「科二代」的「正名」之路

在科學研究領域，從不缺乏「打虎親兄弟，上陣父子兵」的例子。即使是在諾貝爾獎這樣一個令眾多科學家翹首企盼的領獎台上，也有很多在血統上一脈相承，將研究薪火相傳的「父子兵」。今天的主人公G.P.湯姆森和他的父親J.J.湯姆森就是這樣一對「諾貝爾獎父子」。

J.J.湯姆森與G.P.湯姆森（網路圖）

1892年5月3日，G.P.湯姆森在英國劍橋出生，作為「最先打開通向基本粒子物理學大門的科學家」J.J.湯姆森的獨子，G.P.湯姆森一出生就被打上了「科二代」的標籤。但他沒有在父親的「光環」中止步不前，而是下定決心開闢出一條屬於自己的研究之路。

從父親對自己的教育中受到啟發，J.J.湯姆森很看重獨子G.P.湯姆森的教育問題，注重培養兒子嚴謹踏實的治學態度，激發他的求知慾。紮實的基礎知識加上聰穎的資質，年僅14歲G.P.湯姆森就考上了曼徹斯特大學，20歲的時候被保送到劍橋大學三一學院深造，並取得了數學和物理的第一名，30歲的他被任命到阿伯丁大學擔任自然哲學教授。由於他有關電子衍射的實驗研究，證明了法國物理學家德布羅意在1924年提出的物質波理論，1937年他與同樣證明了電子波動性的美國物理學家戴維森分享了該年度的諾貝爾物理學獎。「科二代」G.P.湯姆森終於證明了自己。

有意思的是，作為父親的J.J.湯姆森是因為證明電子是粒子而捧回了諾貝爾獎，而兒子G.P.湯姆森獲獎的原因卻是因為證明了電子也是波。

那麼G.P.湯姆森是怎麼驗證電子也是波的呢？這就要從法國物理學家德布羅意說起了。1924年，德布羅意在他的博士論文中詳細地解釋了他所創建的電子波理論，認為任何物質同時具有波動和粒子的性質。面對這樣一篇觀點驚人的論文，許多學者都對此表示懷疑。德布羅意的老師朗之萬將這篇論文寄給愛因斯坦請求意見，愛因斯坦在看過後，表示對德布羅意的支持，說「他已經掀起了面紗的一角」。隨後，薛定諤從這篇論文中獲取靈感，在兩年後發表了著名的薛定諤方程，開啟了量子力學的新紀元。但如果電子波理論得不到實際的驗證，這一切都只能算假說。

在1926年召開的英國科學促進會上，G.P.湯姆森聽到了物理學家波恩的演說，波恩表示戴維森和康斯曼從金屬表面反射的實驗也許可以證明德布羅意的理論。G.P.湯姆森立即安排研究所雷德從事這一課題，他們認為如果電子具有波動性，那電子束在通過障礙物時應該會和光一樣發生衍射。於是他們用高能電子束打向鋁、金、賽璐珞等靶材，電子束在穿透薄膜后均形成了一系列同心圓環繞著一個沒有偏轉的電子束形成的圖案，猶如水波一般。隨即，G.P.湯姆森在1927年6月18日的《自然》雜誌上發布短訊，宣布了自己的成果。

雖然實驗結果比戴維森晚了兩個月發表，但兩者從不同方面驗證了德布羅意關於電子具有波動性的理論，二人也因此獲得了諾貝爾物理學獎。就像給G.P.湯姆森和戴維森的諾貝爾頒獎詞所說，「他們的研究拓寬了物理和化學研究的邊界」。

參考資料：

劉戰存、盧文韜 《G.P. 湯姆孫對電子衍射的實驗研究》