鉑西·威廉斯·布里奇曼(Percy Williams Bridgman) — 固態物理學研究大師

1882年4月21日,美國馬薩諸塞州的坎布里奇城,新聞工作者雷蒙德·蘭登·布里奇曼的妻子安·瑪麗亞·威廉斯·布里奇曼臨產了,一個男孩呱呱落地。他就是後來成為20世紀著名物理學家,曾被納粹德國列為美國「十寶」之一的鉑西·威廉斯·布里奇曼(Percy Williams Bridgman,1882-1961年)。

布里奇曼小時候受到了良好的家庭教育。他父親經常教導他說:「為了增進智慧,一定要經常把「為什麼'掛在嘴邊上,直到沒有「為什麼'再追問時,那你對那個問題才算有比較全面的瞭解。」因此,他從小就養成了追根究底的學習習慣。當時,馬薩諸塞州也是美國科學研究的中心,周圍的環境對他的成長也十分有利。從小學到中學,他的學習成績一直很優異,尤其是數理化,在他看來既容易又有趣。他經常對同學感嘆到:「奇怪,這些全是順理成章、有事實可尋的學科,何難之有?」

1900年,他考入哈佛大學物理學系,四年以後以優等成績畢業。為了進一步深造,攻讀碩士、博士學位,他答應留在母校,並於1905年著手開始進行固態物理學方面高壓技術專業的研究。

早在17世紀初期和中期,人們就開始研究並獲得高壓,還研究物質在高壓下的各種性質。那時,人們在進行這方面實驗時所採用的方法是極為原始的,因此效果也不甚理想。

1861年,安德售斯發現了氣體中的臨界現象。到19世紀90年代,又有兩位高壓研究物理學家凱爾泰和阿瑪加特聞名於此,尤其是阿瑪加特,對於改進獲得高壓的技術方面做出重要貢獻,而且還創造出可行的測量方法。密封是在進行高壓研究諸多環節中的關鍵環節,阿瑪加特為此發展了一種有效密封的特殊技術,成功地獲得了每平方厘米三千公斤的不變壓力。隨後,世界各國許多學者紛紛投入高壓技術研究課題,儘管所涉及的環境領域越來越廣泛,涉及物質的種類越來越多,但進展並不大。最高壓力始終沒有突破每平方厘米三千公斤的水準。那麼,真正在高壓技術獲得突破的科學家是誰呢?他就是美國的布里奇曼。

1905年,布里奇曼最初開始進行光學現象的壓力試驗。突然,在實驗過程中,儀器發生了爆炸。主要部件炸毁,必需更換,否則,實驗無法繼續進行。為使儀器不再發生爆炸,為保證實驗繼續進行下去,他發明瞭一種密封裝置,其密度可以隨著壓強的升高而不斷升高。這樣,實驗用的高壓裝置就可以擺脫漏壓的限制,而只受材料強度的制約。因此,他在美國國家科學院所發的科學家自傳調查表的「你認為自己最重要的發現是什麼」一欄中寫道:「無疑,最有影響的獨特發現,是發現一種產生交流體靜壓力而不漏壓的方法。」顯然,布里奇曼在高壓技術研究上,解決了密封問題,即解決了高壓技術的一個矛盾。從本質上講,這是一個突破。

漏壓問題得到解決以後,向更高壓力邁進的主要障礙關鍵就在於材料問題了。怎樣才能讓材料不變形呢?他在這方面耗費了不少精力。恰好當時冶金技術的進展,使他得到了前所未有的高強度的合金鋼,即電爐冶煉出來的鉻一釩合金鋼。這種鋼在布里奇曼的壓力試驗容器中經久耐用。經反複試驗,他大膽地把壓力提高到每平方厘米十萬公斤的高度,首次成功地越過了阿瑪加特壓力每平方厘米三千公斤的極限。不久,他又採用卡布洛依硬質合金製成了雙層高壓容器,一下子又把壓力提高到每平方厘米五十萬公斤的水準。與此同時,他又試製成功可以承受每平方厘米四十二萬五千公斤壓力的小薄片式的壓縮材料。在試驗中,通過用X射線對這些材料進行分析顯示出,在強大壓力的作用下,物質結構可以由結晶形式變成非結晶形式。

布里奇曼設計的壓力裝置與眾不同,兩個容器由堅固的連接通道連接,整個裝置灌滿一種適當的液體,在作為壓力腔的容器中,用活塞對液體施以巨大壓力,再通過液體把壓力傳送到另一個作為實驗腔的容器中。

藉助這種裝置,布里奇曼終於對高壓獲得創紀錄的突破,不僅如此,他還把這一成就運用到高壓物理的研究中,並獲取許多令人矚目的成果。特別使人驚奇的是,他發現許多物質的新變態,而這些新變態是前人所不知的;諸如,磷能夠以所謂黑磷的狀態存在;固體狀態的水,絕不能視為一種簡單的物質,而是一種能在二十九萬磅壓力下存在於華氏180°環境里的一種「熱」冰;在每平方厘米十萬公斤壓力的情況下,通過對物質壓縮性的研究,發現了許多物質的多形性,並證實了某些金屬在極度高壓狀態下只存在著最小量的電阻。此外,他還研究了高壓對熱電現象、氣體中的熱傳導,流體的粘滯性作用等等。事實證明,這些研究在物理(包括化學等學科)理論和工業技術方面有著重大的意義。

除了固態物理方面的研究之外,布里奇曼在科學的哲學方面的研究也有著很深的造詣。1914年,他在講授高級電動力學課程期間,經常在確定科學概念時感到困惑。那些含糊其詞的概念使他大傷腦筋,因而他產生了自然科學進行哲學研究的興趣。在這方面他寫了一些專門著作,較為重要的有《近代物理邏輯》、《物理理論的性質》。在他看來,所有的概念都是相對的。例如「長度」這個概念,在地球上測量和在天體中測量結果肯定不同。他認為,表面精確的數學方程隱藏著大量未經加工的觀察結果和不精確的口頭表述。他還認為,物理學的方法就是運算分析、即把複雜的系統分解為比較簡單的系統,以使我們考察複雜系統中雖已熟悉,但卻無法解釋的各元素間相互作用。站在一個實驗物理學家的立場,他認為:只能在實驗和觀測許可的範圍內去解釋物理學的概念。他認為:「科學是最講究現實的,不能含糊,所有的理論都要在實驗室內予以驗證,決不可隨便瞎說。」

此外,布里奇曼對結晶學、金屬中的導電現象等都進行過研究,而且均有收穫。比如,內珀耳帕熱—一種新的電效應就是他發現的。第一次世界大戰期間,應軍方反潛艇戰爭的需要,布里奇曼曾應用高壓技術對單體槍簡進行卓有成效的預應變研究。第二次世界大戰爆發後,他接受沃特敦兵工廠的邀請,承擔一系列研究鋼在高壓下塑性變形,以及防彈鋼板強度的研究任務,受到好評。他參加了研究核子彈的曼哈頓工程,測定了鈾和鈈的壓縮性質。

布里奇曼憑聰明才智試製出的精巧裝置及高超的實驗技術,對固態物理學方面做出了劃時代的貢獻。從1908年起的四十年間,幾乎所有的高壓裝置都與他的設計有關,許多天然礦物經高壓後製造出來的人造產品,如人造金剛石、翡翠等產品都是根據他的高壓原理和試驗規則製造成功的。為表彰他在高壓物理學方面的研究和實驗的卓越成就,1946年諾貝爾科學基金會授予他物理學獎。

1908年布里奇曼獲博士學位後,應聘擔任母校物理系的研究助理,1910年升任講師,1913年因教學頗為出色和在數學上的造詣而升任副教授,1919年升為教授。1942年榮任美國物理協會會長。他是美國科學院成員,以及英國、墨西哥和印度等國科學院的外國成員。

1961年8月22日,在患癌症久治不愈蒙受痛苦的情況下.他用手槍自殺了。他周圍的同事、學生都為失去這樣一位可敬的物理學家及勤奮、謙虛的長者和聰明的前輩而深感惋惜。