我的X光和水晶时光

一位伟大的德国诗人曾说过，“国王在哪里建造，卡特就在哪里找到工作。”历史大部分都是关于国王的，这是理所当然的，但卡特的作品也有自己的历史，这也很重要。对于伟大的发现者来说，除非紧随其后的是有进取心的定居者，否则他们将一事无成。我将在这里回忆起50年前马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）首次涉足这一巨大知识领域的早期殖民时期，随后是W.H.和W.L.布拉格（W.L.Bragg），他们的发现首次揭示了这一领域的主要宝藏。

伟大科学家的榜样是指导所有科学工作者的光，但我们必须防止被它蒙蔽。关于发现的闪光有太多的讨论，这往往掩盖了一个事实，即无论发现多么伟大，只能发挥科学家所处智力环境的某些内在潜力。与重大发现相比，我所做的工作更容易看到这一点，这可能是我讲述这个故事的理由。

当我开始这项工作时，德国已有一系列研究机构，由凯撒·威廉·盖塞尔学院（Kaiser Wilhelm Gesellschaft）支持。其中之一是位于柏林达勒姆的新成立的纤维化学研究所，我于1920年秋天被任命为该研究所的成员。我的第一次接触揭示了我加入的公司的特殊性质。按照德国的习惯，我拜访了Dahlem其他研究所的所长，首先是物理化学研究所所长，伟大的Fritz Haber。哈伯看过我关于反应动力学的推测性论文，他对这些论文提出了严厉的警告：“反应速度”说他“是一个世界性的问题。”。你应该煮一块肉。”他的意思是，首先，我应该证明我作为工匠的能力；其他人也会跟进。生化研究所所长卡尔·纽伯格（Carl Neuberg）表达的印象则大不相同。”“亲爱的同事，不要呆在这里，”他说接受大学第一次提供的主席职位。如果你在这里几年都没有发现，那你就是个老混蛋；在大学里，你总是可以依靠自己的学术成就。”

事实上，发现需要超越手艺的东西，即认识到一个问题的天赋，这个问题已经成熟，可以用你自己的力量来解决，这个问题足够大，可以充分发挥你的力量，并且值得付出这种努力。哈伯曾警告过我，因为他认为我所面临的问题还不成熟，无论如何对我来说都太大了；但无论如何，我在纤维化学研究所的新工作让我走上了不同的方向。当我到达该研究所时，该研究所所长雷金纳德·奥利弗·赫尔佐格（Reginald Oliver Herzog）立即给了我哈伯所说的我需要的东西，一块肉要煮。在发现纤维素的结晶性质后（与谢雷尔相似），赫尔佐格在助手詹克的帮助下，刚刚发现一束苎麻纤维以直角受到X射线束照射，产生了由四组对称于两个镜面的等效点组成的衍射图案，一个穿过主光束和光纤轴，另一个垂直于主光束。这张图让我兴奋不已，我被要求解开这个谜。在接下来的几天里，我第一次了解了X射线衍射理论，由于战争和革命以及我对热力学和动力学的独到兴趣，我以前很少听说过它。然而，我很快返回了结果，即四点图是由围绕一个轴随机排列的一组平行晶体造成的，这一解释与赫尔佐格和贾克的工作一起被纳入了一份联合出版物。所以我煮了一块肉，这改变了我的立场。赫尔佐格热情好客，为我提供了各种实验设施，其中最宝贵的是聘用助理和资助研究生的资金。在这件事上，我非常幸运。加入我的还有赫尔曼·马克、埃里希·施密德、卡尔·温森伯格，这三人都来自维也纳，还有埃尔文·冯·戈佩兹和其他一些人；这个地方很快就嗡嗡作响了。当时通货膨胀失控，可怜的赫尔佐格发现很难支付所有这些人的工资。举行了抗议会议，通过了决议，温森伯格带头；该研究所获得了“共和国助理”的称号。我们过得很愉快。

现在，我将试着从记忆中讲述我的一些进一步贡献是如何在那些日子里诞生的，甚至连我自己的论文都没有。我发现构成纤维图的所有点都位于一系列双曲线上，每条双曲线都由一些平面反射的点组成，这些平面相对于平行于纤维的晶体轴具有相同的指数。我建立了确定双曲线级数的公式，作为平行于纤维轴的同一周期的函数。这样，我对纤维素的基本细胞进行了评估，得出结论：纤维素的结构要么是一个由单链己糖组成的直形巨分子，要么是己糖-酸酐的聚集体；这两种结构都与基本细胞的对称性和大小相一致，但不幸的是，我缺乏消除第二种选择的化学感觉。

这种愚蠢也有一个有趣的后果。当我在哈伯主持的座谈会上第一次陈述我的结论时，各方爆发了强烈抗议。关于纤维素的基本细胞只含有四个己糖的说法似乎令人反感，因为我说过它既可以与无限大的分子量兼容，也可以与荒谬的小分子量兼容。当我本应该更好地确定链结构是唯一一种与纤维素的已知化学和物理性质兼容的结构时，我正兴高采烈地目睹化学家们进行概念改革。我没有意识到这个问题的重要性。

同样的失败是我对血清纤维蛋白的治疗。赫尔佐格发现了它的纤维图，交给我评估。我测定了它的基本细胞，发现其中只有甘氨酸和丙氨酸的空间。但我无法决定如何看待其他观察到的分解产物。我没有意识到这个问题的重要性，就半途而废地把它交给了布里尔，因为他正在我的指导下写博士论文。

这些失败是值得记录的，以纠正当前的科学方法理论，这些理论完全基于成功的故事。有趣的是，在这方面回忆一下，我的倡议之所以软弱，部分是因为我对这条推断线的信心受到了损害，因为纤维素图赤道上两个点的位置与我的分析预测的理论值略有偏差。这些松散的末端使人虚弱；但我很高兴，至少我没有遵守目前主日学校关于科学方法的规定，如果有一条证据与理论相矛盾，你就会拒绝接受这个理论。（我仍然不知道是什么导致了这些点之间的差异。）

在我发现纤维素纤维图中的双曲线并在此基础上对其基本细胞进行评估之后，与Weissenberg和Mark合作，将由此建立的原理转换为旋转晶体法。前者在数学上远远超过了我，而后者让我看到了他近乎天才的操控技巧。就我记忆所及，这个项目，包括使用细长的Debye-camera来包含更高的层线的建议，都是我提出来的。Weissenberg概括了层线关系，我只建立了晶体轴方向和光束垂直入射的层线关系，包括任何方向和所有入射角的同一周期；马克用新方法进行了第一次实验。我想，1923年，马克和我在白锡上首次使用旋转晶体仪器来确定未知的晶体结构。马克、施密德和我首先用它来解释锌晶体的塑性流动。

固体的强度现在已成为我的主要兴趣。该研究所的技术目的把这个重大问题抛到了我的怀里。我发现固态的特征，即固态的坚固性，还没有被解释清楚，物理学家也几乎没有探索过。我发现，根据最近发现的岩盐结构，这种晶体的抗刚性断裂或塑性变形能力应该是实际的数千倍。面对这个悖论，我求助于现代物理学的两个特点：（1）岩盐晶体是一个巨大的分子；（2）分子内部的能量可以通过量子跳跃传递，而不受经典力学定律的控制。根据岩盐的实际强度进行的计算，我得出结论，通过破碎晶体形成新表面所需的能量必须由未来破裂两侧所储存的应力提供，该区域在两个方向上延伸两到三毫米。所以我开始用实验证明，短于几毫米的晶体比长的晶体更坚固。结果是不确定的，整个想法可能是错误的，但在追求它的过程中，我偶然发现了材料强度的一个重要方面，这似乎反映了我最初的悖论，并鼓励了我试图解决它的方式；我开始了解冷加工使材料变硬。

每一个破坏晶体理想结构的过程（从而减少可被视为单分子的面积）都会增加晶体材料的强度，这一事实深深地打动了我。这似乎证实了我解释晶体低应力阻力的原理，并驳斥了格利菲斯关于石英线的工作所启发的对立理论，即晶体的脆弱是由于裂纹或其他结构缺陷造成的。岩盐晶体的冷加工通过大力锉削其侧面，钨晶体（从白炽灯灯丝中获得）的冷加工通过模具进行，证实了这一点。1921年9月，以“冷加工使晶体硬化”为题提交给本生标准协会会议的研究结果令人感到不安。古斯塔夫·塔曼（Gustav Tammann）作为一位资深政治家在讨论中表达了这一点。然而，正如后来的工作所表明的那样，我的观察基本上是正确的。

与此同时，我回答了之前的问题。一些冶金学家对我在单晶硬化方面的工作感兴趣，告诉我提克拉尔斯基发明的一种方法，用于生产线状金属晶体。它是从熔化的金属池中抽出一根线，这样线就可以按照你把它拔出来的速度继续凝固。和我一起写论文的欧文·冯·戈佩兹（Erwin von Gomperz）被要求用这种方法生长锡和锌的单晶。不幸的是，金属往往会结块出现，只有赫尔曼·马克（Hermann Mark）的介入才挽救了这一项目，他用一片中间有孔的云母覆盖了液态金属，通过云母，螺纹露出光滑的圆柱形金属丝。如果没有这种巧妙的干预，我们随后对金属塑性流动的研究可能就不会实现。

我们工作的下一阶段阐明了锌和锡中塑性流动的晶体学定律。这些都是众所周知的。关于这项工作，我只想说，这是一个罕见的例子，它被认为是一种常见的现象，即三位科学家平等地参与了一项相当重要的工作。我们很幸运地碰到了一个已经成熟可以解决的问题，这个问题大到足以吸引我们的联合能力，解决这个问题是值得的。问题的成熟性得到了证实，在我们关于锌的论文发表几个月后，英国的G.I.泰勒和埃拉姆小姐发表了一项类似的调查，解决了一个完全不同的系统，即铝的相同问题。尽管这两篇平行的论文采用了截然不同的方法，但它们都评估了隐藏在共同知识情境中的相同可能性*

接下来的一集可能会以较小的规模说明这一原理，顺便说一下，我们当时所依赖的晶体结构知识是多么粗糙。在马克和我发表白锡的结构后不久，我们接待了荷兰科学家范·阿克尔的来访，他告诉我们，我们的结果是错误的，因为他建立了一种完全不同的金属结构。经过数小时的讨论，才发现他的结构实际上与我们的结构相同，但看起来不同，因为他用相对于我们旋转45度的轴来表示它。

从我第一次在达尔莱姆“煮一块肉”的那一天起，这项工作的大部分都是在两年多一点的时间内完成的，所有这一切都得到了我们心地高尚的导演R.O.Herzog的支持，因为这是一种相当奇怪的纤维化学。在建立了晶体固体变形的几何机制之后，我们现在可以有效地研究变形的物理问题，这是我首先进入这一领域的原因。但马克已经全神贯注于结构分析，而温森伯格也着手解决自己的问题；因此，主要是由施密德和我着手研究固体强度的物理学，并获得我们整个团队以前贡献过的结晶学结果。施密德在屈服点建立了剪切应力定律。我们一起观察到，晶体的最小变形可以导致显著的硬化，并发现了“恢复”的事实，即取消了硬化而没有再结晶。施密德通过应用剪切应力定律，建立了更大变形的硬化机制。我们通过在静水压力下施加的应变共同证明，垂直于滑移面的应力不影响其抗剪切能力。W.Meissner和E.Schmid在1°K温度下的实验证明了滑移晶体的非热性质，这表明了晶体塑性与非晶固体变形的基本对比，非晶固体在绝对零度时变得完全刚性。G.Masing对在液态空气温度下破裂的细粒锌进行的观察证实了一个事实，即晶体材料的内部碎裂增加了其抗脆性破裂的能力。到目前为止，在每一种情况下，都发现晶体的强度从其反常的低值上升到格里菲斯在非晶石英丝中实际观察到的更高的理论强度，以至于结晶顺序的扰动将晶体的状态转变为非晶状态。这也是我对奇怪的乔夫效应的解释：我用W·埃瓦尔德的实验表明，水溶解了岩盐棱柱体的表面，降低了它对塑性流动的阻力；正如Joffé所观察到的那样，正是这种流动的开始，起到了冷加工的作用，增加了晶体对脆性断裂的抵抗力*

我将从冷加工多晶金属中纤维结构的发现开始，略过我们的询问，只提到能够通过单晶中观察到的塑性变形的晶体学解释这一现象很好。更有趣的可能是（与P.Beck一起发现的）一个事实，即当弯曲铝晶体的退火导致其再结晶时，如果在退火前将其拉直，则不会发生再结晶。这些都是副业，因为它们没有揭示固体强度的本质，固体强度仍然笼罩在一个悖论中，即所有倾向于恢复理想晶体结构的效应似乎都会削弱远低于其理想强度的材料，而这种结构的每一次扰动都会使其强度趋于理想值。

我对这一事实的迷恋已结出硕果，但事实证明这是过分的。从埃里希·施密德（Erich Schmid）在我70岁生日之际写的一篇论文中，我发现我对晶体硬化和弱化的描述让我忽略了一条重要的修改线索。我与W.Ewald（1924）的实验研究表明，在一个方向上弯曲岩盐晶体只会在同一方向上进一步弯曲时使其变硬，而实际上，在将其向后弯曲时会使其变弱。施密德说，这种机械恢复随后在各种晶体中都受到了影响，包括金属晶体。如果我注意到变形实际上可能会削弱晶体，我的头脑会更容易接受这样一种观点，即晶体对塑性变形的极低阻力可能是由于晶体结构的不规则性造成的，这种不规则性现在被称为位错然而，位错导致高度可塑性的想法在我的脑海中逐渐形成。1932年4月，我在一次演讲中向列宁格勒乔夫研究所的成员们详细介绍了这一理论，他们对此很满意。回到柏林后，我向奥罗万讲述了我的理论，奥罗万告诉我，他在即将提交学位的论文中提出了类似的想法。他敦促我在不考虑他的竞争对手主张的情况下发表我的论文，但我宁愿把这件事推迟到他也可以自由发表。（这就解释了为什么我的信件在我离开德国并在英国发表了许多论文一年后，在德国和德国都出现了。）

与此同时，科学家只揭示隐藏的知识这一原则得到了重申，这一原则已被当时的知识状况所接受。同样的暗示在另一个完全不同的头脑中又一次成熟为同样的解决方案，那就是英国的G.I.泰勒。我用德语出版的《Versetzung》，他同时用英语出版了《错位》。

1923年秋，我晋升为物理化学研究所的独立会员，离开了纤维化学研究所。哈伯现在接受了我，对我作为一名科学家的工作能力充满信心，我立即投入到反应动力学的研究中。我用X光和水晶的时间持续了三年。