第10章 在物理和化学学校的初期生活

正是在设于罗兰学院的一幢幢旧楼中的物理和化学学校，皮埃尔·居里工作了二十二年，这几乎是他科学生命的全部时间，先是任实验室主任，后来当上了教授。他的回忆似乎与这些现已拆除了的旧大楼亲密地联系在一起。他在那里面度过整个白天，只是晚上才回到他父母亲当时居住的乡间。他觉得在那里非常幸福，因为创建者舒赞贝格校长对他特别关怀，而且学生们对他也很敬重和友爱，其中有好几个学生成了他的弟子和朋友。在他生命的最后几年里，他在巴黎大学的一次演讲结束时，是这么说的：

我想在此着重指出，我们在巴黎市政府的物理和化学学校进行了我们所有的研究工作。在任何科学成果中，人们身处的工作环境的影响是很大的，而且一部分的成果应归功于这种影响。学校的第一任校长舒赞贝格是一位杰出的科学家。我心怀感激地记得当我在做教辅人员的时候，他为我提供了很好的工作条件。后来，他答应让我妻子玛丽·居里来我身边工作，这一举措在当时那个时代是一种不同寻常的革新。舒赞贝格给予我们大家极大的自由，他那种对科学的热情感染了大家，使我们感触尤深。物理和化学学校的教师、从该校毕业的学生组成了一个亲切有益、成果多多的环境，对我帮助极大。我们就是在学校的老校友中间找到了我们的合作伙伴和朋友。我很高兴能在这里向大家表示感谢。

在新的职务任职之初，他比他的学生们大不了多少，但学生们都爱戴他，因为他的行为举止极其平和随意，既是老师又是同学。他们中有一些人激动地回忆起在他身边学习时的情况，以及在黑板上讨论的情景，他能主动地同大家讨论科学问题，这对大家的成长和激情的萌发大有裨益。在学校老校友会于一九〇三年举行的一次聚餐会上，他参加了，并微笑着回忆起当时的一次意外：有一天，他同几个学生在实验室里干得太晚了，等他想走的时候，却发现门给锁上了，所以大家只好顺着二楼的窗子旁边的一根管道溜下去。

他的矜持和腼腆，使他不容易和大家打成一片，但是因工作关系而与他在一起的那些人却很爱戴他，因为他为人亲切和蔼。在他的一生中，他的下属们都是非常喜欢他的。学校里有一个他的实验室的助手，一个小伙子，居里在此人生活极其困难时帮助了他，他对皮埃尔·居里一直深怀感激和崇敬之情。

尽管他与哥哥分居两地，但他仍与哥哥维系着往日的友谊与信任。一到放假，雅克·居里便前来看他，两人又开始颇有成效的合作，把这段自由的时间全都奉献给这种合作了。也有的时候，是皮埃尔去看雅克，因为雅克当时正在奥维涅忙于一项地质绘图工作，他便同雅克一起进行实地踏勘。

下面就是他对其中的一次踏勘的回忆，是从他在我俩结婚前不久写给我的一封信中摘录下来的。

我很高兴地同我哥哥一起度过了一段时光。我们抛开了眼前的一切烦恼，享受我们所习惯的生活方式，以至于连一封信都不可能收到，因为我们每一天都不知道第二天宿于何处。有时候，我觉得我又回到了我俩生活在一起的那个时期。我们竟然达到在任何事情上都看法一致的程度。因此，由于想法一致，我们都不再需要说出来就能够相互领会彼此的看法。我俩性格迥然不同，能做到这一点就更加地难能可贵了。

从科学研究的角度来看，必须承认皮埃尔·居里受聘前去物理和化学学校任职，一开始耽误了他的实验性研究。确实，他刚上任之时，这所学校还什么都没有，一切都要创建。围墙和隔板也才刚刚弄好。皮埃尔·居里必须完全负责组织学生实验的工作。他以其独具一格、精细新颖的思想出色地完成了这项任务。

学生人数很多，每班三十名。对于只有一个实验室小助手相帮的年轻的皮埃尔来说，带这么多学生做实验，本身就非常艰难。头几年无疑是艰苦工作的几年，但对他所指导的学生们的教育与培养大为有益。

皮埃尔·居里趁着被迫中断自己的实验研究的机会来补充自己的科学知识，特别是数学方面的知识。

一八八四年，他发表了一篇以晶体对称研究为基础的有关增长序和重现的论文。同年，又就同一题目做了一个更广泛的报告。另一篇关于对称与重现的论文于一八八五年发表。同年，他就晶体的形成和不同面的毛细常数发表了一篇很重要的理论文章。

我们可以从这一篇又一篇的论文的发表看出，皮埃尔·居里对晶体物理是多么关心。他的理论性研究或在这一领域的实验性研究都围绕着一个很普遍的原则：对称原则。他成功地一点一点地指出这一原则，直到一八九三年至一八九五年在他所发表的一些论文中才最终确定下来。

下面就是他给这一论证所提出的今后将成为经典的方式：

当某些原因产生某些效果时，原因的对称因子应该再现于所产生的效果中。

当某些效果显示出某种不对称时，这种不对称应该再现于使之产生的原因中。

这两种假设的逆命题不一定正确，至少在实际之中不是这样，也就是说所产生的效果可以比原因更加对称。

这个虽简单却完美的论证的极大的重要性在于，它所引入的对称因子是与所有物理现象相关的，无一例外。

在对自然界中可能存在的对称群的一次深入研究的指引下，皮埃尔·居里指出了应该如何利用这种既是几何学又是物理学特性的资料去预见某种现象是否会产生，或者它在所考虑的条件下是不可能产生的。在一篇论文的开头，他是这么强调的：

我认为最好在物理学中引入晶体研究者们所熟悉的对称概念。

他在这条道路上的成果是重大的，尽管后来转向了其他的研究，但他始终对晶体物理保持着浓厚的兴趣，并且在这一领域不断地酝酿一些新的研究计划。

让皮埃尔·居里念念不忘的这种对称原理是重大的原理之一，这些原理数量虽然不多，但却指导着物理现象的研究，它们扎根于由实验所提供的概念之中，但又逐渐从中摆脱出来，获得一种越来越普遍、越来越完美的形式。因此，热当量和功当量的概念便补充进动能和潜能的当量概念中来，使得使用非常普遍的能的保存原理得以建立。同样，质量保存的原理也从以化学为基础的拉乌瓦齐埃的实验中渐渐地得出来了。通过这两种原理的聚合，一种令人赞叹的综合最近得以达到一个更高的普遍性的程度，因为已经证明一个物体的质量与其内在的能成正比。对电现象的研究使得里普曼提出了电的保存的普遍原理。根据生热装置的运作构思产生的卡尔诺原理也具有一种极其普遍的意义，使它能够预见各种物质系统的自发变化的最有可能的方向。

对称原理提供着一种可比变化的榜样。对称概念一开始就能通过对大自然的观察来进行验证：如果是晶体化了的矿物质，规律性则更加完美。我们可以看到大自然为我们提供了对称面和对称轴的概念。如果对称面把物体分成两个部分，而每个部分又可以被看作这个面里所反映的另一部分的形象（如同在一面镜子里那样）的话，那么这个物体就具有一个对称面或蜃景面。这几乎就是人和许多动物的外表形象所产生的效果那样。如果将一个物体沿某一轴线旋转，转到一周的几分之一，这时物体恢复到原来的形状，我们就会说这个物体有一个几阶的对称轴线。例如，一个整齐的四瓣花朵，就有一个四阶对称轴线，或四阶轴线。像岩盐或明矾这样的晶体就具有好几个对称面和好几个不同序的对称轴。

几何学教会我们研究一种被限定的形象（如多面体）的对称因子和在这些因子中间发现使它们聚集成堆的一些必不可少的关系。了解这些堆体非常有利于把晶体形式合理地排列成一个数量不多的系，其中每一个系都是从一个简单的几何形式变来的。因此，正八面体就属于与立方体同样的系，因为由对称轴和对称面所组成的堆体在两种情况之下都是相同的。

在对晶体物质的物理属性的研究中，必须考虑这种物质的对称性。这种物质通常都是各向异性的；也就是说，当介质（如玻璃或水）是各向同性的（因为在这种情况下，各个方向都是相等的）时，它在各个方向中就没有相同的特性。对光学的研究首先指出了光在一个晶体里的传播依据的是这个晶体的对称因子。对于导热性或导电性，对于磁化，对于极化等来说，也都是一样的。

正是在思考到这些现象的因果关系时，皮埃尔·居里被引导去补足和扩展对称的概念。他认为这种概念对于一个现象出现于其中的介质来说是一种特有的空间状态。为了确定这一状态，必须要考虑介质的构成，还要考虑它的运动状态和它所从属的物理因子。因此，一个直圆柱体就具有垂直于它在其介质中的轴的一个对称面以及通过这个轴的无穷的对称面。如果这同一个圆柱体围绕着它的轴旋转的话，第一对称面就存在，但其他的就全都被取消了；如果这个圆柱体还被一股电流纵向通过的话，那任何对称面都保存不住了。

对于任何现象来说，有必要确定与它的存在相容的那些对称因子：在这些因子中，有一些可以与某些现象共存，但它们却并不是不可或缺的。必须的则是它们中间的某一些并不存在，是不对称在产生现象。当好几个现象重叠在同一个系中时，不对称就自行增多。（见皮埃尔·居里《论文集》第一百二十七页）

正如上述结论所说的那样，皮埃尔·居里阐释了一种普遍原理，其《论文集》（第三十七页）在对这一普遍原理的研究上，达到其普遍性和抽象性的巅峰。如此得来的综合似乎是决定性的，似乎剩下的只是由此而去推论出它所包含的全部发展。

为此，应该确定每个现象的独特的对称，并把那些对称群分门别类地分开。质量、电荷、温度有着同样的被称为“标量”的对称，也就是圆球形对称。水流或单向电流具有矢量对称性，属于“极矢量”一类。正圆柱体的对称则属于“张量”一类。所有晶体物理学研究都可以按这种方法加以归类，但在这种方法中，无须指定所研究的现象的具体情形，而只需观察它们的各物理量在几何和解析上的因果关系就可以了。

因此，对电场所产生的极化效应的研究也就等于是在研究两个矢量之间的关系，并列出一组含有九个系数的线性方程式。这种方程式中的各个系数的意义在于，对它们加以修改即可用来表示导体中的电流与电场的关系，或热流与温度梯度的关系。同样，在研究矢量与张量间的普遍性关系时，可以显示出压电现象的各种特性。另外，凡是属于晶体弹性的种种现象也都可以通过两组张量间的关系来决定。不过，这些张量通常需要三十六个系数才能表述出来。

通过这一简单阐述，我们可以了解到自然现象中所有的对称性在理论上的极大的重要性，而皮埃尔·居里以一种明白无误的方式表述了其深刻的意义。有必要在此提及，巴斯德也曾用同样的观点来观察生命，他说道：“宇宙是一个不对称的整体，因此我相信我们所见到的生命应该是受到宇宙不对称作用的影响的，或者说我们的生命是不对称性所产生的结果。”

随着他在学校里的工作逐渐进入有序状态，皮埃尔可以考虑重新进行自己的实验研究了。但实验研究的条件却并不理想，他没有自己专用的实验室，也没有一间空屋可资利用，而且研究经费也毫无着落，只是在学校工作了好几年之后，多亏舒赞贝格的支持，他才每年获得一小笔研究经费。另外，也是因为校长开恩，他所需要的实验器材可以从学校教学实验室的日常开支中划拨，而那所谓的日常开支经费实际上也是少得可怜。

至于实验场所，他只能占用一点点。他的一些实验是趁学生们不用时在大课堂里做的。不过，最经常的是他到楼梯底下或学生实验室里去做自己的实验。他漫长而卓有成效的磁学研究就是在这种条件之下完成的。

这种不正常的而且明显是有损于皮埃尔的科学研究的状况倒也至少有其有利的一面，他正好可以更多地接触学生，他们有时候也能参加一些他的科学研究。

皮埃尔重新开始实验研究的目标主要是针对“直接称量最微小量的精密天平”这一高深的研究的。那是一八八九年至一八九一年间的事。这种天平摒弃了小砝码，代之以一个测微计，装在天平一臂的顶端，通过显微镜来读数。这种天平装有空气阻尼器，能使天平两臂的摆动迅速停止，然后便可立即读数了。它比旧天平大有改进，尤其是它的称量极其快速，而在化学分析实验中称量的快慢直接影响到精确性。因此，这种新式天平在化学分析实验室里颇受青睐。可以说，皮埃尔发明的这种天平的确是开创了天平制造业的新纪元。它的发明并不完全是靠经验，而是他先对阻尼运动进行了一番研究，在一些学生的帮助之下，绘制出一些曲线图表，证实了他的推论之后才获得成功的。

一八九一年左右，皮埃尔·居里开始对物体的磁性与温度（从常温到1400℃）之间的关系进行了几年的系统研究。研究的结果于一八九五年在巴黎大学的教师会议上以博士论文的形式宣读。皮埃尔以明确、简洁的语言叙述了他的研究目的及其结果。文章中写道：

根据其磁性，物体可明确地分为三类：抗磁性物体、弱磁性物体、顺磁性物体[1]。乍看上去，这三类截然不同。该项研究的主要目的就在于探究这三种状态之间是否存在着一种过渡，能不能让某一种物质顺序经过这些不同的状态。为此，我研究了不同温度和磁场下的许多物质，并观察、测量它们的磁性。

我在实验中未能证实抗磁性物质与顺磁性物质在性质上有什么关系，但实验的结果却证实了磁性与抗磁性是由一些不同性质的原因造成的。相反，铁磁性物质和弱磁性物质的性质却有着密切的关系。

这项研究呈现出大量实验方面的困难，因为实验要求在温度达到1400℃左右的装置里测量出极微小的力（仅百分之一毫克的重量）。

正如皮埃尔·居里十分清楚的那样，他所取得的结果从理论上看具有极大的重要性。他从中得出了“居里定律”。根据这一定律，物体的磁化系数与它的绝对温度成反比。该定律极其简单，完全可以与盖—吕萨克的“理想气体的密度与其温度成反比”定律相媲美。一九〇五年，保尔·朗之万所发表的著名的磁学理论就采用了皮埃尔·居里的这一定律，并且从理论上进一步证实了抗磁性与顺磁性的不同起因。朗之万的研究，以及后来的P.魏斯的重要研究都完全证明了皮埃尔·居里所得到的结果是十分精确的。皮埃尔还在磁化强度与流体密度之间看出了相似状态，因为物质处于顺磁化状态可以与气态相比较，而铁磁化状态则可与凝聚状态相比较。

皮埃尔在这项研究工作中，尽力去探求尚不为人所知的新现象，认为这些新现象并非没有可能存在。他忙着寻找一种很强的抗磁性物质，但并未成功。他还在探究是否有一些能传导磁性的物质，是否磁性能像电荷一样呈自由状态存在。在这方面，他也未见到肯定的结果。他从未就这些研究发表过什么，因为他习惯如此这般地投入到对现象的追踪里去，往往无功而返，但他就是喜欢探寻意外的东西，从不考虑是否要著书立说。

这种对科学研究完全无私的激情使他并不专门想要利用自己最初的研究成果去写一篇博士论文。当他决心把刚完成的磁性研究方面的颇有见解的成果汇聚起来作为博士论文时，他已是三十五岁的中年人了。

我对他进行博士论文答辩时的情景记忆犹新。我俩当时已友谊甚笃，所以他邀请我去参加他的答辩会。评委由布蒂教授、里普曼教授和奥特弗耶教授组成。旁听者有他的朋友以及他的老父亲。他父亲为自己儿子所取得的成就高兴异常。我记得皮埃尔答辩时既简洁又明确，有条有理，深得评委们的赞赏。当评委们同皮埃尔你问我答和交流沟通时，我恍若在参加一个物理学的讨论会。那一天，小教室里似乎是在颂扬人类的崇高理想，这深深地打动了我。在忆及一八八三年至一八九五年间，皮埃尔·居里一生中的这一时期时，我们可以看到他作为实验室主任在学术上的成就。在这几年中，他成功地把实验室组织成为一个全新的教学单位，发表了一系列重要的理论性文章和一流的实验研究报告，还制作了一些十分精确的新仪器，而所有这一切都是在设备不完善、经费不足的情况下完成的。因此，我们可以认为他克服了青少年时期的怀疑与犹豫，规范了自己的研究方法，充分调动了自己非凡的才能。

他在国内外声誉日增。在物理学会、矿物学会、电气工程师学会等学术团体的会议上，他常常把自己的研究成果拿出来与他人交流，并在各种科学问题的讨论中积极发表自己的看法，到会者无不洗耳恭听。

在这一时期高度评价他的外国科学家中，首先可以举出英国著名的物理学家开尔文爵士。他在一次科学讨论会上与皮埃尔进行了交流，自此，他就一直对皮埃尔既赏识又亲切。开尔文爵士在他的一次巴黎之行期间，参加了物理学会的一次会议。会上，皮埃尔谈到带有保护环的标准电容器的构造和使用。皮埃尔主张把保护环里的中央圆板用电池充电，而保护环则与地面连接，这样就可以用另一块电板上所感应的电荷作为计量。尽管这种构造使电线的空间分布十分复杂，但它的感应电荷却可以用静电学中的定理加以计算。所运用的公式与普通电容器在均匀电场中所运用的公式一样简单。另外，照皮埃尔的办法，电容器的绝缘性能更佳。一开始，开尔文认为皮埃尔的推论不精确，但是，第二天，他不顾自己的高龄，礼贤下士亲自来到皮埃尔的实验室拜访年轻的实验室主任，同皮埃尔在黑板上展开了讨论。后来，他完全信服了，并且很高兴地称赞皮埃尔推论之正确[2]。

我们感到惊讶的是，皮埃尔·居里尽管成绩斐然，但十二年间一直担任着一个小小的实验室主任。这无疑是因为但凡无人举荐，无人关照，没有有权有势者帮助的人，是很容易被人遗忘的。还因为他深恶痛绝为达到升迁而四处奔走，求人帮忙。他素来性格独立，光明磊落，让他为了升迁而去活动，他是绝对做不出来的。因此，他只能屈就此职，每月拿三百法郎，与一个体力劳动者相差无几，勉强可以维持简单生活而已。尽管处境如此不佳，他始终没有放弃自己的研究工作。

就这一问题，他曾在给我的一封信中写道：

有人告诉我说，我校的一位教授也许要辞职，如果这样，我就想接替他留下的职位。但是，任何职位都得自己申请。这可是件头疼的事，我实在不习惯做这种让人难堪的事情。我认为这么干，这么去听别人说三道四，真是没有比这更不像话的了。我很遗憾跟您谈及这种事。

如果说皮埃尔不喜欢强求晋升的话，那么他更是不求荣誉声望。在名誉、奖赏方面，他的态度尤为坚决，他不仅不相信它们有任何的用处，还认为它们有百害而无一利，谁要一门心思追求荣耀，必将自寻烦恼，而且还会把人的最崇高的目标放在了次要地位，这个目标就是为爱好而进行的科学研究，这是人类最高尚的情操。他的道德观念一向真诚而高尚，所以他的行为举止与他的思想保持着一致，他从来都是言行一致，表里如一的。舒赞贝格曾想提议给皮埃尔授予共和国一级教育勋章。尽管获此殊荣会带来不少的好处，但他仍旧婉言谢绝了。他给校长舒赞贝格写信说：

我获悉您再次举荐我获取这一殊荣，不胜感激，但我诚恳地请您千万别这么做。如果您真的为我申请成功这一荣誉，那会使我处于尴尬境地，因为我已决心不接受任何的荣誉了。请校长先生谅解我，取消您的提议吧，免得让我贻笑大方。如果您这是想向我表示您的关怀，那么您以前尽力让我无后顾之忧地从事研究工作就已经是对我的莫大关怀了，这远胜于为我去争取虚名。不过，对此我仍不胜感激。

皮埃尔从没违背自己的意愿。一九〇三年，政府曾经准备授予他“荣誉勋章”，但也被他婉言谢绝了。不过，尽管他并不愿为自己的晋升而四处活动，但一八九五年，他还是获得升迁。法兰西学院知名物理学家马斯卡尔教授为皮埃尔·居里的才干所感佩，而且又听到开尔文爵士对他的高度评价，便向舒赞贝格竭力保荐，在物理和化学学校开设了一个物理学讲座，聘皮埃尔为教授，使他的才能得以充分地发挥。但是，在这一时期，皮埃尔缺乏研究经费的问题并没有因此而得到任何的改善。

注释

[1]顺磁体的磁化作用与铁相似，或为极强的磁化（铁磁化），或为较弱的磁化。抗磁体系指物体的磁化作用极其微弱，并且与铁在同样的磁场中的磁化极性相反。——原作者注。

[2]著名的英国物理学家开尔文在访法期间给皮埃尔写了一封信，摘要如下：

亲爱的居里先生：

非常感谢您周六的来信，我对信的内容十分感兴趣。如果明天上午十一点我到贵实验室拜访，您该不会不在吧？我有两三件事情想与您讨论讨论。我还想看看您所绘制的不同温度下铁的磁化带曲线图。

开尔文

一八九三年十月

——原作者注。