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第九章 威力巨大的原子(4)

随着物理学家们深入这个亚原子世界,他们意识到,那里不仅不同于我们所熟悉的任何东西,也不同于所能想像的任何东西。"由于原子的行为如此不同于普通的经验,"理查德·费曼有一次说,"你是很难习惯的。在大家看来,无论在新手还是在有经验的物理学家看来,它显得又古怪,又神秘。"到费曼发表这番评论的时候,物理学家们已经有半个世纪的时间来适应原子的古怪行为。因此,你可以想像,卢瑟福和他的同事们在20世纪初会有什么感觉。它在当时还完全是个新鲜事物。

与卢瑟福一起工作的人当中,有个和蔼可亲的丹麦年轻人,名叫尼尔斯·玻尔。1913年,他在思索原子结构的过程中,突然有了个激动人心的想法。他推迟了蜜月,写出了一篇具有划时代意义的论文。

物理学家们看不见原子这样的小东西,他们不得不试图根据它在外来条件作用下的表现方式来确定它的结构,比如像卢瑟福那样向金箔发射α粒子。有时候,这类实验的结果是令人费解的,那也不足为怪。有个存在很久的难题跟氢的波长的光谱读数有关。它们产生的形状显示,氢原子在有的波长释放能量,在有的波长不释放能量。这犹如一个受到监视的人,不断出现在特定的地点,但永远也看不到他是怎么跑过来跑过去的。谁也说不清是什么原因。

就是在思索这个问题的时候,玻尔突然想到一个答案,迅速写出了他的著名论文。论文的题目为《论原子和分子的构造》,认为电子只能留在某些明确界定的轨道上,不会坠入原子核。根据这种新的理论,在两个轨道之间运行的电子会在一个轨道消失,立即在另一轨道出现,而又不通过中间的空间。这种见解--即著名的"量子跃迁"--当然是极其奇特的,而又实在太棒,不能不信。它不但说明了电子不会灾难性地盘旋着飞进原子核,而且解释了氢的令人费解的波长。电子只出现在某些轨道,因为它们只存在于某些轨道。这是个了不起的见解,玻尔因此获得了1922年--即爱因斯坦获得该奖的第二年--的诺贝尔物理学奖。

与此同时,不知疲倦的卢瑟福这时候已经返回剑桥大学,接替汤姆逊担任卡文迪许实验室主任。他设计出了一种模型,说明原子核不会爆炸的原因。他认为,质子的正电荷一定已被某种起中和作用的粒子抵消,他把这种粒子叫做中子。这个想法简单而动人,但不容易证明。卢瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11个年头寻找中子,终于在1932年获得成功。1935年,他也获得了诺贝尔物理学奖。正如布尔斯及其同事在他们的物理学史中指出的,较晚发现中子或许是一件很好的事,因为发展原子弹必须掌握中子。(由于中子不带电荷,它们不会被原子中心的电场排斥,因此可以像小鱼雷那样被射进原子核,启动名叫裂变的破坏过程。)他们认为,要是在20世纪20年代就能分离中子,"原子弹很可能先在欧洲研制出来,毫无疑问是被德国人"。

实际上,欧洲人当时忙得不亦乐乎,试图搞清电子的古怪表现。他们面临的主要问题是,电子有时候表现得很像粒子,有时候很像波。这种令人难以置信的两重性几乎把物理学家逼上绝境。在此后的10年里,全欧洲的物理学家都在思索呀,乱涂呀,提出互相矛盾的假设呀。在法国,公爵世家出身的路易-维克多·德布罗意亲王发现如果把电子看做是波,那么电子行为的某些反常就消失了。这一发现引起了奥地利人埃尔文·薛定谔的注意。他巧妙地做了一些提炼,设计了一种容易理解的理论,名叫波动力学。几乎同时,德国物理学家维尔纳·海森伯提出了一种对立的理论,叫做矩阵力学。那种理论牵涉到复杂的数学,实际上几乎没有人搞得明白,包括海森伯本人在内("我连什么是矩阵都不知道。"海森伯有一次绝望地对一位朋友说),但似乎确实解决了薛定谔的波动力学里一些无法解释的问题。

结果,物理学有了两种理论,它们基于互相冲突的前提,但得出同样的结果。这是个令人难以置信的局面。

1926年,海森伯终于想出个极好的妥协办法,提出了一种后来被称之为量子力学的新理论。该理论的核心是"海森伯测不准原理"。它认为,电子是一种粒子,不过是一种可以用波来描述的粒子。作为建立该理论基础的"测不准原理"认为,我们可以知道电子穿越空间所经过的路径,我们也可以知道电子在某个特定时刻的位置,但我们无法两者都知道。任何想要测定其中之一的努力,势必会干扰其中之二。这不是个需要更精密的仪器的简单问题;这是宇宙的一种不可改变的特性。

真正的意思是,你永远也无法预测电子在任何特定时刻的位置。你只能认为它有可能在那里。在某种意义上,正如丹尼斯·奥弗比所说,电子只有等到被观察到了,你才能说它确实存在。换句稍稍不同的话来说,在电子被观察到之前,你非得认为电子"哪里都有,而又哪里都没有"。

如果你觉得被这种说法弄得稀里糊涂,你要知道,它也把物理学家们弄得稀里糊涂,这是值得安慰的。奥弗比说:"有一次,玻尔说,要是谁第一次听说量子理论时没有发火,这说明他没有理解意思。"当有人问海森伯是不是可以想像一下原子的模样,他回答说:"别这么干。"

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