离相接近，用X射线照射晶体时，就能观察到电磁波的干涉现象。在他的鼓励下，两个年轻人做了这个实验，于1912年获得成功：X射线穿过晶体发生干涉，在底片上形成规则的图案。这个解释了晶体微观规律的实验，被爱因斯坦誉为“最美的实验”。

而这个物理学家，就是马克思·冯·劳厄。

“很多人都认为X射线是粒子流，但我还是认为它是电磁波，只是现在还没人能证明而已。”

1909年夏，在德国慕尼黑大学物理学院的一处会议室里，年轻的物理学教授马克斯·冯·劳厄激动地讲道。

在座的几位都是他的同行，其中包括伦琴的学生克尼平、本校索菲末教授的助教弗利德里奇、慕尼黑大学物理学高材生厄瓦尔等。

大家经常聚会，彼此熟悉，所以说话也比较直接。

德国慕尼黑大学，图片来源留学网

作为欧洲乃至世界最具声望的综合性大学之一，慕尼黑大学20世纪初有两位著名教授颇受欢迎，其中一位就是劳厄。

劳厄除了讲课精彩外，还经常邀请同行来参加研讨，研讨主题通常是当时的前沿科技和科学新概念。

从1908年开始，劳厄主持研讨的主题就是：X射线本质的探讨。1895年物理学家伦琴在极偶然的情况下发现X射线并因此获首届诺贝尔物理学奖。

自此，关于它本质问题的讨论就很火，且有愈演愈烈的趋势。

这才有劳厄在讨论会上发言的一幕。

同行热论新射线

劳厄与厄瓦尔、克尼平等讨论激烈，谁也说服不了谁。

“是不是可以用X射线照射固体，根据照射情况来判定？”厄瓦尔突然提出一个建议。

“应该是用X射线照射晶体，看是否产生干涉现象。因为一般固体的内部结构和运动形式太复杂了，晶体不但内部结构简单且有一定规律。”劳厄也来了灵感，“如果产生干涉现象，那X射线就是电磁波。”

波的衍射现象示意图，图源来源新物理网

劳厄说得很有道理。波具有折射、干涉、衍射等，如果X射线也像光一样会折射、干涉的话，那它肯定是电磁波。

问题是X射线的波长很短很短，折射率很小很小，以当时的技术，科学家们根本观察不到它的折射情况。劳厄只有通过观察X射线的干涉或衍射才能证明它是不是电磁波。

毕竟研究X射线有些年头，劳厄一语中的。但他更明白，要证明这点，一定要策划精密的实验。朋友爱因斯坦也这样对他讲过。

最美实验新发现

好事多磨。正当劳厄准备找厄瓦尔等同行进行实验的时候，他接到去法国法兰克福大学等名校考察的通知，这一拖就是3年。

1912年春，他一回到慕尼黑大学就找来厄瓦尔、弗利德里奇，开始做追寻X射线本质的实验。

他让厄瓦尔制作了一组器材，包括持续发光的X射线光源、照相底片、规则的方形晶片，其中方形晶片的大小只是照相底片的一半。

试验中，他先让弗利德里奇屏蔽自然光，再把X射线的光源与照相底片平放桌上，相距约一米，最后把方形晶片放在光源与底片的正中间。

他们观察发现，照相底片有排列规则的斑点群。很显然，斑点群是X射线穿透方形晶片产生的。

劳厄展示的X射线晶体绕射实验结果，

图片来源物理双月刊网

“这应该是衍射现象，”厄瓦尔先道，“衍射现象说明，X射线具有电磁波的性质。”

“有道理。不过我们还要多试几种晶片，至少十种，免得人家说这是巧合。”劳厄强调。

接下来，他们又在实验中更换了多种不同物质的晶片，结果底片都出现有斑点群。换言之，就是X射线穿透晶片时发生了衍射现象。

所谓衍射，是指波在传播过程中，如果遇到波长较小的物体阻挡，波可以绕过去继续传播。声波就是最好的例子。

很快，劳厄发表了一篇关于X射线的论文。文中，他从光的衍射理论入手，用几何方法解释了X射线在晶体中的衍射理论，最后总结说X射线是一种电磁波，未来将有重要的用途。

他还在文中指出，不同晶体在接受X射线辐射时所产生的衍射花样，也可以反映出晶体内部的原子分配规律，这就是X射线衍射的基本原理。

劳厄的实验原理，图片来源新物理网

爱因斯坦看到挚友的论文后感叹道，这个揭示晶体微观规律的实验是“物理学上最美的实验”，劳厄也由此获得了1914年的诺贝尔物理学奖。

劳厄发现的X射线衍射理论，后来被应用到研究金属和合金的晶体结构上，并且获得很多具有重大意义的新发现。

X射线衍射的发现，促进了X射线分析的发展，随着技术的革新，它与计算机技术结合，加快了晶体研究的分析速度和准确性。

科学家由此发明了专门用于研究矿石原子结构的X射线衍射仪，用来对地球深度的岩石进行拍摄。

可以说，正是因为有了X射线衍射理论，才能给地球拍出一张准确的“胸透片”。

另一方面，劳厄从理论到实验证明了X射线具有电磁波的特性，与晶体相遇会发生衍射现象，这一理论有效推动了固体物理学的发展，是固体物理学上里程碑式的发现。

科学楷模竞相赞

发现X射线的晶体衍射获得诺贝尔奖后，劳厄又到苏黎世大学、法兰克福大学、洪堡大学等高等学府任教，深受师生们好评。

1919年，他回到德国柏林大学任物理学教授。此后他一直定居德国，曾被选为德国物理学会会长，成为德国物理学界的权威之一。

劳厄的诺贝尔官方照片，图片来源物理双月刊网

耿直的劳厄得罪过纳粹，并一度被限制自由。但他多次尽力拯救同行，维护科学的尊严，得到了业界的尊重。

1946年在英国皇家学会主持召开的国际结晶会议上，各国科学家都称赞他是“值得尊敬的人”“科学家的楷模”。

1957年，法国政府授予劳厄荣誉军团勋章，表彰他捍卫科学家的尊严和自由。

关于劳厄与诺贝尔物理学奖，还有一段趣事。

1940年，德国占领丹麦，纳粹政府派兵搜查科学家玻尔的实验室。玻尔对劳厄委托保管的诺贝尔奖奖牌十分重视。在化学家赫西的帮助下，他把纯金制的诺贝尔物理学奖奖牌放在王水（盐酸与硝酸混合液）中溶解，从而让奖牌躲过一劫。

9年后，美国芝加哥市举行了诺贝尔奖牌归还仪式，市长把重铸的奖牌交还给劳厄。这也成为诺贝尔奖史上的一段佳话。

德国发行的劳厄百年纪念邮票，图片来源物理双月刊网