| 上帝擲骰子嗎——量子物理史話(huà)（3） [閱讀： 2967] | [教育科技] 2006-4-11 |
| 第三章 火流星
一
在量子初生的那些日子里，物理學(xué)的境遇并沒(méi)有得到明顯的改善。這個(gè)叛逆的小精靈被他的主人所拋棄，不得不在荒野中顛沛流離，積蓄力量以等待讓世界震驚的那一天。在這段長(zhǎng)達(dá)四年多的慘淡歲月里，人們帶著一種鴕鳥(niǎo)心態(tài)來(lái)使用普朗克的公式，卻掩耳盜鈴般地不去追究那公式背后的意義。然而在他們的頭上，濃厚的烏云仍然驅(qū)之不散，反而有越來(lái)越逼人的氣勢(shì)，一場(chǎng)蕩滌世界的暴雨終究無(wú)可避免。
而預(yù)示這種巨變到來(lái)的，如同往常一樣，是一道劈開(kāi)天地的閃電。在混沌中，電火花擦出了耀眼的亮光，代表了永恒不變的希望。光和電這兩種令神袛也敬畏的力量糾纏在一起，便在瞬間開(kāi)辟出一整個(gè)新時(shí)代來(lái)。
說(shuō)到這里，我們還是要不厭其煩地回到第一章的開(kāi)頭，再去看一眼赫茲那個(gè)意義非凡的實(shí)驗(yàn)。正如我們已經(jīng)提到過(guò)的那樣，赫茲接收器上電火花的爆躍，證實(shí)了電磁波的存在，但他同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，一旦有光照射到那個(gè)缺口上，那么電火花便出現(xiàn)得容易一些。
赫茲在論文里對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了描述，但沒(méi)有深究其中的原因。在那個(gè)激動(dòng)人心的偉大時(shí)代，要做的事情太多了，而且以赫茲的英年早逝，他也沒(méi)有閑暇來(lái)追究每一個(gè)遇到的問(wèn)題。但是別人隨即在這個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究，不久事實(shí)就很清楚了，原來(lái)是這樣的：當(dāng)光照射到金屬上的時(shí)候，會(huì)從它的表面打出電子來(lái)。原本束縛在金屬表面原子里的電子，不知是什么原因，當(dāng)暴露在一定光線之下的時(shí)候，便如同驚弓之鳥(niǎo)紛紛往外逃竄，就像見(jiàn)不得光線的吸血鬼家族。對(duì)于光與電之間存在的這種饒有趣味的現(xiàn)象，人們給它取了一個(gè)名字，叫做“光電效應(yīng)”（The Photoelectric Effect）。
很快，關(guān)于光電效應(yīng)的一系列實(shí)驗(yàn)就在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室被作出。雖然在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)都是非常粗糙和原始的，但種種結(jié)果依然都表明了光和電之間這種現(xiàn)象的一些基本性質(zhì)。人們不久便知道了兩個(gè)基本的事實(shí)：首先，對(duì)于某種特定的金屬來(lái)說(shuō)，光是否能夠從它的表面打擊出電子來(lái)，這只和光的頻率有關(guān)。頻率高的光線（比如紫外線）便能夠打出能量較高的電子，而頻率低的光（比如紅光、黃光）則一個(gè)電子也打不出來(lái)。其次，能否打擊出電子，這和光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。再弱的紫外線也能夠打擊出金屬表面的電子，而再?gòu)?qiáng)的紅光也無(wú)法做到這一點(diǎn)。增加光線的強(qiáng)度，能夠做到的只是增加打擊出電子的數(shù)量。比如強(qiáng)烈的紫光相對(duì)微弱的紫光來(lái)說(shuō)，可以從金屬表面打擊出更多的電子來(lái)。
總而言之，對(duì)于特定的金屬，能不能打出電子，由光的頻率說(shuō)了算。而打出多少電子，則由光的強(qiáng)度說(shuō)了算。
但科學(xué)家們很快就發(fā)現(xiàn)，他們陷入了一個(gè)巨大的困惑中。因?yàn)?#8230;…這個(gè)現(xiàn)象沒(méi)有道理，它似乎不應(yīng)該是這樣的啊。
我們都已經(jīng)知道，光是一種波動(dòng)。對(duì)于波動(dòng)來(lái)說(shuō)，波的強(qiáng)度便代表了它的能量。我們都很容易理解，電子是被某種能量束縛在金屬內(nèi)部的，如果外部給予的能量不夠，便不足以將電子打擊出來(lái)。但是，照道理說(shuō)，如果我們?cè)黾庸獠ǖ膹?qiáng)度，那便是增加它的能量啊，為什么對(duì)于紅光來(lái)說(shuō)，再?gòu)?qiáng)烈的光線都無(wú)法打擊出哪怕是一個(gè)電子來(lái)呢？而頻率，頻率是什么東西呢？無(wú)非是波振動(dòng)的頻繁程度而已。如果頻率高的話(huà)，便是說(shuō)波振動(dòng)得頻繁一點(diǎn)，那么照理說(shuō)頻繁振動(dòng)的光波應(yīng)該打擊出更多數(shù)量的電子才對(duì)啊。然而所有的實(shí)驗(yàn)都指向相反的方向：光的強(qiáng)度決定電子數(shù)目，光的頻率決定能否打出電子。這不是開(kāi)玩笑嗎？
想象一個(gè)獵人去打兔子，兔子都躲在地下的洞里，輕易不肯出來(lái)。獵人知道，對(duì)于狡猾的兔子來(lái)說(shuō)，可能單單敲鑼打鼓不足以把它嚇出來(lái)，而一定要采用比如說(shuō)水淹的手法才行。就是說(shuō)，采用何種手法決定了能不能把兔子趕出來(lái)的問(wèn)題。再假設(shè)本地有一千個(gè)兔子洞，那么獵人有多少助手，可以同時(shí)向多少洞穴行動(dòng)這個(gè)因素便決定了能夠嚇出多少只兔子的問(wèn)題。但是，在實(shí)際打獵中，這個(gè)獵人突然發(fā)現(xiàn)，兔子出不出來(lái)不在于采用什么手法，而是有多少助手同時(shí)下手。如果只對(duì)一個(gè)兔子洞行動(dòng)，哪怕天打五雷轟都沒(méi)有兔子出來(lái)。而相反，有多少兔子被趕出來(lái)，這和我們的人數(shù)沒(méi)關(guān)系，而是和采用的手法有關(guān)系。哪怕我有一千個(gè)人同時(shí)對(duì)一千個(gè)兔子洞敲鑼打鼓，最多只有一個(gè)兔子跳出來(lái)。而只要我對(duì)一個(gè)兔子洞灌水，便會(huì)有一千只兔子四處亂竄。要是畫(huà)漫畫(huà)的話(huà)，這個(gè)獵人的頭上一定會(huì)冒出一顆很大的汗珠。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在光電效應(yīng)問(wèn)題上，他們面臨著和獵人一樣的尷尬處境。麥克斯韋的電磁理論在光電上顯得一頭霧水，不知怎么辦才好。實(shí)驗(yàn)揭露出來(lái)的事實(shí)是簡(jiǎn)單而明了的，多次的重復(fù)只有更加證實(shí)了這個(gè)基本事實(shí)而已，但這個(gè)事實(shí)卻和理論恰好相反。那么，問(wèn)題出在哪里了呢？是理論錯(cuò)了，還是我們的眼睛在和我們開(kāi)玩笑？
問(wèn)題絕不僅僅是這些而已。種種跡象都表明，光的頻率和打出電子的能量之間有著密切的關(guān)系。每一種特定頻率的光線，它打出的電子的能量有一個(gè)對(duì)應(yīng)的上限。打個(gè)比方說(shuō)，如果紫外光可以激發(fā)出能量達(dá)到20電子伏的電子來(lái)，換了紫光可能就最多只有10電子伏。這在波動(dòng)看來(lái)，是非常不可思議的。而且，根據(jù)麥克斯韋理論，一個(gè)電子的被擊出，如果是建立在能量吸收上的話(huà)，它應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，這能量可以累積。也就是說(shuō)，如果用很弱的光線照射金屬的話(huà)，電子必須花一定的時(shí)間來(lái)吸收，才能達(dá)到足夠的能量從而跳出表面。這樣的話(huà)，在光照和電子飛出這兩者之間就應(yīng)該存在著一個(gè)時(shí)間差。但是，實(shí)驗(yàn)表明，電子的躍出是瞬時(shí)的，光一照到金屬上，立即就會(huì)有電子飛出，哪怕再暗弱的光線，也是一樣，區(qū)別只是在于飛出電子的數(shù)量多少而已。
咄咄怪事。
對(duì)于可憐的物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)，萬(wàn)事總是不遂他們的愿。好不容易有了一個(gè)基本上完美的理論，實(shí)驗(yàn)總是要搞出一些怪事來(lái)攪亂人們的好夢(mèng)。這個(gè)該死的光電效應(yīng)正是一個(gè)令人喪氣和掃興的東西。高雅而尊貴的麥克斯韋理論在這個(gè)小泥塘前面大大地犯難，如何跨越過(guò)去而不弄臟自己那華麗的衣裳，著實(shí)是一樁傷腦筋的事情。
然而，更加不幸的是，人們總是小看眼前的困難。有著潔癖的物理學(xué)家們還在苦思冥想著怎樣可以把光電現(xiàn)象融入麥克斯韋理論之中去而不損害它的完美，他們卻不知道這件事情比他們想象得要嚴(yán)重得多。很快人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這根本不是袍子干不干凈的問(wèn)題，這是一個(gè)牽涉到整個(gè)物理體系基礎(chǔ)的根本性困難。不過(guò)在當(dāng)時(shí)，對(duì)于這一點(diǎn)，沒(méi)有最天才、最大膽和最富有銳氣的眼光，是無(wú)法看出來(lái)的。
不過(guò)話(huà)又說(shuō)回來(lái)，科學(xué)上有史以來(lái)最天才、最大膽和最富有銳氣的人物，恰恰生活在那個(gè)時(shí)代。
1905年，在瑞士的伯爾尼專(zhuān)利局，一位26歲的小公務(wù)員，三等技師職稱(chēng)，留著一頭亂蓬蓬頭發(fā)的年輕人把他的眼光在光電效應(yīng)的這個(gè)問(wèn)題上停留了一下。這個(gè)人的名字叫做阿爾伯特.愛(ài)因斯坦。
于是在一瞬間，閃電劃破了夜空。
暴風(fēng)雨終于要到來(lái)了。
位于伯爾尼的瑞士專(zhuān)利局如今是一個(gè)高效和現(xiàn)代化的機(jī)構(gòu)，為人們提供專(zhuān)利、商標(biāo)的申請(qǐng)和查詢(xún)服務(wù)。漂亮的建筑和完善的網(wǎng)絡(luò)體系使得它也和別的一些大公司一樣，呈現(xiàn)出一種典型的現(xiàn)代風(fēng)格。作為純粹的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，一般很少會(huì)和專(zhuān)利局打交道，因?yàn)榭茖W(xué)無(wú)國(guó)界，也沒(méi)有專(zhuān)利可以申請(qǐng)?？茖W(xué)的大門(mén)，終究是向全世界開(kāi)放的。
不過(guò)對(duì)于科學(xué)界來(lái)說(shuō)，伯爾尼的專(zhuān)利局卻意味著許多。它在現(xiàn)代科學(xué)史上的意義，不啻于伊斯蘭文化中的麥加城，有一種頗為神圣的光輝在里邊。這都是因?yàn)樵?00年前，這個(gè)專(zhuān)利局“很有眼光”地雇傭了一位小職員，他的名字就叫做阿爾伯特.愛(ài)因斯坦。這個(gè)故事再一次告訴我們，小廟里面有時(shí)也會(huì)出大和尚。
1905年，對(duì)于愛(ài)因斯坦來(lái)講，壞日子總算都已經(jīng)過(guò)去得差不多了。那個(gè)為了工作和生計(jì)到處奔波彷徨的年代已經(jīng)結(jié)束，不用再為自己的一無(wú)所成而自怨自艾不已。專(zhuān)利局提供給了他一個(gè)穩(wěn)定的職位和收入，雖然只是三等技師——而他申請(qǐng)的是二等——好歹也是個(gè)正式的公務(wù)員了。三年前父親的去世給愛(ài)因斯坦不小的打擊，但他很快從妻子那里得到了安慰和補(bǔ)償。塞爾維亞姑娘米列娃.瑪利奇（Mileva Marec）在第二年（1903）答應(yīng)嫁給這個(gè)常常顯得心不在焉的冒失鬼，兩人不久便有了一個(gè)兒子，取名叫做漢斯。
現(xiàn)在，愛(ài)因斯坦每天在他的辦公室里工作8個(gè)小時(shí)，擺弄那堆形形色色的專(zhuān)利圖紙，然后他趕回家，推著嬰兒車(chē)到伯爾尼的馬路上散步?？障聛?lái)的時(shí)候，他和朋友們聚會(huì)，大家興致勃勃地討論休謨，斯賓諾莎和萊辛。心血來(lái)潮的時(shí)候，愛(ài)因斯坦便拿出他的那把小提琴，給大家表演或是伴奏。當(dāng)然，更多的時(shí)候，他還是鉆研最感興趣的物理問(wèn)題，陷入沉思的時(shí)候，往往廢寢忘食。
1905年是一個(gè)相當(dāng)神秘的年份。在這一年，人類(lèi)的天才噴薄而出，像江河那般奔涌不息，卷起最震撼人心的美麗浪花。以致于今天我們回過(guò)頭去看，都不禁要驚嘆激動(dòng)，為那樣的奇跡咋舌不已。這一年，對(duì)于人類(lèi)的智慧來(lái)說(shuō)，實(shí)在要算是一個(gè)極致的高峰，在那段日子里譜寫(xiě)出來(lái)的美妙的科學(xué)旋律，直到今天都讓我們心醉神搖，不知肉味。而這一切大師作品的創(chuàng)作者，這個(gè)攀上天才頂峰的人物，便是我們這位伯爾尼專(zhuān)利局里的小公務(wù)員。
還是讓我們言歸正傳，1905年3月18日，愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)紀(jì)事》（Annalen der Physik）雜志上發(fā)表了一篇論文，題目叫做《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》（A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light），作為1905年一系列奇跡的一個(gè)開(kāi)始。這篇文章是愛(ài)因斯坦有生以來(lái)發(fā)表的第六篇正式論文（第一篇是1901年發(fā)表的關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的東東，用他自己的話(huà)來(lái)說(shuō)，“毫無(wú)價(jià)值”），而這篇論文將給他帶來(lái)一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，也開(kāi)創(chuàng)了屬于量子論的一個(gè)新時(shí)代。
愛(ài)因斯坦是從普朗克的量子假設(shè)那里出發(fā)的。大家都還記得，普朗克假設(shè)，黑體在吸收和發(fā)射能量的時(shí)候，不是連續(xù)的，而是要分成“一份一份”，有一個(gè)基本的能量單位在那里。這個(gè)單位，他就稱(chēng)作“量子”，其大小則由普朗克常數(shù)h來(lái)描述。如果我們從普朗克的方程出發(fā)，我們很容易推導(dǎo)一個(gè)特定輻射頻率的“量子”究竟包含了多少能量，最后的公式是簡(jiǎn)單明了的：
E = hν
其中E是能量，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率。哪怕小學(xué)生也可以利用這個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)做一些計(jì)算。比如對(duì)于頻率為10的15次方的輻射，對(duì)應(yīng)的量子能量是多少呢？那么就簡(jiǎn)單地把10^15乘以h＝6.6×10^-34，算出結(jié)果等于6.6×10^-19焦耳。這個(gè)數(shù)值很小，所以我們平時(shí)都不會(huì)覺(jué)察到非連續(xù)性的存在。
愛(ài)因斯坦閱讀了普朗克的那些早已被大部分權(quán)威和他本人冷落到角落里去的論文，量子化的思想深深地打動(dòng)了他。憑著一種深刻的直覺(jué)，他感到，對(duì)于光來(lái)說(shuō)，量子化也是一種必然的選擇。雖然有天神一般的麥克斯韋理論高高在上，但愛(ài)因斯坦叛逆一切，并沒(méi)有為之而止步不前。相反，他倒是認(rèn)為麥?zhǔn)系睦碚撝荒軐?duì)于一種平均情況有效，而對(duì)于瞬間能量的發(fā)射、吸收等等問(wèn)題，麥克斯韋是和實(shí)驗(yàn)相矛盾的。從光電效應(yīng)中已經(jīng)可以看出端倪來(lái)。
讓我們?cè)僦販匾幌鹿怆娦?yīng)和電磁理論的不協(xié)調(diào)之處：
電磁理論認(rèn)為，光作為一種波動(dòng)，它的強(qiáng)度代表了它的能量，增強(qiáng)光的強(qiáng)度應(yīng)該能夠打擊出更高能量的電子。但實(shí)驗(yàn)表明，增加光的強(qiáng)度只能打擊出更多數(shù)量的電子，而不能增加電子的能量。要打擊出更高能量的電子，則必須提高照射光線的頻率。
提高頻率，提高頻率。愛(ài)因斯坦突然靈光一閃，E = hν，提高頻率，不正是提高單個(gè)量子的能量嗎？更高能量的量子能夠打擊出更高能量的電子，而提高光的強(qiáng)度，只是增加量子的數(shù)量罷了，所以相應(yīng)的結(jié)果是打擊出更多數(shù)量的電子。一切在突然之間，顯得順理成章起來(lái)。
愛(ài)因斯坦寫(xiě)道：“……根據(jù)這種假設(shè)，從一點(diǎn)所發(fā)出的光線在不斷擴(kuò)大的空間中的傳播時(shí)，它的能量不是連續(xù)分布的，而是由一些數(shù)目有限的，局限于空間中某個(gè)地點(diǎn)的“能量子”（energy quanta）所組成的。這些能量子是不可分割的，它們只能整份地被吸收或發(fā)射。”
組成光的能量的這種最小的基本單位，愛(ài)因斯坦后來(lái)把它們叫做“光量子”（light quanta）。一直到了1926年，美國(guó)物理學(xué)家劉易斯（G.N.Lewis）才把它換成了今天常用的名詞，叫做“光子”（photon）。
從光量子的角度出發(fā)，一切變得非常簡(jiǎn)明易懂了。頻率更高的光線，比如紫外光，它的單個(gè)量子要比頻率低的光線含有更高的能量（E = hν），因此當(dāng)它的量子作用到金屬表面的時(shí)候，就能夠激發(fā)出擁有更多動(dòng)能的電子來(lái)。而量子的能量和光線的強(qiáng)度沒(méi)有關(guān)系，強(qiáng)光只不過(guò)包含了更多數(shù)量的光量子而已，所以能夠激發(fā)出更多數(shù)量的電子來(lái)。但是對(duì)于低頻光來(lái)說(shuō)，它的每一個(gè)量子都不足以激發(fā)出電子，那么，含有再多的光量子也無(wú)濟(jì)于事。
我們把光電效應(yīng)想象成一場(chǎng)有著高昂入場(chǎng)費(fèi)的拍賣(mài)。每個(gè)量子是一個(gè)顧客，它所攜帶的能量相當(dāng)于一個(gè)人擁有的資金。要進(jìn)入拍賣(mài)現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)人必須先繳納一定數(shù)量的入場(chǎng)費(fèi)，而在會(huì)場(chǎng)內(nèi)，一個(gè)人只能買(mǎi)一件物品。
一個(gè)光量子打擊到金屬表面的時(shí)候，如果它帶的錢(qián)足夠（能量足夠高），它便有資格進(jìn)入拍賣(mài)現(xiàn)場(chǎng)（能夠打擊出電子來(lái)）。至于它能夠買(mǎi)到多好的物品（激發(fā)出多高能量的電子），那要取決于它付了入場(chǎng)費(fèi)后還剩下多少錢(qián)（剩余多少能量）。頻率越高，代表了一個(gè)人的錢(qián)越多，像紫外線這樣的大款，可以在輕易付清入場(chǎng)費(fèi)后還買(mǎi)的起非常貴的貨物，而頻率低一點(diǎn)的光線就沒(méi)那么闊綽了。
但是，一個(gè)人有多少資金，這和一個(gè)“代表團(tuán)”能夠買(mǎi)到多少物品是沒(méi)有關(guān)系的。能夠買(mǎi)到多少數(shù)量的東西，這只和“代表團(tuán)”的人數(shù)有關(guān)系（光的強(qiáng)度），而和每一個(gè)人有多少錢(qián)（光的頻率）沒(méi)關(guān)系。如果我有一個(gè)500人的代表團(tuán)，每個(gè)人都有足夠的錢(qián)入場(chǎng)，那么我就能買(mǎi)到500樣貨品回來(lái)，而你一個(gè)人再有錢(qián)，你也只能買(mǎi)一樣?xùn)|西（因?yàn)橐粋€(gè)人只能買(mǎi)一樣物品，規(guī)矩就是這樣的）。至于買(mǎi)到的東西有多好，那是另一回事情。話(huà)又說(shuō)回來(lái)，假如你一個(gè)代表團(tuán)里每個(gè)人的錢(qián)太少，以致付不起入場(chǎng)費(fèi)，那哪怕你人數(shù)再多，也是一樣?xùn)|西都買(mǎi)不到的，因?yàn)橐?guī)矩是你只能以個(gè)人的身份入場(chǎng)，沒(méi)有連續(xù)性和積累性，大家的錢(qián)不能湊在一起用。
愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出的方程和我們的拍賣(mài)是一個(gè)意思：
1/2 mv^2 = hν– P
1/2 mv^2是激發(fā)出電子的最大動(dòng)能，也就是我們說(shuō)的，能買(mǎi)到“多好”的貨物。hν是單個(gè)量子的能量，也就是你總共有多少錢(qián)。P是激發(fā)出電子所需要的最小能量，也就是“入場(chǎng)費(fèi)”。所以這個(gè)方程告訴我們的其實(shí)很簡(jiǎn)單：你能買(mǎi)到多好的貨物取決于你的總資金減掉入場(chǎng)費(fèi)用。
這里面關(guān)鍵的假設(shè)就是：光以量子的形式吸收能量，沒(méi)有連續(xù)性，不能累積。一個(gè)量子激發(fā)出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電子。于是實(shí)驗(yàn)揭示出來(lái)的效應(yīng)的瞬時(shí)性難題也迎刃而解：量子作用本來(lái)就是瞬時(shí)作用，沒(méi)有積累的說(shuō)法。
但是，大家從這里面嗅到了些什么沒(méi)有？光量子，光子，光究竟是一種什么東西呢？難道我們不是已經(jīng)清楚地下了結(jié)論，光是一種波動(dòng)嗎？光量子是一個(gè)什么概念呢？
仿佛宿命一般，歷史在轉(zhuǎn)了一個(gè)大圈之后，又回到起點(diǎn)。關(guān)于光的本性問(wèn)題，干戈再起，“第三次微波戰(zhàn)爭(zhēng)”一觸即發(fā)。而這次，導(dǎo)致的后果是全面的世界大戰(zhàn)，天翻地覆，一切在毀滅后才得到重生。
如果站在一個(gè)比較高的角度來(lái)看歷史，一切事物都是遵循特定的軌跡的，沒(méi)有無(wú)緣無(wú)故的事情，也沒(méi)有不合常理的發(fā)展。在時(shí)代浪尖里弄潮的英雄人物，其實(shí)都只是適合了那個(gè)時(shí)代的基本要求，這才得到了屬于他們的無(wú)上榮耀。
但是，如果站在廬山之中，把我們的目光投射到具體的那個(gè)情景中去，我們也能夠理解一個(gè)偉大人物為時(shí)代所帶來(lái)的光榮和進(jìn)步。雖然不能說(shuō)，失去了這些偉大人物，人類(lèi)的發(fā)展就會(huì)走向歧途，但是也不能否認(rèn)英雄和天才們?yōu)檫@個(gè)世界所作出的巨大貢獻(xiàn)。
在科學(xué)史上，就更是這樣。整個(gè)科學(xué)史可以說(shuō)就是以天才的名字來(lái)點(diǎn)綴的燦爛銀河，而有幾顆特別明亮的星辰，它們所發(fā)射出的光芒穿越了整個(gè)宇宙，一直到達(dá)時(shí)空的盡頭。他們的智慧在某一個(gè)時(shí)期散發(fā)出如此絢爛的輝煌，令人嘆為觀止。一直到今天，我們都無(wú)法找出更加適合的字句來(lái)加以形容，而只能冠以“奇跡”的名字。
科學(xué)史上有兩個(gè)年份，便符合“奇跡”的稱(chēng)謂，而它們又是和兩個(gè)天才的名字緊緊相連的。這兩年分別是1666年和1905年，那兩個(gè)天才便是牛頓和愛(ài)因斯坦。
1666年，23歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉(xiāng)下的老家度假。在那段日子里，他一個(gè)人獨(dú)立完成了幾項(xiàng)開(kāi)天辟地的工作，包括發(fā)明了微積分（流數(shù)），完成了光分解的實(shí)驗(yàn)分析，以及萬(wàn)有引力的開(kāi)創(chuàng)性工作。在那一年，他為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科分別打下了基礎(chǔ)，而其中的任何一項(xiàng)工作，都足以讓他名列有史以來(lái)最偉大的科學(xué)家之列。很難想象，一個(gè)人的思維何以能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)涌動(dòng)出如此多的靈感，人們只能用一個(gè)拉丁文annus mirabilis來(lái)表示這一年，也就是“奇跡年”（當(dāng)然，有人會(huì)爭(zhēng)論說(shuō)1667年其實(shí)也是奇跡年）。
1905年的愛(ài)因斯坦也是這樣。在專(zhuān)利局里蝸居的他在這一年發(fā)表了6篇論文，3月18日，是我們上面提到過(guò)的關(guān)于光電效應(yīng)的文章，這成為了量子論的奠基石之一。4月30日，發(fā)表了關(guān)于測(cè)量分子大小的論文，這為他贏得了博士學(xué)位。5月11日和后來(lái)的12月19日，兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，成了分子論的里程碑。6月30日，發(fā)表題為《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》的論文，這個(gè)不起眼的題目后來(lái)被加上了一個(gè)如雷貫耳的名稱(chēng)，叫做“狹義相對(duì)論”，它的意義就不用我多說(shuō)了。9月27日，關(guān)于物體慣性和能量的關(guān)系，這是狹義相對(duì)論的進(jìn)一步說(shuō)明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程E=mc2。
單單這一年的工作，便至少配得上3個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。相對(duì)論的意義是否是諾貝爾獎(jiǎng)所能評(píng)價(jià)的，還難說(shuō)得很。而這一切也不過(guò)是在專(zhuān)利局的辦公室里，一個(gè)人用紙和筆完成的而已。的確很難想象，這樣的奇跡還會(huì)不會(huì)再次發(fā)生，因?yàn)閷?shí)在是太過(guò)于不可思議了。在科學(xué)高度細(xì)化的今天，已經(jīng)無(wú)法想象，一個(gè)人能夠在如此短時(shí)間內(nèi)作出如此巨大的貢獻(xiàn)。100年前的龐加萊已經(jīng)被稱(chēng)為數(shù)學(xué)界的“最后一位全才”，而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，也可能是最后一個(gè)富有個(gè)人英雄主義傳奇色彩的理論了吧？這是我們的幸運(yùn)，還是不幸呢？
上次說(shuō)到，愛(ài)因斯坦提出了光量子的假說(shuō)，用來(lái)解釋光電效應(yīng)中無(wú)法用電磁理論說(shuō)通的現(xiàn)象。
然而，光量子的概念卻讓別的科學(xué)家們感到非常地不理解。光的問(wèn)題不是已經(jīng)被定性了嗎？難道光不是已經(jīng)被包括在麥克斯韋理論之內(nèi)，作為電磁波的一種被清楚地描述了嗎？這個(gè)光量子又是怎么一回事情呢？
事實(shí)上，光量子是一個(gè)非常大膽的假設(shè)，它是在直接地向經(jīng)典物理體系挑戰(zhàn)。愛(ài)因斯坦本人也意識(shí)到這一點(diǎn)，在他看來(lái)，這可是他最有叛逆性的一篇論文了。在寫(xiě)給好友哈比希特（C.Habicht）的信中，愛(ài)因斯坦描述了他劃時(shí)代的四篇論文，只有在光量子上，他才用了“非常革命”的字眼，而甚至相對(duì)論都沒(méi)有這樣的描述。
光量子和傳統(tǒng)的電磁波動(dòng)圖象顯得格格不入，它其實(shí)就是昔日微粒說(shuō)的一種翻版，假設(shè)光是離散的，由一個(gè)個(gè)小的基本單位所組成的。自托馬斯.楊的時(shí)代又已經(jīng)過(guò)去了一百年，冥冥中天道循環(huán)，當(dāng)年被打倒在地的霸主以反叛的姿態(tài)再次登上舞臺(tái)，向已經(jīng)占據(jù)了王位的波動(dòng)說(shuō)展開(kāi)挑戰(zhàn)。這兩個(gè)命中注定的對(duì)手終于要進(jìn)行一場(chǎng)最后的決戰(zhàn)，從而領(lǐng)悟到各自存在的終極意義：如果沒(méi)有了你，我獨(dú)自站在這里，又是為了什么。
不過(guò)，光量子的處境和當(dāng)年起義的波動(dòng)一樣，是非常困難和不為人所接受的。波動(dòng)如今所占據(jù)的地位，甚至要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100年前籠罩在牛頓光環(huán)下的微粒王朝。波動(dòng)的王位，是由麥克斯韋欽點(diǎn)，而又有整個(gè)電磁王國(guó)作為同盟的。這場(chǎng)決戰(zhàn)，從一開(kāi)始就不再局限于光的領(lǐng)地之內(nèi)，而是整個(gè)電磁譜的性質(zhì)問(wèn)題。而我們很快將要看到，十幾年以后，戰(zhàn)爭(zhēng)將被擴(kuò)大，整個(gè)物理世界都將被卷入進(jìn)去，從而形成一場(chǎng)名副其實(shí)的世界大戰(zhàn)。
當(dāng)時(shí)，對(duì)于光量子的態(tài)度，連愛(ài)因斯坦本人都是非常謹(jǐn)慎的，更不用說(shuō)那些可敬的老派科學(xué)紳士們了。一方面，這和經(jīng)典的電磁圖象不相容；另一方面，當(dāng)時(shí)關(guān)于光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有一個(gè)能夠非常明確地證實(shí)光量子的正確性。微粒的這次絕地反擊，一直要到1915年才真正引起人們的注意，而起因也是非常諷刺的：美國(guó)人密立根（R.A.Millikan）想用實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)光量子圖象是錯(cuò)誤的，但是多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，他卻啼笑皆非地發(fā)現(xiàn)，自己已經(jīng)在很大的程度上證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)有說(shuō)服力地展示，在所有的情況下，光電現(xiàn)象都表現(xiàn)出量子化特征，而不是相反。
如果說(shuō)密立根的實(shí)驗(yàn)只是微粒革命軍的一次反圍剿成功，其意義還不足以說(shuō)服所有的物理學(xué)家的話(huà)，那么1923年，康普頓（A.H.Compton）則帶領(lǐng)這支軍隊(duì)取得了一場(chǎng)決定性的勝利，把他們所潛藏著的驚人力量展現(xiàn)得一覽無(wú)余。經(jīng)此一役后，再也沒(méi)有人懷疑，起來(lái)對(duì)抗經(jīng)典波動(dòng)帝國(guó)的，原來(lái)是一支實(shí)力不相上下的正規(guī)軍。
這次戰(zhàn)役的戰(zhàn)場(chǎng)是X射線的地域?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：散射出來(lái)的X射線分成兩個(gè)部分，一部分和原來(lái)的入射射線波長(zhǎng)相同，而另一部分卻比原來(lái)的射線波長(zhǎng)要長(zhǎng)，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。
如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論，散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)才對(duì)。但是怎么解釋多出來(lái)的那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個(gè)破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開(kāi)朗：那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬?。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有沖量，當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來(lái)光子的能量下降，根據(jù)公式E = hν，E下降導(dǎo)致ν下降，頻率變小，便是波長(zhǎng)變大，over。
在粒子的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出波長(zhǎng)變化和散射角的關(guān)系式，和實(shí)驗(yàn)符合得一絲不茍。這是一場(chǎng)極為漂亮的殲滅戰(zhàn)，波動(dòng)的力量根本沒(méi)有任何反擊的機(jī)會(huì)便被繳了械?？灯疹D總結(jié)道：“現(xiàn)在，幾乎不用再懷疑倫琴射線（注：即X射線）是一種量子現(xiàn)象了……實(shí)驗(yàn)令人信服地表明，輻射量子不僅具有能量，而且具有一定方向的沖量。”
上帝造了光，愛(ài)因斯坦指出了什么是光，而康普頓，則第一個(gè)在真正意義上“看到”了這光。
“第三次微波戰(zhàn)爭(zhēng)”全面爆發(fā)了。卷土重來(lái)的微粒軍團(tuán)裝備了最先進(jìn)的武器：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。這兩門(mén)大炮威力無(wú)窮，令波動(dòng)守軍難以抵擋，節(jié)節(jié)敗退。但是，波動(dòng)方面軍近百年苦心經(jīng)營(yíng)的陣地畢竟不是那么容易突破的，麥克斯韋理論和整個(gè)經(jīng)典物理體系的強(qiáng)大后援使得他們?nèi)匀涣⒂诓粩≈?。波?dòng)的擁護(hù)者們很快便清楚地意識(shí)到，不能再后退了，因?yàn)樯砗缶褪悄箍?！波?dòng)理論的全面失守將意味著麥克斯韋電磁體系的崩潰，但至少現(xiàn)在，微粒這一雄心勃勃的計(jì)劃還難以實(shí)現(xiàn)。
波動(dòng)在穩(wěn)住了陣腳之后，迅速地重新評(píng)估了自己的力量。雖然在光電問(wèn)題上它無(wú)能為力，但當(dāng)初它賴(lài)以建國(guó)的那些王牌武器卻依然沒(méi)有生銹和失效，仍然有著強(qiáng)大的殺傷力。微粒的復(fù)興雖然來(lái)得迅猛，但終究缺乏深度，它甚至不得不依靠從波動(dòng)那里繳獲來(lái)的軍火來(lái)作戰(zhàn)。比如我們已經(jīng)看到的光電效應(yīng)，對(duì)于光量子理論的驗(yàn)證牽涉到頻率和波長(zhǎng)的測(cè)定，而這卻仍然要靠光的干涉現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。波動(dòng)的立國(guó)之父托馬斯.楊，他的精神是如此偉大，以至在身后百年仍然光耀著波動(dòng)的戰(zhàn)旗，震懾一切反對(duì)力量。在每一間中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)兩道狹縫的光依然不依不饒地顯示出明暗相間的干涉條紋來(lái)，不容置疑地向世人表明他的波動(dòng)性。菲涅爾的論文雖然已經(jīng)在圖書(shū)館里蒙上了灰塵，但任何人只要有興趣，仍然可以重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，來(lái)確認(rèn)泊松亮斑的存在。麥克斯韋芳華絕代的方程組仍然在每天給出預(yù)言，而電磁波也仍然溫順地按照他的預(yù)言以30萬(wàn)公里每秒的速度行動(dòng)，既沒(méi)有快一點(diǎn)，也沒(méi)有慢一點(diǎn)。
戰(zhàn)局很快就陷入僵持，雙方都屯兵于自己得心應(yīng)手的陣地之內(nèi)，誰(shuí)也無(wú)力去占領(lǐng)對(duì)方的地盤(pán)。光子一陷入干涉的沼澤，便顯得笨拙而無(wú)法自拔；光波一進(jìn)入光電的叢林，也變得迷茫而不知所措。粒子還是波？在人類(lèi)文明達(dá)到高峰的20世紀(jì)，卻對(duì)宇宙中最古老的現(xiàn)象束手無(wú)策。
不過(guò)在這里，我們得話(huà)分兩頭。先讓微粒和波動(dòng)這兩支軍隊(duì)對(duì)壘一陣子，我們跳出光和電磁波的世界，回過(guò)頭去看看量子論是怎樣影響了實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)——原子核和電子的。來(lái)自丹麥的王子粉墨登場(chǎng)，在他的頭上，一顆大大的火流星劃過(guò)這陰云密布的天空，雖然只是一閃即逝，但卻在地上點(diǎn)燃了燎原大火，照亮了無(wú)邊的黑暗。
1911年9月，26歲的尼爾斯.玻爾渡過(guò)英吉利海峽，踏上了不列顛島的土地。年輕的玻爾不會(huì)想到，32年后，他還要再一次來(lái)到這個(gè)島上，但卻是藏在一架蚊式轟炸機(jī)的彈倉(cāng)里，冒著高空缺氧的考驗(yàn)和隨時(shí)被丟進(jìn)大海里的風(fēng)險(xiǎn)，九死一生后才到達(dá)了目的地。那一次，是邱吉爾首相親自簽署命令，從納粹的手中轉(zhuǎn)移了這位原子物理界的泰山北斗，使得盟軍在原子彈的競(jìng)爭(zhēng)方面成功地削弱了德國(guó)的優(yōu)勢(shì)。這也成了玻爾一生中最富有傳奇色彩，為人所津津樂(lè)道的一段故事。
當(dāng)然在1911年，玻爾還只是一個(gè)有著遠(yuǎn)大志向和夢(mèng)想，卻是默默無(wú)聞的青年。他走在劍橋的校園里，想象當(dāng)年牛頓和麥克斯韋在這里走過(guò)的樣子，歡欣鼓舞地像一個(gè)孩子。在草草地安定下來(lái)之后，玻爾做的第一件事情就是去拜訪大名鼎鼎的J.J.湯姆遜（Joseph John Thomson），后者是當(dāng)時(shí)富有盛名的物理學(xué)家，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的頭頭，電子的發(fā)現(xiàn)者，諾貝爾獎(jiǎng)得主。J.J.十分熱情地接待了玻爾，雖然玻爾的英語(yǔ)爛得可以，兩人還是談了好長(zhǎng)一陣子。J.J.收下了玻爾的論文，并把它放在自己的辦公桌上。
一切看來(lái)都十分順利，但可憐的尼爾斯并不知道，在漠視學(xué)生的論文這一點(diǎn)上，湯姆遜是“惡名昭著”的。事實(shí)上，玻爾的論文一直被閑置在桌子上，J.J.根本沒(méi)有看過(guò)一個(gè)字。劍橋?qū)τ诓杹?lái)說(shuō)，實(shí)在不是一個(gè)讓人激動(dòng)的地方，他的project也進(jìn)行得不是十分順利?？偠灾趧虻娜兆永?，除了在一個(gè)足球隊(duì)里大顯身手之外，似乎沒(méi)有什么是讓玻爾覺(jué)得值得一提的。失望之下，玻爾決定尋求一些改變，他把眼光投向了曼徹斯特。相比劍橋，曼徹斯特那污染的天空似乎沒(méi)有什么吸引力，但對(duì)一個(gè)物理系的學(xué)生來(lái)說(shuō)，那里卻有一個(gè)閃著金光的名字：恩內(nèi)斯特.盧瑟福（Ernest Rutherford）。
說(shuō)起來(lái)，盧瑟福也是J.J.湯姆遜的學(xué)生。這位出身于新西蘭農(nóng)場(chǎng)的科學(xué)家身上保持著農(nóng)民那勤儉樸實(shí)的作風(fēng)，對(duì)他的助手和學(xué)生們永遠(yuǎn)是那樣熱情和關(guān)心，提供所有力所能及的幫助。再說(shuō)，玻爾選擇的時(shí)機(jī)真是再恰當(dāng)也不過(guò)了，1912年，那正是一個(gè)黎明的曙光就要來(lái)臨，科學(xué)新的一頁(yè)就要被書(shū)寫(xiě)的年份。人們已經(jīng)站在了通向原子神秘內(nèi)部世界的門(mén)檻上，只等玻爾來(lái)邁出這決定性的一步了。
這個(gè)故事還要從前一個(gè)世紀(jì)說(shuō)起。1897年，J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那里流傳下來(lái)的“原子不可分割”的理念，明確地向人們展示：原子是可以繼續(xù)分割的，它有著自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那么，這個(gè)結(jié)構(gòu)是怎么樣的呢？湯姆遜那時(shí)完全缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)，他于是展開(kāi)自己的想象，勾勒出這樣的圖景：原子呈球狀，帶正電荷。而帶負(fù)電荷的電子則一粒粒地“鑲嵌”在這個(gè)圓球上。這樣的一幅畫(huà)面，也就是史稱(chēng)的“葡萄干布丁”模型，電子就像布丁上的葡萄干一樣。
但是，1910年，盧瑟福和學(xué)生們?cè)谒膶?shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了一次名留青史的實(shí)驗(yàn)。他們用α粒子（帶正電的氦核）來(lái)轟擊一張極薄的金箔，想通過(guò)散射來(lái)確認(rèn)那個(gè)“葡萄干布丁”的大小和性質(zhì)。但是，極為不可思議的情況出現(xiàn)了：有少數(shù)α粒子的散射角度是如此之大，以致超過(guò)90度。對(duì)于這個(gè)情況，盧瑟福自己描述得非常形象：“這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊，結(jié)果這炮彈卻被反彈了回來(lái)，反而擊中了你自己一樣”。
盧瑟福發(fā)揚(yáng)了亞里士多德前輩“吾愛(ài)吾師，但吾更愛(ài)真理”的優(yōu)良品格，決定修改湯姆遜的葡萄干布丁模型。他認(rèn)識(shí)到，α粒子被反彈回來(lái)，必定是因?yàn)樗鼈兒徒鸩又心撤N極為堅(jiān)硬密實(shí)的核心發(fā)生了碰撞。這個(gè)核心應(yīng)該是帶正電，而且集中了原子的大部分質(zhì)量。但是，從α粒子只有很少一部分出現(xiàn)大角度散射這一情況來(lái)看，那核心占據(jù)的地方是很小的，不到原子半徑的萬(wàn)分之一。
于是，盧瑟福在次年（1911）發(fā)表了他的這個(gè)新模型。在他描述的原子圖象中，有一個(gè)占據(jù)了絕大部分質(zhì)量的“原子核”在原子的中心。而在這原子核的四周，帶負(fù)電的電子則沿著特定的軌道繞著它運(yùn)行。這很像一個(gè)行星系統(tǒng)（比如太陽(yáng)系），所以這個(gè)模型被理所當(dāng)然地稱(chēng)為“行星系統(tǒng)”模型。在這里，原子核就像是我們的太陽(yáng)，而電子則是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的行星們。
但是，這個(gè)看來(lái)完美的模型卻有著自身難以克服的嚴(yán)重困難。因?yàn)槲锢韺W(xué)家們很快就指出，帶負(fù)電的電子繞著帶正電的原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)體系是不穩(wěn)定的。兩者之間會(huì)放射出強(qiáng)烈的電磁輻射，從而導(dǎo)致電子一點(diǎn)點(diǎn)地失去自己的能量。作為代價(jià)，它便不得不逐漸縮小運(yùn)行半徑，直到最終“墜毀”在原子核上為止，整個(gè)過(guò)程用時(shí)不過(guò)一眨眼的工夫。換句話(huà)說(shuō)，就算世界如同盧瑟福描述的那樣，也會(huì)在轉(zhuǎn)瞬之間因?yàn)樵幼陨淼奶s而毀于一旦。原子核和電子將不可避免地放出輻射并互相中和，然后把盧瑟福和他的實(shí)驗(yàn)室，乃至整個(gè)英格蘭，整個(gè)地球，整個(gè)宇宙都變成一團(tuán)混沌。
不過(guò)，當(dāng)然了，雖然理論家們發(fā)出如此陰森恐怖的預(yù)言，太陽(yáng)仍然每天按時(shí)升起，大家都活得好好的。電子依然快樂(lè)地圍繞原子打轉(zhuǎn)，沒(méi)有一點(diǎn)失去能量的預(yù)兆。而丹麥的年輕人尼爾斯.玻爾照樣安安全全地抵達(dá)了曼徹斯特，并開(kāi)始譜寫(xiě)物理史上屬于他的華彩篇章。
玻爾沒(méi)有因?yàn)楸R瑟福模型的困難而放棄這一理論，畢竟它有著α粒子散射實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)力支持。相反，玻爾對(duì)電磁理論能否作用于原子這一人們從未涉足過(guò)的層面，倒是抱有相當(dāng)?shù)膽岩沙煞帧Ｂ鼜厮固氐纳铒@然要比劍橋令玻爾舒心許多，雖然他和盧瑟福兩個(gè)人的性格是如此不同，后者是個(gè)急性子，永遠(yuǎn)精力旺盛，而他玻爾則像個(gè)害羞的大男孩，說(shuō)一句話(huà)都顯得口齒不清。但他們顯然是絕妙的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，玻爾的天才在盧瑟福這個(gè)老板的領(lǐng)導(dǎo)下被充分地激發(fā)出來(lái)，很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。
1912年7月，玻爾完成了他在原子結(jié)構(gòu)方面的第一篇論文，歷史學(xué)家們后來(lái)常常把它稱(chēng)作“曼徹斯特備忘錄”。玻爾在其中已經(jīng)開(kāi)始試圖把量子的概念結(jié)合到盧瑟福模型中去，以解決經(jīng)典電磁力學(xué)所無(wú)法解釋的難題。但是，一切都只不過(guò)是剛剛開(kāi)始而已，在那片還沒(méi)有前人涉足的處女地上，玻爾只能一步步地摸索前進(jìn)。沒(méi)有人告訴他方向應(yīng)該在哪里，而他的動(dòng)力也不過(guò)是對(duì)于盧瑟福模型的堅(jiān)信和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當(dāng)時(shí)對(duì)原子光譜的問(wèn)題一無(wú)所知，當(dāng)然也看不到它后來(lái)對(duì)于原子研究的決定性意義，不過(guò)，革命的方向已經(jīng)確定，已經(jīng)沒(méi)有什么能夠改變量子論即將嶄露頭角這個(gè)事實(shí)了。
在濃云密布的天空中，出現(xiàn)了一線微光。雖然后來(lái)證明，那只是一顆流星，但是這光芒無(wú)疑給已經(jīng)僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機(jī)，一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點(diǎn)燃了人們手中的火炬，引導(dǎo)他們?nèi)ふ艺嬲挠篮愕墓饷鳌?/p>
終于，7月24日，玻爾完成了他在英國(guó)的學(xué)習(xí)，動(dòng)身返回祖國(guó)丹麥。在那里，他可愛(ài)的未婚妻瑪格麗特正在焦急地等待著他，而物理學(xué)的未來(lái)也即將要向他敞開(kāi)心扉。在臨走前，玻爾把他的論文交給盧瑟福過(guò)目，并得到了熱切的鼓勵(lì)。只是，盧瑟福有沒(méi)有想到，這個(gè)青年將在怎樣的一個(gè)程度上，改變?nèi)藗儗?duì)世界的終極看法呢？
是的，是的，時(shí)機(jī)已到。偉大的三部曲即將問(wèn)世，而真正屬于量子的時(shí)代，也終于到來(lái)。
盧瑟福本人是一位偉大的物理學(xué)家，這是無(wú)需置疑的。但他同時(shí)更是一位偉大的物理導(dǎo)師，他以敏銳的眼光去發(fā)現(xiàn)人們的天才，又以偉大的人格去關(guān)懷他們，把他們的潛力挖掘出來(lái)。在盧瑟福身邊的那些助手和學(xué)生們，后來(lái)絕大多數(shù)都出落得非常出色，其中更包括了為數(shù)眾多的科學(xué)大師們。
我們熟悉的尼爾斯.玻爾，20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一，1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，量子論的奠基人和象征。在曼徹斯特跟隨過(guò)盧瑟福。
保羅.狄拉克（Paul Dirac），量子論的創(chuàng)始人之一，同樣偉大的科學(xué)家，1933年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。他的主要成就都是在劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做出的（那時(shí)盧瑟福接替了J.J.湯姆遜成為這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的主任）。狄拉克獲獎(jiǎng)的時(shí)候才31歲，他對(duì)盧瑟福說(shuō)他不想領(lǐng)這個(gè)獎(jiǎng)，因?yàn)樗憛捲诠娭械拿?。盧瑟福勸道，如果不領(lǐng)獎(jiǎng)的話(huà)，那么這個(gè)名聲可就更響了。
中子的發(fā)現(xiàn)者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼徹斯特花了兩年時(shí)間在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室里。他于1935年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。
布萊克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大戰(zhàn)后辭去了海軍上尉的職務(wù)，進(jìn)入劍橋跟隨盧瑟福學(xué)習(xí)物理。他后來(lái)改進(jìn)了威爾遜云室，并在宇宙線和核物理方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，為此獲得了1948年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。
1932年，沃爾頓（E.T.S Walton）和考克勞夫特（John Cockcroft）在盧瑟福的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室里建造了強(qiáng)大的加速器，并以此來(lái)研究原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這兩位盧瑟福的弟子在1951年分享了諾貝爾物理獎(jiǎng)金。
這個(gè)名單可以繼續(xù)開(kāi)下去，一直到長(zhǎng)得令人無(wú)法忍受為止：英國(guó)人索迪（Frederick Soddy），1921年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。瑞典人赫維西（Georg von Hevesy），1943年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。德國(guó)人哈恩（Otto Hahn），1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國(guó)人鮑威爾（Cecil Frank Powell），1950年諾貝爾物理獎(jiǎng)。美國(guó)人貝特（Hans Bethe），1967年諾貝爾物理獎(jiǎng)。蘇聯(lián)人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
除去一些稍微疏遠(yuǎn)一點(diǎn)的case，盧瑟福一生至少培養(yǎng)了10位諾貝爾獎(jiǎng)得主（還不算他自己本人）。當(dāng)然，在他的學(xué)生中還有一些沒(méi)有得到諾獎(jiǎng)，但同樣出色的名字，比如漢斯.蓋革（Hans Geiger，他后來(lái)以發(fā)明了蓋革計(jì)數(shù)器而著名）、亨利.莫斯里（Henry Mosley，一個(gè)被譽(yù)為有著無(wú)限天才的年輕人，可惜死在了一戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)上）、恩內(nèi)斯特.馬斯登（Ernest Marsden，他和蓋革一起做了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，后來(lái)被封為爵士）……等等，等等。
盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室被后人稱(chēng)為“諾貝爾獎(jiǎng)得主的幼兒園”。他的頭像出現(xiàn)在新西蘭貨幣的最大面值——100元上面，作為國(guó)家對(duì)他最崇高的敬意和紀(jì)念。
1912年8月1日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠(yuǎn)的一個(gè)小鎮(zhèn)上結(jié)婚，隨后他們前往英國(guó)展開(kāi)蜜月。當(dāng)然，有一個(gè)人是萬(wàn)萬(wàn)不能忘記拜訪的，那就是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。
雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒(méi)有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福就此再一次認(rèn)真地交換了看法，并加深了自己的信念?；氐降満螅阋园俜种俚臒崆橥度氲竭@一工作中去。揭開(kāi)原子內(nèi)部的奧秘，這一夢(mèng)想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無(wú)法抗拒。
為了能使大家跟得上我們史話(huà)的步伐，我們還是再次描述一下當(dāng)時(shí)玻爾面臨的處境。盧瑟福的實(shí)驗(yàn)展示了一個(gè)全新的原子面貌：有一個(gè)致密的核心處在原子的中央，而電子則繞著這個(gè)中心運(yùn)行，像是圍繞著太陽(yáng)的行星。然而，這個(gè)模型面臨著嚴(yán)重的理論困難，因?yàn)榻?jīng)典電磁理論預(yù)言，這樣的體系將會(huì)無(wú)可避免地釋放出輻射能量，并最終導(dǎo)致體系的崩潰。換句話(huà)說(shuō)，盧瑟福的原子是不可能穩(wěn)定存在超過(guò)1秒鐘的。
玻爾面臨著選擇，要么放棄盧瑟福模型，要么放棄麥克斯韋和他的偉大理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄后者。他以一種深刻的洞察力預(yù)見(jiàn)到，在原子這樣小的層次上，經(jīng)典理論將不再成立，新的革命性思想必須被引入，這個(gè)思想就是普朗克的量子以及他的h常數(shù)。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)這是一個(gè)相當(dāng)困難的任務(wù)。如何推翻麥?zhǔn)侠碚撨€在其次，關(guān)鍵是新理論要能夠完美地解釋原子的一切行為。玻爾在哥本哈根埋頭苦干的那個(gè)年頭，門(mén)捷列夫的元素周期律已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了很久，化學(xué)鍵理論也已經(jīng)被牢固地建立。種種跡象都表明在原子內(nèi)部，有一種潛在的規(guī)律支配著它們的行為，并形成某種特定的模式。原子世界像一座蘊(yùn)藏了無(wú)窮財(cái)寶的金字塔，但如何找到進(jìn)入其內(nèi)部的通道，卻是一個(gè)讓人撓頭不已的難題。
然而，像當(dāng)年的貝爾佐尼一樣，玻爾也有著一個(gè)探險(xiǎn)家所具備的最寶貴的素質(zhì)：洞察力和直覺(jué)，這使得他能夠抓住那個(gè)不起眼，但卻是唯一的，稍縱即逝的線索，從而打開(kāi)那扇通往全新世界的大門(mén)。1913年初，年輕的丹麥人漢森（Hans Marius Hansen）請(qǐng)教玻爾，在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，玻爾之前并沒(méi)有太多地考慮過(guò)，原子光譜對(duì)他來(lái)說(shuō)是陌生和復(fù)雜的，成千條譜線和種種奇怪的效應(yīng)在他看來(lái)太雜亂無(wú)章，似乎不能從中得出什么有用的信息。然而漢森告訴玻爾，這里面其實(shí)是有規(guī)律的，比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾關(guān)心一下巴爾末的工作。
突然間，就像伊翁（Ion）發(fā)現(xiàn)了藏在箱子里的繪著戈耳工的麻布，一切都豁然開(kāi)朗。山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村。在誰(shuí)也沒(méi)有想到的地方，量子得到了決定性的突破。1954年，玻爾回憶道：當(dāng)我一看見(jiàn)巴爾末的公式，一切就都清楚不過(guò)了。
要從頭回顧光譜學(xué)的發(fā)展，又得從偉大的本生和基爾霍夫說(shuō)起，而那勢(shì)必又是一篇規(guī)模宏大的文字。鑒于篇幅，我們只需要簡(jiǎn)單地了解一下這方面的背景知識(shí)，因?yàn)楸臼吩?huà)原來(lái)也沒(méi)有打算把方方面面都事無(wú)巨細(xì)地描述完全。概括來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)知道，任何元素在被加熱時(shí)都會(huì)釋放出含有特定波長(zhǎng)的光線，比如我們從中學(xué)的焰色實(shí)驗(yàn)中知道，鈉鹽放射出明亮的黃光，鉀鹽則呈紫色，鋰是紅色，銅是綠色……等等。將這些光線通過(guò)分光鏡投射到屏幕上，便得到光譜線。各種元素在光譜里一覽無(wú)余：鈉總是表現(xiàn)為一對(duì)黃線，鋰產(chǎn)生一條明亮的紅線和一條較暗的橙線，鉀則是一條紫線?？偠灾?，任何元素都產(chǎn)生特定的唯一譜線。
但是，這些譜線呈現(xiàn)什么規(guī)律以及為什么會(huì)有這些規(guī)律，卻是一個(gè)大難題。拿氫原子的譜線來(lái)說(shuō)吧，這是最簡(jiǎn)單的原子譜線了。它就呈現(xiàn)為一組線段，每一條線都代表了一個(gè)特定的波長(zhǎng)。比如在可見(jiàn)光區(qū)間內(nèi)，氫原子的光譜線依次為：656，484，434，410，397，388，383，380……納米。這些數(shù)據(jù)無(wú)疑不是雜亂無(wú)章的，1885年，瑞士的一位數(shù)學(xué)教師巴爾末（Johann Balmer）發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律，并總結(jié)了一個(gè)公式來(lái)表示這些波長(zhǎng)之間的關(guān)系，這就是著名的巴爾末公式。將它的原始形式稍微變換一下，用波長(zhǎng)的倒數(shù)來(lái)表示，則顯得更加簡(jiǎn)單明了：
ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）
其中的R是一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為里德伯（Rydberg）常數(shù)，n是大于2的正整數(shù)（3，4，5……等等）。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這是一個(gè)十分有用的經(jīng)驗(yàn)公式。但沒(méi)有人可以說(shuō)明，這個(gè)公式背后的意義是什么，以及如何從基本理論將它推導(dǎo)出來(lái)。但是在玻爾眼里，這無(wú)疑是一個(gè)晴天霹靂，它像一個(gè)火花，瞬間點(diǎn)燃了玻爾的靈感，所有的疑惑在那一刻變得順理成章了，玻爾知道，隱藏在原子里的秘密，終于向他嫣然展開(kāi)笑顏。
我們來(lái)看一下巴耳末公式，這里面用到了一個(gè)變量n，那是大于2的任何正整數(shù)。n可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5，這無(wú)疑是一種量子化的表述。玻爾深呼了一口氣，他的大腦在急速地運(yùn)轉(zhuǎn)，原子只能放射出波長(zhǎng)符合某種量子規(guī)律的輻射，這說(shuō)明了什么呢？我們回憶一下從普朗克引出的那個(gè)經(jīng)典量子公式：E = hν。頻率（波長(zhǎng)）是能量的量度，原子只釋放特定波長(zhǎng)的輻射，說(shuō)明在原子內(nèi)部，它只能以特定的量吸收或發(fā)射能量。而原子怎么會(huì)吸收或者釋放能量的呢？這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光譜的譜線是由電子在不同勢(shì)能的位置之間移動(dòng)而放射出來(lái)的，英國(guó)人尼科爾森（J.W.Nicholson）也有著類(lèi)似的想法。玻爾對(duì)這些工作無(wú)疑都是了解的。
一個(gè)大膽的想法在玻爾的腦中浮現(xiàn)出來(lái)：原子內(nèi)部只能釋放特定量的能量，說(shuō)明電子只能在特定的“勢(shì)能位置”之間轉(zhuǎn)換。也就是說(shuō)，電子只能按照某些“確定的”軌道運(yùn)行，這些軌道，必須符合一定的勢(shì)能條件，從而使得電子在這些軌道間躍遷時(shí)，只能釋放出符合巴耳末公式的能量來(lái)。
我們可以這樣來(lái)打比方。如果你在中學(xué)里好好地聽(tīng)講過(guò)物理課，你應(yīng)該知道勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。一個(gè)體重100公斤的人從1米高的臺(tái)階上跳下來(lái)，他/她會(huì)獲得1000焦耳的能量，當(dāng)然，這些能量會(huì)轉(zhuǎn)化為落下時(shí)的動(dòng)能。但如果情況是這樣的，我們通過(guò)某種方法得知，一個(gè)體重100公斤的人跳下了若干級(jí)高度相同的臺(tái)階后，總共釋放出了1000焦耳的能量，那么我們關(guān)于每一級(jí)臺(tái)階的高度可以說(shuō)些什么呢？
明顯而直接的計(jì)算就是，這個(gè)人總共下落了1米，這就為我們臺(tái)階的高度加上了一個(gè)嚴(yán)格的限制。如果在平時(shí)，我們會(huì)承認(rèn)，一個(gè)臺(tái)階可以有任意的高度，完全看建造者的興趣而已。但如果加上了我們的這個(gè)條件，每一級(jí)臺(tái)階的高度就不再是任意的了。我們可以假設(shè)，總共只有一級(jí)臺(tái)階，那么它的高度就是1米?；蛘哌@個(gè)人總共跳了兩級(jí)臺(tái)階，那么每級(jí)臺(tái)階的高度是0.5米。如果跳了3次，那么每級(jí)就是1/3米。如果你是間諜片的愛(ài)好者，那么大概你會(huì)推測(cè)每級(jí)臺(tái)階高1/39米。但是無(wú)論如何，我們不可能得到這樣的結(jié)論，即每級(jí)臺(tái)階高0.6米。道理是明顯的：高0.6米的臺(tái)階不符合我們的觀測(cè)（總共釋放了1000焦耳能量）。如果只有一級(jí)這樣的臺(tái)階，那么它帶來(lái)的能量就不夠，如果有兩級(jí)，那么總高度就達(dá)到了1.2米，導(dǎo)致釋放的能量超過(guò)了觀測(cè)值。如果要符合我們的觀測(cè)，那么必須假定總共有一又三分之二級(jí)臺(tái)階，而這無(wú)疑是荒謬的，因?yàn)樾『⒆佣贾?，臺(tái)階只能有整數(shù)級(jí)。
在這里，臺(tái)階數(shù)“必須”是整數(shù)，就是我們的量子化條件。這個(gè)條件就限制了每級(jí)臺(tái)階的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是這其間的任何一個(gè)數(shù)字。
原子和電子的故事在道理上基本和這個(gè)差不多。我們還記得，在盧瑟福模型里，電子像行星一樣繞著原子核打轉(zhuǎn)。當(dāng)電子離核最近的時(shí)候，它的能量最低，可以看成是在“平地”上的狀態(tài)。但是，一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動(dòng)力，向上“攀登”一個(gè)或幾個(gè)臺(tái)階，到達(dá)一個(gè)新的軌道。當(dāng)然，如果沒(méi)有了能量的補(bǔ)充，它又將從那個(gè)高處的軌道上掉落下來(lái)，一直回到“平地”狀態(tài)為止，同時(shí)把當(dāng)初的能量再次以輻射的形式釋放出來(lái)。
關(guān)鍵是，我們現(xiàn)在知道，在這一過(guò)程中，電子只能釋放或吸收特定的能量（由光譜的巴爾末公式給出），而不是連續(xù)不斷的。玻爾做出了合理的推斷：這說(shuō)明電子所攀登的“臺(tái)階”，它們必須符合一定的高度條件，而不能像經(jīng)典理論所假設(shè)的那樣，是連續(xù)而任意的。連續(xù)性被破壞，量子化條件必須成為原子理論的主宰。
我們不得不再一次用到量子公式E = hν，還請(qǐng)各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那暢銷(xiāo)書(shū)《時(shí)間簡(jiǎn)史》的Acknowledgements里面說(shuō)，插入任何一個(gè)數(shù)學(xué)公式都會(huì)使作品的銷(xiāo)量減半，所以他考慮再三，只用了一個(gè)公式E = mc2。我們的史話(huà)本是戲作，也不考慮那么多，但就算列出公式，也不強(qiáng)求各位看客理解其數(shù)學(xué)意義。唯有這個(gè)E = hν，筆者覺(jué)得還是有必要清楚它的含義，這對(duì)于整部史話(huà)的理解也是有好處的，從科學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，它也決不亞于愛(ài)因斯坦的那個(gè)E = mc2。所以還是不厭其煩地重復(fù)一下這個(gè)方程的描述：E代表能量，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率。
回到正題，玻爾現(xiàn)在清楚了，氫原子的光譜線代表了電子從一個(gè)特定的臺(tái)階跳躍到另外一個(gè)臺(tái)階所釋放的能量。因?yàn)橛^測(cè)到的光譜線是量子化的，所以電子的“臺(tái)階”（或者軌道）必定也是量子化的，它不能連續(xù)而取任意值，而必須分成“底樓”，“一樓”，“二樓”等，在兩層“樓”之間，是電子的禁區(qū)，它不可能出現(xiàn)在那里。正如一個(gè)人不能懸在兩級(jí)臺(tái)階之間漂浮一樣。如果現(xiàn)在電子在“三樓”，它的能量用W3表示，那么當(dāng)這個(gè)電子突發(fā)奇想，決定跳到“一樓”（能量W1）的期間，它便釋放出了W3-W1的能量。我們要求大家記住的那個(gè)公式再一次發(fā)揮作用，W3-W1 = hν。所以這一舉動(dòng)的直接結(jié)果就是，一條頻率為ν的譜線出現(xiàn)在該原子的光譜上。
玻爾所有的這些思想，轉(zhuǎn)化成理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)表達(dá)，并以三篇論文的形式最終發(fā)表。這三篇論文（或者也可以說(shuō)，一篇大論文的三個(gè)部分），分別題名為《論原子和分子的構(gòu)造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《單原子核體系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核體系》（Systems Containing Several Nuclei），于1913年3月到9月陸續(xù)寄給了遠(yuǎn)在曼徹斯特的盧瑟福，并由后者推薦發(fā)表在《哲學(xué)雜志》（Philosophical Magazine）上。這就是在量子物理歷史上劃時(shí)代的文獻(xiàn)，亦即偉大的“三部曲”。
這確確實(shí)實(shí)是一個(gè)新時(shí)代的到來(lái)。如果把量子力學(xué)的發(fā)展史分為三部分，1900年的普朗克宣告了量子的誕生，那么1913年的玻爾則宣告了它進(jìn)入了青年時(shí)代。一個(gè)完整的關(guān)于量子的理論體系第一次被建造起來(lái)，雖然我們將會(huì)看到，這個(gè)體系還留有濃重的舊世界的痕跡，但它的意義卻是無(wú)論如何不能低估的。量子第一次使全世界震驚于它的力量，雖然它的意識(shí)還有一半仍在沉睡中，雖然它自己仍然置身于舊的物理大廈之內(nèi)，但它的怒吼已經(jīng)無(wú)疑地使整個(gè)舊世界搖搖欲墜，并動(dòng)搖了延綿幾百年的經(jīng)典物理根基。神話(huà)中的巨人已經(jīng)開(kāi)始蘇醒，那些藏在古老城堡里的貴族們，顫抖吧！ |
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