彼得·塞曼

物理学史上很少有哪次发现，能像这次一样把日期精确到天：1896 年 9 月 2 日看见，11 月 2 日被解释，11 月 23 日被确认。三个月之内，一条被磁铁撑宽了两三倍的钠黄线，让「原子内部有更小的带电粒子」从猜测变成了可以称量的事实——而称出来的那个数，比汤姆孙的电子早了几个月。

牧师家的孩子，和那位学古典语文时认识的邻居

塞曼 1865 年生在泽兰省斯豪文岛上的小村佐讷马伊雷，父亲是当地的牧师。中学在济里克泽读的是不教古典语文的实科学校，而当时进大学必须会拉丁文与希腊文，于是他去代尔夫特补课，寄住在古典学者莱利家中。这两三年的绕路带来一件比拉丁文重要得多的事：他在那里认识了长他十二岁的卡默林·昂内斯——日后液氦与超导的那位。

还在中学时，他把自己看到的极光与流星写信投给英国的刊物，居然登了出来，编者郑重其事地称他为「佐讷马伊雷天文台的塞曼教授」。

1885 年他进莱顿大学，很快落进那个时代最好的一组师徒关系里：理论上是洛伦兹，实验上是昂内斯。1890 年，硕士学位还没拿到，两位教授就把他聘成了助教。1893 年他以铁、钴、镍极向反射的克尔效应测量拿到博士学位——磁场能不能改变光，从此成了他一辈子的题目。

法拉第最后一次实验

1845 年，法拉第让偏振光穿过强磁场中的玻璃，看到偏振面转了一个角度（法拉第旋转），第一次把光与磁接上了头。十七年后的 1862 年 3 月 12 日，已经七十岁、记忆力严重衰退的法拉第在皇家研究院做了他一生最后一次实验：把一束火焰放进强磁铁，用分光镜看它的谱线会不会变。笔记本上的结论是六个字——无论偏振光还是非偏振光，都看不出丝毫效应。

这次失败被麦克斯韦写进了给法拉第作的小传里，塞曼读到了。他后来在自己第一篇论文的开头写道：既然连法拉第都想到过这种可能，那么用今天优良得多的分光手段再试一次，也许是值得的。

麦克斯韦本人倒是把话说死过。1870 年在利物浦，他断言火焰里那些发光的粒子是自然界最原始的东西，「自然界没有任何一种力，能哪怕稍微改变它们的质量或振动周期」。

塞曼其实早试过一次。1891 年 7 月，他用临时凑起来的装置，把染了钠的火焰放进一台鲁姆科夫电磁铁的两极之间——结果是否定的，他在给昂内斯的信里说，铁的谱线也看不出位移。

趁导师休假的那个九月

1896 年秋天昂内斯外出度假。昂内斯的实验室以「通过测量获得知识」为座右铭，凭一时兴起临时开个课题并不合规矩；塞曼把手头的活放下，重新支起了那套装置。这一次他用的是一块中等大小的鲁姆科夫电磁铁，蓄电池供 27 安培（可以拉到 35 安培），极间约七毫米；分光用的是一块罗兰凹面光栅，曲率半径 10 英尺、每英寸 14938 条刻线——在当时这是世界上最好的光栅之一。本生灯的火焰里插一片浸过食盐的石棉，钠的黄色双线亮得刺眼。

9 月 2 日，实验室笔记本上出现了标题「磁化对火焰的影响」，下面一行字：磁铁一合闸，谱线就变宽，宽到原来的两三倍。

那不是分裂，只是变宽。 他的磁铁只有约一万高斯，撑不开钠 D 线；真正裂成几条要等到第二年。接下来两天他反复排查干扰——磁场会不会只是让火焰的温度与密度分布变了，从而把线压宽了？排查完他回去干原来的课题，这件事搁到了 10 月 9 日才重新拾起。

10 月 31 日星期六，昂内斯在荷兰皇家科学院数理部的月会上代他宣读了第一篇通报，结论谨慎得几乎像是道歉：实验使「气体物质的吸收线以及发射线会被磁力展宽」这一点变得越来越可能。

洛伦兹的星期一

那天会上坐着洛伦兹。两天后的星期一，他把答案交给了塞曼。

按洛伦兹的电子论，物质里有带电的「离子」在做简谐振动，光就是它们发出的。加上磁场，洛伦兹力会把这个振动拆成三种独立的分量：沿磁场方向的那一支频率不变，垂直于磁场的两支变成一左一右两个圆周运动，频率各偏移 $\Delta\nu = eH/4\pi mc$。所以谱线该变成三条——在塞曼那点磁场下挨得太近，看起来就是一条粗线。

真正救命的是洛伦兹的第二半预言，它跟频率无关，只跟偏振有关：沿着磁力线看过去，应当只看到两条圆偏振方向相反的线；垂直于磁力线看，才是三条线偏振的线，中间一条的振动方向平行于磁场，两侧两条垂直于磁场。这是一个展宽的假说没法伪造的指纹。

11 月 10 日塞曼开始找偏振，一连十天都失败。直到他意识到自己犯的是最基础的错误：他一直是横着看的，而最干净的判据要求顺着磁力线看。于是他在笔记里写下：实验应当让磁力线指向光栅！——办法是把电磁铁的极靴钻穿一个孔，从孔里往外看。

11 月 23 日的日记：

1896 年 11 月 23 日。终于确认，磁化对光振动确实有作用。在洛伦兹帮助下证明，用「离子」运动改变来解释是正确的，至少是极可能正确的。

第二天上午他把现象演示给洛伦兹看。洛伦兹说，这是一次运气，也是离子存在的直接证据。

一条谱线称出来的电子

把测到的展宽代进洛伦兹的公式，反解出来的荷质比是 $10^7$ 电磁制单位每克这个量级。塞曼在诺奖演讲里解释这个数为什么惊人：它是电解中氢离子对应数值的约一千倍，「这使物理学家极可能相信，发光粒子里振荡的只有原子的约千分之一」。

第二篇通报写于 1896 年 11 月 28 日。汤姆孙关于阴极射线的同类测量要到 1897 年 4 月才公布——换句话说，人类第一次知道「有个东西比原子轻上千倍」，是从一条被磁铁撑宽的钠黄线里知道的。

不过这里有个常被抹平的细节：符号他一开始弄反了。 1896 年 11 月的那篇论文里，他从圆偏振的旋向推断出「转动的是正离子」。改正要等到 1897 年他去了阿姆斯特丹，重新看沿磁力线方向的那对双线，才把电荷的正负定下来。诺奖演讲里他自己复述了那一刻：我们沿磁力线方向观察双线并研究偏振的符号，于是问题豁然而解——振荡的电子带负电。紧接着的一句才是真正的重量：光源里振动的，与阴极射线里飞行的，是同一种东西。

「他被莱顿开除了」——这件事没有发生

网上流传一种说法：塞曼违抗导师的命令私用实验室设备，因此被解雇。这个说法查不到任何学术出处。事实恰恰相反：1896 年 11 月底，是阿姆斯特丹的范德瓦耳斯把他挖走的；昂内斯本想在莱顿给自己的学生一个同等职位，却没能争取到编制。而第一篇通报本就是昂内斯代为宣读的，塞曼在《哲学杂志》那篇文章的末尾郑重致谢：实验是在莱顿物理实验室做的，他对实验室主任昂内斯教授持续的关心「负有很大的亏欠」。

传说唯一的真核是那句实情：这项工作确实是趁昂内斯度假时开的头。

分裂、四重线，和一个错过

真正看到谱线裂开，是 1897 年在阿姆斯特丹，用的是镉的蓝线，不是最初那条钠线。三重线与双重线一出来，洛伦兹的理论就算被完整证实了——1902 年的诺贝尔奖为此颁给师生二人。

喜悦很短。1897 年 12 月 22 日，爱尔兰的普雷斯顿报告说，强磁场里锌和镉的某些谱线裂成的是四条；随后科尔纽发现钠的 D₁ 线也是四重线。洛伦兹后来回忆，那时「理论跟不上实验，第一次成功带来的喜悦转瞬即逝」。塞曼自己在诺奖演讲里投影了裂成四条的镉线和裂成九条的汞线，并指出一个更糟的事实：不同谱线的分裂间距不一样，按洛伦兹理论推下去，等于说不同电子的荷质比不一样。

这些解释不了的分裂被称作「反常塞曼效应」。有点残酷的是，发现它的不是塞曼：阿姆斯特丹的旧楼振动太厉害，照相底片十张里只有一两张能用，他只能转去做不那么敏感的实验。

反常塞曼效应此后困扰了物理学家近三十年，泡利为它痛苦到说自己该去当电影喜剧演员；破局的两个人——古兹密特与乌伦贝克——1925 年提出电子自旋时，古兹密特正是塞曼实验室的人。

二十五万公斤的混凝土

1908 年范德瓦耳斯七十岁退休，塞曼接下正教授席位与实验室主任。1923 年，一座专为他建的新实验室落成，最有名的不是仪器而是地基：一块二十五万公斤重、与楼板完全脱开的混凝土块——被振动毁掉的那些底片，他记了一辈子。这座研究所今天叫塞曼实验室。

后半生他把精度用在别处：1914 年起以空前的准确度重做斐索的光曳引实验，证实洛伦兹给菲涅耳曳引系数补上的色散项确实存在；1918 年用一具石英丝小扭秤（比厄缶的小得多）比较晶体与放射性物质的质量和重量之比，结论是石英晶体的取向带来的偏差小于三千万分之一，铀盐小于两千万分之一——这是广义相对论的基石之一在当时最漂亮的检验之一；1930 年代与德希尔用汤姆孙抛物线质谱仪找出氩 38、镍 64 等新同位素。

1935 年他到龄退休，执掌阿姆斯特丹的讲席共三十五年。1943 年 10 月 9 日，在被占领的阿姆斯特丹，他因一场短暂的病症去世，享年七十八岁。

他留给物理学的那句话写在诺奖演讲的结尾：我们过去至多只是猜测有电存在的成千上万个地方，如今都有了坚实的证据——每一团火焰、每一个光源里，都有数不清的带电粒子在振荡。