教师节最好的礼物，是送导师一个诺贝尔奖

1902年12月11日，洛伦兹一个人站在斯德哥尔摩的演讲台上。按照之前与彼得·塞曼的计划，应该是塞曼先讲自己的实验发现与验证过程，洛伦兹再接着阐释背后的电子理论。不料临行前塞曼突然患病，无法赴会，洛伦兹只好向听众致歉：原定的节目，今天只能讲后半部分了，当然洛伦兹还是简要地讲解了实验部分。

两个人因关于磁场对辐射现象影响的研究（也就是塞曼效应）平分了这一年的诺贝尔物理学奖，这也是物理学奖第一次由两位科学家共享。塞曼听过洛伦兹的课，也做过他的助手。十多年前，他还在实验室里帮老师调试课堂演示的仪器；十多年后，学生做出的发现连同老师的理论一起拿到了诺贝尔奖。

▲1902年诺贝尔物理学奖由亨德里克·安图恩·洛伦茨和彼得·赛曼共同获得，以表彰他们在磁学对辐射现象影响方面的非凡贡献（Nobel Prize）

所以说，当我们每年教师节都在纠结送老师礼物的时候，不如像赛曼一样，在实验室做出惊人的发现，最后带着导师一起登上诺奖的领奖台。不过对当时的听众来说，最可惜的就是没有听到赛曼如何发现那条在磁场上越来越粗的黄线并对其进行研究，当然赛曼自己一开始也没搞清楚那是条什么线。

一条奇怪的线

塞曼很早就对磁与光这些现象感兴趣。1882年，17岁的他画下了家乡上空的极光并记下观测结果，相关材料次年出现在《自然》杂志上。后来一位英国研究者寄来自己的文章，收件人竟写成了“塞曼教授”，不过这位“教授”当时还没进大学。

1885年进入莱顿大学后，他师从昂内斯与洛伦兹，研究磁化金属发射光时发生的偏振变化。昂内斯是个实验物理学家，考虑的多是装置如何搭建，数据如何测量，结果又为何不按照预想的出现。洛伦兹更关心电与光之间究竟有什么关系，试图用物质内部带电微粒的运动解释光学现象。塞曼的学习和早期研究，就夹在这两种训练之间。

当时，磁场能改变光的传播和反射已经不是新鲜事。塞曼想再往前进一步：光还在物质内部生成的时候，磁场能不能影响它？如果能，能到什么程度，发出来的颜色能不能改变？如果要看颜色，就不能只靠眼睛来看，应该把这些光送进光谱仪，不同颜色便落在不同位置，发光气体会留下各有特征的谱线。塞曼要看的，就是磁场能不能让这些线发生变化。

早在1891年，他就试过观察磁场里的铁光谱，令人失望地没有发现谱线移动。他在给昂内斯的信里简短报告了这个结果并暂停了实验。实验做不下去怎么办呢？去读文献吧！塞曼读到麦克斯韦讲述法拉第实验的文章，发现前辈也试过把火焰放进强磁场，寻找光谱变化，同样没有成功。一些人可能会觉得，连大佬都做不成的实验自己可以吗？但赛曼转头一想，法拉第做实验时，还用不上后来那些精密的光栅，现在仪器已经换了一代，或许就有新发现呢。塞曼把这个念头记进了自己的读书笔记。这本从1890年开始使用的笔记类似今天文献管理工具，里面有抄读到的材料，也有自己的实验想法。他还在里面提醒自己，实验没有完成，不要急着告诉别人。

1896年9月2日，塞曼设计了新的实验，他用一小块浸过食盐溶液的石棉给火焰添上钠，黄光经过光栅，显出两条窄窄的钠线。火焰放在电磁铁两极之间，接通电流后，谱线果然有了变化：原来细窄的黄线，宽到了先前的两三倍。他在实验笔记里另起一项，记下磁化对火焰的影响。

▲1896年9月2日第一次记录塞曼效应的实验笔记，右页最上面可分辨出de lijnen … 2 à 3 malen breeder worden，即：谱线……变宽到原来的两到三倍（Kox, A.J.）

这还不能算找到了答案，因为实验本身的设计非常粗糙，而且实验条件也算不上精细。火焰会抖动，温度和密度也会变化，电磁铁又可能影响周围的空气。只要火焰本身出了变化，谱线就可能跟着变化，未必是磁场直接影响了发光过程。塞曼先检查这些眼前的问题，又做了两天实验，还是不能排除这些可能的干扰。在他的判断里，磁场使火焰各处出现温度或密度差异，由此造成的压力差就可能把谱线弄宽。第三天他又放下这套装置，回去做原来的工作。这项实验因此停滞了一个多月。

10月9日，塞曼回来继续检查实验。这次除了开关磁铁，他还改变火焰形状，比较发射线和吸收线，把温度、密度和气流的影响逐项拿来检验。几番检查下来，谱线展宽仍然会出现。到这时，谨慎的他才渐渐相信，磁场确实影响了气体的发光和吸收。不过，月底准备报告时，昂内斯又提出了疑问。报告前一天，他到现场观看了实验，又提出了一个问题：会不会还是对流造成的？塞曼只得补做检查，赶在最后一刻把结果放进论文。10月31日，昂内斯替他在荷兰皇家科学院宣读了报告。

老师一动笔，学生就得返工

洛伦兹当时就在会场。按塞曼后来的回忆，过了一个周末，洛伦兹便给这条粗线找到了一个理论解释。在洛伦兹的理论里，原子内部的带电微粒在某个位置附近振动，振动频率决定发出来的光落在哪条谱线上。磁场影响以后，微粒的运动多受了一股力，原有的一个频率便可能分成三个。这样一来，塞曼看到的未必是一条线变粗，也可能是几条线挤在一起，只是仪器暂时分不开。

▲洛伦兹对赛曼效应的解释（fity.club）

理论物理的奥妙在此刻便显现出来。如果洛伦兹的解释是正确的，那么从磁场侧面看，应当出现三条线；顺着磁场看，中间那条线消失，只剩另外两条。从侧面看到的光是线偏振，中间一条与两侧两条的振动方向不同；顺着磁场看到的两条，则应当呈相反旋向的圆偏振。总而言之，通过不同的方向与偏振观测能证明洛伦兹的理论正确与否。

如果还能测量出这些线分开的距离，还能进一步算出发光微粒的电荷质量比。这个数字在今天看起来只是一个物理量，在1896年却牵着另一个更大的问题。当时大家对“电子”的探索还处于盲人摸象的阶段。洛伦兹可以在理论中假设一种原子内部的带电微粒，却还不知道它究竟是什么：带正电还是负电？和电解时遇到的离子是不是同一种东西？质量又有多大？塞曼的实验于是多了一层意思。如果真能从分裂中算出电荷质量比，就等于从光谱里给那个看不见的带电微粒量出了一个性质。不过他得证明眼前那条粗线确实是洛伦兹所说的分裂。

▲Figure 塞曼拍摄的赛曼效应的照片（Nature）

11月10日，他开始检查偏振，实验一连做了十天，却什么也没找到。后来他才意识到，问题不在于理论而在自己看的方向：这段时间他一直从磁场侧面观察，而洛伦兹预言的圆偏振，必须顺着磁力线才能看到。偏偏电磁铁的磁极挡在那个方向上，那只能委屈一下磁极了。塞曼于是在磁极上打了一个孔，让火焰的光从孔里穿过去然后再进入光栅。11月23日，他终于在展宽谱线的两侧看到了方向相反的圆偏振。当天的日记里，他认为磁场确实改变了发光微粒的运动，借助洛伦兹的理论，用带电微粒来解释这一现象，已经是正确的或者至少极有可能正确。

▲赛曼使用的电磁铁（Nederlandsche helden der wetenschap）

第二天早晨，塞曼又在洛伦兹面前重复了一次实验。洛伦兹称它是一次“幸运的突破”。不过，偏振虽然对上了，谱线还没有真正分开，也就是说洛伦兹的理论才对了一半。如果谱线最终没有分开，那么洛伦兹的解释整体也是失败的。

11月28日提交第二篇报告时，塞曼又改进了自己的设备：罗兰光栅半径十英尺，每英寸近一万五千条刻线，电磁铁也能做到大约一万高斯。可洛伦兹预言的几条细线，到目镜里还是挤成一条粗线。既然暂时看不见它们究竟分开了多少，塞曼决定先退一步，先量这条线究竟宽了多少，再据此估算发光微粒的电荷质量比。

▲塞曼实验所依赖的罗兰凹面光栅（Nederlandsche helden der wetenschap）

学生又有了新发现

算出来的数反而引起了大家的困惑。这个电荷质量比要比电解实验中熟悉的离子大得多。塞曼后来回忆，洛伦兹起初甚至把这看成一件坏事：如果原子里振动的就是那种熟悉的离子，怎么算出来会差这么远？塞曼最初对电荷正负的判断也出了错，后来才校正为负电。当然电荷质量比本身还不能告诉他们这个微粒究竟有多重，但如果它带的电量和单价离子差不多，那么比值大这么多，质量就只能小得多。

到了1897年初，这个异常的电荷质量比已经引起了别人的注意。英国物理学家奥利弗·洛奇专门写信来问相关情况。塞曼在3月1日回信时，已经不只拿它同电解离子比较。他注意到阴极射线受到磁场偏转的实验也给出了相近的电荷质量比。一个来自放电管，一个来自火焰里的光谱，原本分开做的两种实验，结果却遇到了相同的结果。这就有意思了，两种测到的是同一种微粒吗？

这一年，塞曼已到阿姆斯特丹任教。他改用蓝色镉谱线，终于看清了真正分开的成分。洛伦兹关于谱线分裂的预言终于被直接看见。同年，J. J. 汤姆孙发表了著名的阴极射线实验，也得到异常大的电荷质量比，并把它解释为一种质量远小于普通原子的带负电微粒。此时物理学家面对的就不再是几种单独的物理现象，谱线分裂、偏振、阴极射线，一个新的物理世界大门正在徐徐展开。

▲铁谱线在磁场下分成三重线（Nederlandsche helden der wetenschap）

赛曼的实验到这里还没结束。他不仅发现了赛曼效应并证实了洛伦兹的理论，还改变了光谱实验的用途。过去人们只要通过光谱线来辨认这是什么元素，现在还能通过磁场看到谱线怎样分裂、分裂多少、偏振怎样变化，甚至还可以反过来追问发光物质内部那些看不见的带电微粒怎样运动。很快有人发现，并不是所有谱线都老老实实分成洛伦兹计算的三条。有些分裂复杂得多，后来被称为“反常塞曼效应”。这个反常要等新的原子理论、量子理论和电子自旋出现之后才能解释。1896年那条简单钠黄线，早已不可同日而语。

把导师送上诺奖领奖台

六年以后，洛伦兹一个人站在斯德哥尔摩的讲台上，说今天只能讲原定节目的后半部分。可真正讲起来，这个后半部分还是绕不开前半部分。没有塞曼实验里那条变粗黄线，洛伦兹的理论就少了一次极漂亮的检验；没有洛伦兹算出来的偏振和谱线分裂，塞曼也很难知道自己要往哪里设计实验。这倒很像韩愈那句话：“弟子不必不如师，师不必贤于弟子。”

当然，洛伦兹都得到诺奖了，自己的另一位老师昂内斯也不能例外。1909年，他提名自己的另一位老师昂内斯角逐诺贝尔物理学奖，昂内斯最终在1913年“因其对低温物质性质的研究，其中包括液氦的产生”获得诺奖。

▲塞曼1902年诺奖奖章（flickr）

所以说，在研究路上，自己的学术能力很重要，遇到一个好老师很重要，遇到一个好学生同样重要。祝愿大家都能遇到像洛伦兹一样的老师和塞曼一样的学生。

• Kox A J. The discovery of the electron: II. The Zeeman effect[J]. European journal of physics, 1997, 18(3): 139-144.

• Zeeman P. The effect of magnetisation on the nature of light emitted by a substance[J]. nature, 1897, 55(1424): 347.

• ZEEMAN P. The effect of agnetization on the nature of light emitted by a substance[J]. Nature, 1897, 55: 347.

• KOX A J. The discovery of the electron: II. The Zeeman effect[J]. European Journal of Physics, 1997, 18(3): 139-144.

• LORENTZ H A. The theory of electrons and the propagation of light[EB/OL]. (1902-12-11)[2026-09-07]. Nobel Prize.