上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第9章
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光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入，它其实就是昔日微粒说的一种翻版，假设光
是离散的，由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯？杨的时代又已经过去了一百年，
冥冥中天道循环，当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台，向已经占据了王位
的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战，从而领悟到各自
存在的终极意义：如果没有了你，我独自站在这里，又是为了什么。
不过，光量子的处境和当年起义的波动一样，是非常困难和不为人所接受的。波动如今所
占据的地位，甚至要远远超过100年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位，是由
麦克斯韦钦点，而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战，从一开始就不再局限于光的
领地之内，而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快将要看到，十几年以后，战争将被扩
大，整个物理世界都将被卷入进去，从而形成一场名副其实的世界大战。
当时，对于光量子的态度，连爱因斯坦本人都是非常谨慎的，更不用说那些可敬的老派科
学绅士们了。一方面，这和经典的电磁图象不相容；另一方面，当时关于光电效应的实验
没有一个能够非常明确地证实光量子的正确性。微粒的这次绝地反击，一直要到1915年才
真正引起人们的注意，而起因也是非常讽刺的：美国人密立根（R。A。Millikan）想用实验
来证实光量子图象是错误的，但是多次反复实验之后，他却啼笑皆非地发现，自己已经在
很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示，在所有的情
况下，光电现象都表现出量子化特征，而不是相反。
如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功，其意义还不足以说服所有的物理
学家的话，那么1923年，康普顿（A。Hpton）则带领这支军队取得了一场决定性的胜
利，把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后，再也没有人怀疑，起来对
抗经典波动帝国的，原来是一支实力不相上下的正规军。
这次战役的战场是X射线的地域。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现一个奇
怪的现象：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一
部分却比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在着函数关系。
如果运用通常的波动理论，散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的
那一部分波长变长的射线呢？康普顿苦苦思索，试图从经典理论中寻找答案，却撞得头破
血流。终于有一天，他作了一个破釜沉舟的决定，引入光量子的假设，把X射线看作能量
为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光，眼前豁然开朗：那一部分波长变
长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样，不仅带有能量，还具
有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来光子的能量下降
，根据公式E = hν，E下降导致ν下降，频率变小，便是波长变大，over。
在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式，和实验符合得一丝不苟。这是一场极
为漂亮的歼灭战，波动的力量根本没有任何反击的机会便被缴了械。康普顿总结道：“现
在，几乎不用再怀疑伦琴射线（注：即X射线）是一种量子现象了……实验令人信服地表
明，辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量。”
上帝造了光，爱因斯坦指出了什么是光，而康普顿，则第一个在真正意义上“看到”了这
光。
“第三次微波战争”全面爆发了。卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和
康普顿效应。这两门大炮威力无穷，令波动守军难以抵挡，节节败退。但是，波动方面军
近百年苦心经营的阵地毕竟不是那么容易突破的，麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强
大后援使得他们仍然立于不败之地。波动的拥护者们很快便清楚地意识到，不能再后退了
，因为身后就是莫斯科！波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃，但至少
现在，微粒这一雄心勃勃的计划还难以实现。
波动在稳住了阵脚之后，迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力，
但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效，仍然有着强大的杀伤力。微粒
的复兴虽然来得迅猛，但终究缺乏深度，它甚至不得不依靠从波动那里缴获来的军火来作
战。比如我们已经看到的光电效应，对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定，而
这却仍然要靠光的干涉现象来实现。波动的立国之父托马斯？杨，他的精神是如此伟大，
以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗，震慑一切反对力量。在每一间中学的实验室里，
通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来，不容置疑地向世人表明
他的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在图书馆里蒙上了灰尘，但任何人只要有兴趣，仍然
可以重复他的实验，来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每天给出
预言，而电磁波也仍然温顺地按照他的预言以30万公里每秒的速度行动，既没有快一点，
也没有慢一点。
战局很快就陷入僵持，双方都屯兵于自己得心应手的阵地之内，谁也无力去占领对方的地
盘。光子一陷入干涉的沼泽，便显得笨拙而无法自拔；光波一进入光电的丛林，也变得迷
茫而不知所措。粒子还是波？在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象束
手无策。
不过在这里，我们得话分两头。先让微粒和波动这两支军队对垒一阵子，我们跳出光和电
磁波的世界，回过头去看看量子论是怎样影响了实实在在的物质——原子核和电子的。来
自丹麦的王子粉墨登场，在他的头上，一颗大大的火流星划过这阴云密布的天空，虽然只
是一闪即逝，但却在地上点燃了燎原大火，照亮了无边的黑暗。
四
1911年9月，26岁的尼尔斯？玻尔渡过英吉利海峡，踏上了不列颠岛的土地。年轻的玻尔不
会想到，32年后，他还要再一次来到这个岛上，但却是藏在一架蚊式轰炸机的弹仓里，冒
着高空缺氧的考验和随时被丢进大海里的风险，九死一生后才到达了目的地。那一次，是
邱吉尔首相亲自签署命令，从纳粹的手中转移了这位原子物理界的泰山北斗，使得盟军在
原子弹的竞争方面成功地削弱了德国的优势。这也成了玻尔一生中最富有传奇色彩，为人
所津津乐道的一段故事。
当然在1911年，玻尔还只是一个有着远大志向和梦想，却是默默无闻的青年。他走在剑桥
的校园里，想象当年牛顿和麦克斯韦在这里走过的样子，欢欣鼓舞地像一个孩子。在草草
地安定下来之后，玻尔做的第一件事情就是去拜访大名鼎鼎的J。J。汤姆逊（Joseph John
Thomson），后者是当时富有盛名的物理学家，卡文迪许实验室的头头，电子的发现者，
诺贝尔奖得主。J。J。十分热情地接待了玻尔，虽然玻尔的英语烂得可以，两人还是谈了好
长一阵子。J。J。收下了玻尔的论文，并把它放在自己的办公桌上。
一切看来都十分顺利，但可怜的尼尔斯并不知道，在漠视学生的论文这一点上，汤姆逊是
“恶名昭著”的。事实上，玻尔的论文一直被闲置在桌子上，J。J。根本没有看过一个字。
剑桥对于玻尔来说，实在不是一个让人激动的地方，他的project也进行得不是十分顺利
。总而言之，在剑桥的日子里，除了在一个足球队里大显身手之外，似乎没有什么是让玻
尔觉得值得一提的。失望之下，玻尔决定寻求一些改变，他把眼光投向了曼彻斯特。相比
剑桥，曼彻斯特那污染的天空似乎没有什么吸引力，但对一个物理系的学生来说，那里却
有一个闪着金光的名字：恩内斯特？卢瑟福（Ernest Rutherford）。
说起来，卢瑟福也是J。J。汤姆逊的学生。这位出身于新西兰农场的科学家身上保持着农民
那勤俭朴实的作风，对他的助手和学生们永远是那样热情和关心，提供所有力所能及的帮
助。再说，玻尔选择的时机真是再恰当也不过了，1912年，那正是一个黎明的曙光就要来
临，科学新的一页就要被书写的年份。人们已经站在了通向原子神秘内部世界的门槛上，
只等玻尔来迈出这决定性的一步了。
这个故事还要从前一个世纪说起。1897年，J。J。汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原
子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念，明确地
向人们展示：原子是可以继续分割的，它有着自己的内部结构。那么，这个结构是怎么样
的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，他于是展开自己的想象，勾勒出这样的图景：原子
呈球状，带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画
面，也就是史称的“葡萄干布丁”模型，电子就像布丁上的葡萄干一样。
但是，1910年，卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒
子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大
小和性质。但是，极为不可思议的情况出现了：有少数α粒子的散射角度是如此之大，以
致超过90度。对于这个情况，卢瑟福自己描述得非常形象：“这就像你用十五英寸的炮弹
向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样”。
卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定修改汤姆逊
的葡萄干布丁模型。他认识到，α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极
为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。
但是，从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看，那核心占据的地方是很小
的，不到原子半径的万分之一。
于是，卢瑟福在次年（1911）发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中，有一个占
据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿
着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统（比如太阳系），所以这个模型被理所当
然地称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运
行的行星们。
但是，这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出
，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈
的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运
行半径，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说
，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原
子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英
格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌。
不过，当然了，虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言，太阳仍然每天按时升起，大家都
活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转，没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人
尼尔斯？玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特，并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。
玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持
。相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀
疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多，虽然他和卢瑟福两个人的性格是
如此不同，后者是个急性子，永远精力旺盛，而他玻尔则像个害羞的大男孩，说一句话都
显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队，玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被
充分地激发出来，很快就在历史上激起壮观的波澜。
1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作
“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以
解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是，一切都只不过是刚刚开始而已，在那片还没
有前人涉足的处女地上，玻尔只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，而
他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱
的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，不过，革命的方向已
经确定，已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。
在浓云密布的天空中，出现了一线微光。虽然后来证明，那只是一颗流星，但是这光芒无
疑给已经僵硬而老化的物理世界注入了一种新的生机，一种有着新鲜气息和希望的活力。
这光芒点燃了人们手中的火炬，引导他们去寻找真正的永恒的光明。
终于，7月24日，玻尔完成了他在英国的学习，动身返回祖国丹麦。在那里，他可爱的未
婚妻玛格丽特正在焦急地等待着他，而物理学的未来也即将要向他敞开心扉。在临走前，
玻尔把他的论文交给卢瑟福过目，并得到了热切的鼓励。只是，卢瑟福有没有想到，这个
青年将在怎样的一个程度上，改变人们对世界的终极看法呢？
是的，是的，时机已到。伟大的三部曲即将问世，而真正属于量子的时代，也终于到来。
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饭后闲话：诺贝尔奖得主的幼儿园
卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师
，他以敏锐的眼光去发现人们的天才，又以伟大的人格去关怀他们，把他们的潜力挖掘出
来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们，后来绝大多数都出落得非常出色，其中更包括了
为数众多的科学大师们。
我们熟悉的尼尔斯？玻尔，20世纪最伟大的物理学家之一，1922年诺贝尔物理奖得主，量
子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。
保罗？狄拉克（Paul Dirac），量子论的创始人之一，同样伟大的科学家，1933年诺贝尔
物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的（那时卢瑟福接替了J。J。汤
姆逊成为这个实验室的主任）。狄拉克获奖的时候才31岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖
，因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道，如果不领奖的话，那么这个名声可就更响了
。
中子的发现者，詹姆斯？查德威克（James Chadwick）在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福
的实验室里。他于1935年�
