第九章 威力巨大的原子(4)

隨着物理學家們深入這個亞原子世界，他們意識到，那裏不僅不同於我們所熟悉的任何東西，也不同於所能想像的任何東西。"由於原子的行為如此不同於普通的經驗，"理查德·費曼有一次說，"你是很難習慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經驗的物理學家看來，它顯得又古怪，又神秘。"到費曼發表這番評論的時候，物理學家們已經有半個世紀的時間來適應原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們在20世紀初會有什麼感覺。它在當時還完全是個新鮮事物。與盧瑟福一起工作的人當中，有個和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結構的過程中，突然有了個激動人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時代意義的論文。物理學家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據它在外來條件作用下的表現方式來確定它的結構，比如像盧瑟福那樣向金箔發射α粒子。有時候，這類實驗的結果是令人費解的，那也不足為怪。有個存在很久的難題跟氫的波長的光譜讀數有關。它們產生的形狀顯示，氫原子在有的波長釋放能量，在有的波長不釋放能量。這猶如一個受到監視的人，不斷出現在特定的地點，但永遠也看不到他是怎麼跑過來跑過去的。誰也說不清是什麼原因。就是在思索這個問題的時候，玻爾突然想到一個答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構造》，認為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會墜入原子核。根據這種新的理論，在兩個軌道之間運行的電子會在一個軌道消失，立即在另一軌道出現，而又不通過中間的空間。這種見解--即著名的"量子躍遷"--當然是極其奇特的，而又實在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會災難性地盤旋着飛進原子核，而且解釋了氫的令人費解的波長。電子只出現在某些軌道，因為它們只存在於某些軌道。這是個了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年--即愛因斯坦獲得該獎的第二年--的諾貝爾物理學獎。與此同時，不知疲倦的盧瑟福這時候已經返回劍橋大學，接替湯姆遜擔任卡文迪許實驗室主任。他設計出了一種模型，說明原子核不會爆炸的原因。他認為，質子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消，他把這種粒子叫做中子。這個想法簡單而動人，但不容易證明。盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11個年頭尋找中子，終於在1932年獲得成功。1935年，他也獲得了諾貝爾物理學獎。正如布爾斯及其同事在他們的物理學史中指出的，較晚發現中子或許是一件很好的事，因為發展原子彈必須掌握中子。（由於中子不帶電荷，它們不會被原子中心的電場排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進原子核，啟動名叫裂變的破壞過程。）他們認為，要是在20世紀20年代就能分離中子，"原子彈很可能先在歐洲研製出來，毫無疑問是被德國人"。實際上，歐洲人當時忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現。他們面臨的主要問題是，電子有時候表現得很像粒子，有時候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學家逼上絕境。在此後的10年裏，全歐洲的物理學家都在思索呀，亂塗呀，提出互相矛盾的假設呀。在法國，公爵世家出身的路易－維克多·德布羅意親王發現如果把電子看做是波，那麼電子行為的某些反常就消失了。這一發現引起了奧地利人埃爾文·薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉，設計了一種容易理解的理論，名叫波動力學。幾乎同時，德國物理學家維爾納·海森伯提出了一種對立的理論，叫做矩陣力學。那種理論牽涉到複雜的數學，實際上幾乎沒有人搞得明白，包括海森伯本人在內（"我連什麼是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對一位朋友說），但似乎確實解決了薛定諤的波動力學裏一些無法解釋的問題。結果，物理學有了兩種理論，它們基於互相衝突的前提，但得出同樣的結果。這是個令人難以置信的局面。1926年，海森伯終於想出個極好的妥協辦法，提出了一種後來被稱之為量子力學的新理論。該理論的核心是"海森伯測不準原理"。它認為，電子是一種粒子，不過是一種可以用波來描述的粒子。作為建立該理論基礎的"測不準原理"認為，我們可以知道電子穿越空間所經過的路徑，我們也可以知道電子在某個特定時刻的位置，但我們無法兩者都知道。任何想要測定其中之一的努力，勢必會幹擾其中之二。這不是個需要更精密的儀器的簡單問題；這是宇宙的一種不可改變的特性。真正的意思是，你永遠也無法預測電子在任何特定時刻的位置。你只能認為它有可能在那裏。在某種意義上，正如丹尼斯·奧弗比所說，電子只有等到被觀察到了，你才能說它確實存在。換句稍稍不同的話來說，在電子被觀察到之前，你非得認為電子"哪裏都有，而又哪裏都沒有"。如果你覺得被這種說法弄得稀里糊塗，你要知道，它也把物理學家們弄得稀里糊塗，這是值得安慰的。奧弗比說："有一次，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時沒有發火，這說明他沒有理解意思。"當有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說："別這麼干。"