上帝掷骰子吗-量子物理史话-第10部分
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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年获得诺贝尔物理奖。 布莱克特（Patrick M。 S。 Blackett）在一次大战后辞去了海军上尉的职务，进入剑桥跟 随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室，并在宇宙线和核物理方面作出了巨大的贡 献，为此获得了1948年的诺贝尔物理奖。 1932年，沃尔顿（E。T。S Walton）和考克劳夫特（John Cockcroft）在卢瑟福的卡文迪许 实验室里建造了强大的加速器，并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在 1951年分享了诺贝尔物理奖金。 这个名单可以继续开下去，一直到长得令人无法忍受为止：英国人索迪（Frederick Soddy），1921年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西（Georg von Hevesy），1943年诺贝尔化 学奖。德国人哈恩（Otto Hahn），1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell），1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特（Hans Bethe），1967年诺贝尔物理奖。苏 联人卡皮查（P。L。Kapitsa），1978年诺贝尔化学奖。 除去一些稍微疏远一点的case，卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主（还不算他自己 本人）。当然，在他的学生中还有一些没有得到诺奖，但同样出色的名字，比如汉斯？盖 革（Hans Geiger，他后来以发明了盖革计数器而著名）、亨利？莫斯里（Henry Mosley， 一个被誉为有着无限天才的年轻人，可惜死在了一战的战场上）、恩内斯特？马斯登 （Ernest Marsden，他和盖革一起做了α粒子散射实验，后来被封为爵士）……等等，等 等。 卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最 大面值——100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念。
五 1912年8月1日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚，随后他们前往英国 展开蜜月。当然，有一个人是万万不能忘记拜访的，那就是玻尔家最好的朋友之一，卢瑟 福教授。 虽然是在蜜月期，原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一 次认真地交换了看法，并加深了自己的信念。回到丹麦后，他便以百分之二百的热情投入 到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘，这一梦想具有太大的诱惑力，令玻尔完全无法抗 拒。 为了能使大家跟得上我们史话的步伐，我们还是再次描述一下当时玻尔面临的处境。卢瑟 福的实验展示了一个全新的原子面貌：有一个致密的核心处在原子的中央，而电子则绕着 这个中心运行，像是围绕着太阳的行星。然而，这个模型面临着严重的理论困难，因为经 典电磁理论预言，这样的体系将会无可避免地释放出辐射能量，并最终导致体系的崩溃。 换句话说，卢瑟福的原子是不可能稳定存在超过1秒钟的。 玻尔面临着选择，要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十 足地选择了放弃后者。他以一种深刻的洞察力预见到，在原子这样小的层次上，经典理论 将不再成立，新的革命性思想必须被引入，这个思想就是普朗克的量子以及他的h常数。 应当说这是一个相当困难的任务。如何推翻麦氏理论还在其次，关键是新理论要能够完美 地解释原子的一切行为。玻尔在哥本哈根埋头苦干的那个年头，门捷列夫的元素周期律已 经被发现了很久，化学键理论也已经被牢固地建立。种种迹象都表明在原子内部，有一种 潜在的规律支配着它们的行为，并形成某种特定的模式。原子世界像一座蕴藏了无穷财宝 的金字塔，但如何找到进入其内部的通道，却是一个让人挠头不已的难题。 然而，像当年的贝尔佐尼一样，玻尔也有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和 直觉，这使得他能够抓住那个不起眼，但却是唯一的，稍纵即逝的线索，从而打开那扇通 往全新世界的大门。1913年初，年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔，在 他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题，玻尔之前并没有太 多地考虑过，原子光谱对他来说是陌生和复杂的，成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来 太杂乱无章，似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面其实是有规 律的，比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。 突然间，就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布，一切都豁然开朗。山 重水复疑无路，柳暗花明又一村。在谁也没有想到的地方，量子得到了决定性的突破。 1954年，玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式，一切就都清楚不过了。 要从头回顾光谱学的发展，又得从伟大的本生和基尔霍夫说起，而那势必又是一篇规模宏 大的文字。鉴于篇幅，我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识，因为本史话原来也 没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全。概括来说，当时的人们已经知道，任何元素 在被加热时都会释放出含有特定波长的光线，比如我们从中学的焰色实验中知道，钠盐放 射出明亮的黄光，钾盐则呈紫色，锂是红色，铜是绿色……等等。将这些光线通过分光镜 投射到屏幕上，便得到光谱线。各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线，锂 产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线，钾则是一条紫线。总而言之，任何元素都产生特 定的唯一谱线。 但是，这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律，却是一个大难题。拿氢原子的谱 线来说吧，这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段，每一条线都代表了一个特定 的波长。比如在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，484，434，410，397，388 ，383，380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的，1885年，瑞士的一位数学教师巴尔 末（Johann Balmer）发现了其中的规律，并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系 ，这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，则显 得更加简单明了： ν＝R（1/2^2 … 1/n^2） 其中的R是一个常数，称为里德伯（Rydberg）常数，n是大于2的正整数（3，4，5……等 等）。 在很长一段时间里，这是一个十分有用的经验公式。但没有人可以说明，这个公式背后的 意义是什么，以及如何从基本理论将它推导出来。但是在玻尔眼里，这无疑是一个晴天霹 雳，它像一个火花，瞬间点燃了玻尔的灵感，所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了，玻尔 知道，隐藏在原子里的秘密，终于向他嫣然展开笑颜。 我们来看一下巴耳末公式，这里面用到了一个变量n，那是大于2的任何正整数。n可以等 于3，可以等于4，但不能等于3。5，这无疑是一种量子化的表述。玻尔深呼了一口气，他 的大脑在急速地运转，原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射，这说明了什么呢？ 我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν。频率（波长）是能量的量度 ，原子只释放特定波长的辐射，说明在原子内部，它只能以特定�
