 盧瑟福長得又高又壯，說話聲大得可以讓膽小的人嚇一跳。有人在談論盧瑟福時，說他似乎總是科學的弄潮兒。他回應說：“是呀，連浪潮也是我掀起來的，難道不是？”科普作家斯諾回憶，有一次在劍橋的一家裁縫店中，他偷聽盧瑟福說：“我覺得我的腰圍和思考力每天都在同步生長。”不過，他的腰圍和名氣在他 1895 年剛去到卡文迪許實驗室時，還都差得很遠。那是一個科學史上的高潮期。 這里有必要澄清一個廣泛的誤解，劍橋大學的這個卡文迪許實驗室非常的著名，又因為英國還有個同樣著名的科學家卡文迪許，我們前面的節目講過他的故事，他的那種病態的靦腆一定讓你印象深刻吧。但是，請注意，這兩個卡文迪許不是同一個人。雖然他們確實是同一個家族的，姓一樣。捐款建設卡文迪許實驗室的是威廉.卡文迪許（William Cavendish）。他是德文郡的第七任杜克公爵，也是一位天才的數學家，維多利亞時代的英格蘭鋼鐵大王。1870 年，他給劍橋大學捐贈了 6300 英鎊建立了這個實驗室。 就在盧瑟福來到劍橋大學的同一年，倫琴（Wilhelm Rontgen）在德國的維爾茲堡大學（Wurzburg）發現了 X 射線；第二年，德國的貝克勒爾又發現了放射現象。而卡文迪許實驗室本身也將走上一條長長的輝煌之路。1897 年，湯姆森和他的同事在那里發現了電子；1911 年，威爾遜（C.T.R. Wilson）在那里建造了第一臺云室，一種可以看到粒子運動軌跡的探測器（我們后面還會講到）；1932 年，查德威克在那里發現了中子；1953 年，還是在卡文迪許實驗室，沃特森（James Watson）和克里克（Francis Crick）發現了 DNA 的雙螺旋結構。這些都是科學史上了不起的大發現。 盧瑟福最初的研究方向是無線電波，他取得了一點兒小成績。他成功地把一個清脆的信號發送到了 1.6 公里之外。這在當時也算是一項很可以的成就了。但是他放棄了這個方向。因為有個資深的同事說無線電沒有什么未來，他信了。總的說來，盧瑟福在卡文迪許實驗室的事業不算興旺，他干了三年，覺得找不到好方向，就接受了蒙特利爾麥克吉爾大學的一個職位。正是從這里開始，他穩步走上了一條通向輝煌的漫長之路。不過到他獲得諾貝爾獎時，他已經來到了曼徹斯特大學。事實上，正是在這所大學，他將開始他一生中最重要的工作，確定原子的結構和性質。 在 20 世紀早期，從湯姆森發現電子之后，人們已經認識到原子也是有一定結構的。只是人們不清楚原子到底有哪些組成部分，這些部分又是如何結合在一起的，它們的形狀又是怎樣的。有一些物理學家認為原子的形狀可能是一個立方體，因為立方體可以緊湊地疊在一起，一點兒空間也不浪費。最普遍的一種看法是，原子就像一個葡萄干面包或是一個梅子布丁：在一塊致密的帶正電荷的固體中，鑲嵌著一些帶負電荷的電子，就好像是葡萄干嵌在面包中一樣。這個就被稱為葡萄干面包模型。 1910 年，盧瑟福在他的學生蓋革（Hans Geiger）的協助下，蓋格也很厲害，他后來發明了檢測放射性的儀器——蓋革計數器。他們師生倆用電離化的氦原子，也就是 α 粒子，去轟擊一張金箔。沒想到有一些粒子竟然被反彈了回來，這使盧瑟福大大地吃了一驚，盧瑟福在回憶錄中說，這就好比用 15 英寸的炮彈去轟擊一張紙，卻被反彈回來一樣，是絕不該發生的事情。經過一番思索，他認為只可能有一種解釋：在原子的中心有一個很小但極堅固的核。有一些粒子撞上了它而被反彈回來，而絕大多數粒子則毫無阻礙地穿了過去。盧瑟福認為，一個原子中，絕大部分是空蕩蕩的，但在中心有一個極為致密的原子核。這是一個令人興奮的發現，但很快就帶來了一個問題，按照傳統的物理法則，這樣結構的原子是不應該存在的。 我們暫停片刻，讓我們來回顧一下到目前為止，已知的原子結構是怎樣的。 每個原子都有三個最基本的組成部分：帶正電的質子；帶負電的電子；不帶電的中子。質子和中子包在原子核中，電子繞著原子核旋轉。質子的數量決定了一個原子的化學特性。只含一個質子的原子就是氫，二個質子的是氦，三個質子的就是鋰，以此類推。每增加一個質子，你就會得到一個新的元素。因為每一個原子中總是擁有與質子數量相同的電子數量來維持電荷平衡，所以你有時會在書中看到是電子的數量決定了一個元素，這兩種說法是等價的。還有一種解釋我覺得也不錯：質子決定原子的身份，而電子決定原子的化學性質。 中子雖不能影響原子的身份，但卻能實實在在地增加原子的質量。中子的數量一般來說與質子的數量相等，但不絕對，會有些許的上下浮動。給一個原子增加或減少一兩個中子，你就會得到一個該原子的同位素。你經常可以聽到在考古學中使用同位素來測定年代，例如，碳-14，這種碳原子中含有 6 個質子和 8 個中子（兩者之和剛好是 14）。 中子和質子占據了原子的核心。原子核非常非常小，大概只有原子總大小的千萬億分之一。但它的密度卻出奇地大，幾乎包括了原子的全部質量。打一個比方，如果把原子放大到一座教堂大小，那么原子核就是一只蒼蠅大小，但這只蒼蠅卻比整座教堂要重幾千倍。在 1910 年抓撓著盧瑟福頭腦的正是這樣一個空曠、巨大、難以想象的空間。 原子的絕大部分是空的，這就意味著在我們周圍所有那些看上去結實的固體都只是一種幻覺。雖然這已經是一個科學事實，但說出來依然會讓我們感到震驚。當宏觀世界中的兩個物體碰在一起時，比如最常見的例子就是兩個臺球相撞。實際上，它們并沒有真正的撞在一起，真實的情況是兩個球所帶的負電荷場發生了互相排斥作用，如果沒有電場，那么這兩個臺球就會像兩個星系相撞一樣，相安無事地對穿而過。當你坐在椅子上時，實際上你并沒有真的“坐”在上面，而是以一埃（一億分之一厘米）的高度懸浮在椅子上空。你身上的電子和椅面的電子互相排斥，不可能離得更近了。 大多數人頭腦中有關原子的經典圖像是這樣的：原子核居中心，一兩個電子繞著原子核旋轉，就好像行星繞著太陽轉。這個模型是 1904 年由一個叫長岡半太郎的日本物理學家靈機一動憑空想象出來的，注意這個時候距盧瑟福用實驗的方法發現原子核還有將近 6 年時間，我們只能贊嘆他的運氣不錯，但是在原子結構領域，真正值得我們尊敬的是盧瑟福而不是長岡半太郎。就好像上期節目我們強調的，在物質的微觀結構領域，真正值得我們尊敬的是道爾頓而不是德謨克利特一樣。當然，今天我們知道，這個模型是完全錯誤的，但它的生命力卻很強。正如科學作家阿西莫夫（Issac Asimov）注意到的，這個模型激發了一代又一代科幻作家的想象力，讓他們創造出許多“世界中的小世界”的故事。在這些故事中，原子被想象成一個有人居住的小小的太陽系，或是我們的太陽系只不過是一個更大結構中的微粒。這個圖像也一直影響了中國差不多一個世紀，大家如果回想一下中央電視臺在上世紀的臺標，是兩個橢圓組成了一朵花一樣的標志，這個就是對原子行星模型的生動展示。如果你現在到百度上，以“科學標志”為關鍵詞搜索圖片，也很容易搜索到大量的 logo 就是以這幅圖像為原型創作的，恐怕這是科學史上最深入人心的一個錯誤圖像。 事實上，物理學家們很快就認識到，電子不像是在軌道上運行的行星，而更像是風扇中旋轉著的葉片，同時填滿軌道中的所有空間，但本質的不同是，風扇中的葉片只是看起來像是無處不在，而電子則是真的無處不在。 毫無疑問，這些概念在 1910 年以及之后的許多年中，都是很少有人懂的。盧瑟福的發現立即引出了一個很大的問題，為什么電子能一直繞著原子核旋轉而不墜毀？按照經典的電動力學理論，如果電子照此方式運動，會很快耗盡能量。也就是說，電子剎那間便會盤旋著墜向原子核，這對二者都是一場災難。另外還有一個問題，就是帶正電荷的質子如何能在原子核中緊緊地結合在一起而不四分五裂？很明顯，統治著微觀世界的物理法則與我們生活著的宏觀世界是完全不同的。 我們即將進入量子時代，而第一個推開時代大門的人是那位一直不走運的普朗克先生。公元 1900 年，42 歲的普朗克是柏林大學的理論物理學家。他揭示出了一種稱之為“量子理論”的全新理論。他認為能量的傳遞并不是像流水一樣連續不斷的，而是像小包一樣一份一份地傳遞。他把一個能量小包稱之為一個“量子”。這是一種新奇的理論，但它奠定了整個現代物理學的基礎。無論從哪個角度來說，這都是一個徹底改變世界的信號。普朗克推開了大門，但是并沒有在門里面走太遠。但“量子”這個詞畢竟是他創造出來的，所以我們依然會把量子物理學奠基人之一的頭銜送給他。 隨著物理學家們在量子世界探索的深入，他們發現量子不僅與我們已知的任何東西不同，而且與我們能想象出來的任何東西都不同。費曼說過，“因為量子的行為與我們的日常經驗是如此的不同，所以我們很難習慣。每一個人都會覺得非常怪異，不論是對于新手還是一個有經驗的物理學家。”要知道費曼在說這些話的時候，物理學家已經花了半個世紀來適應量子的古怪行為。所以，你不難想象盧瑟福和他的同事們在 20 世紀初面對所有這些特異現象時的感受。 在盧瑟福的同事當中，有一個和藹的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）。他也被原子的結構弄得很困惑，在 1913 年他突然有了一個想法，為此興奮地推遲了度蜜月，寫成了一篇里程碑式的論文。這又是怎么一回事呢？ 像原子這樣小的東西，物理學家是無法直接看見的。要了解它們的結構，只能通過外在表現來間接推測。例如盧瑟福用 α 粒子轟擊金箔，觀察 α 粒子的散射。因此，有時實驗的結果讓人感到困惑也不奇怪。但有一個與氫原子光譜有關的現象卻長時間地困擾著物理學家們。光譜圖像顯示，氫原子只在一個特定的波長釋放出能量（輻射）。這就好比有一個長期受監視的人總是突然出現在某個特定的地點，但是這個人是怎么去到那個地點的卻永遠看不到，沒人能理解這是怎么回事。 玻爾正是在被這個問題困擾了很久時，突然想到一個解決方案，于是迅速寫出了他那篇著名的論文——《論原子和分子的構造》。這篇論文解釋了為什么電子不會墜入原子核中，因為電子只能占據某個特定的軌道。根據這種新理論，電子在兩個軌道之間運動時，可以突然在一個軌道消失，又突然在另一個軌道上出現，而不需要通過兩個軌道之間的空間。這個見解就是著名的“量子躍遷”。乍一聽上去當然是怪異的不得了，但理論界又覺得這個想法實在太棒了，想不信都難。它不僅僅是避免了電子災難性地盤旋墜毀在原子核中，它還解釋了氫元素光譜中那令人困惑的波長。電子只出現在某個特定的軌道是因為它只能存在于那個特定的軌道，這是一個令人矚目的深刻洞見。為此，玻爾獲得了 1922 年的諾貝爾物理學獎，這是愛因斯坦獲獎的第二年。 與此同時，不知疲倦的盧瑟福回到劍橋，接替湯姆森領導卡文迪許實驗室。他想出了一個模型，用于解釋為什么原子核不會四分五裂。他認為帶正電的質子必然會被另一種中性粒子抵消。他把這種中性粒子稱之為——中子。這個想法雖簡單，但很有吸引力，只是不容易證明。盧瑟福的助手查德威克（James Chadwick）孜孜不倦地投入了 11 年，終于在 1932 年成功地捕獲到了中子。因此，他也獲得了 1935 年的諾貝爾物理獎。中子的延遲發現可能是一件大幸事，因為掌控中子是制造原子彈的關鍵技術（這是因為中子不帶電，所以不會被原子中的電子所帶的電場排斥，中子就可以像一枚魚雷一樣直擊原子核，從而發生一種叫“鏈式反應”的毀滅性進程）。假如中子早在 20 世紀 20 年代就被分離出來的話，那么“很有可能原子彈首先在歐洲被研制出來，毫無疑問，是被德國人”。然而德國人為什么沒有比美國人更早地造出原子彈，也是科學史上一個重要的謎案，眾說紛紜，如果你想了解這個謎案是如何被一點一點地科學破案的，可以去聽我另外一個專輯《環球科學有故事》中的第 3 和第 4 集《希特勒為何沒有造出原子彈？》。 那些年，歐洲人忙得很，他們正盡力去搞清電子的古怪行為。其中最核心的問題是電子有時表現得像一個粒子，而有時又表現得像一種波。這種看似不可能的雙重性質把物理學家們搞瘋了。在接下來的一個 10 年中，在整個歐洲，各種大膽的觀點和假設層出不窮，可謂是百家爭鳴、百花齊放。在法國，公爵世家出生的德布羅意親王（Louis Victor de Brogile）發現，如果把電子看成一種波，那么所有的怪異現象都會消失。他的這個發現又讓一個奧地利人薛定諤（Erwin Schrodinger）興奮地注意到了。他對此進行了一番嫻熟的數學提煉工作，創建了一個讓人容易搞懂的體系，稱為波動力學。幾乎在同一時間，德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）也發展出了一套與之競爭的理論體系，稱之為矩陣力學。但是它的數學形式卻極為復雜，以至于幾乎沒人能真正搞懂，甚至包括海森堡本人（海森堡有一次失望地對他的一個朋友說，“我也不知道矩陣代表了什么含義”）。當時的結果就是，物理學有了兩套理論，它們基于看上去互相矛盾的前提，卻導出了相同的結果，怎么看都覺得情況不太對頭。好在，最后在很多卓越數學家的努力下，最終證明，薛定諤的波動力學和海森堡的矩陣力學在數學上其實是等價的。數學真的很神奇，我的一個心愿就是在繼物理和天文史話后，寫一本從我理解的角度出發的數學史話。這個心愿已經糾纏我一年了，但始終還未能如愿動筆，因為似乎總有更重要更緊急的事情要做。 到了 1926 年，海森堡想到了一個出名的妥協辦法，他發展出了一種被稱為量子力學的新理論。這套新理論的核心思想就是“海森堡測不準原理”。它認為電子確實是一種粒子，但又是可以被描述為一種波的粒子。測不準原理簡單來說就是我們可以測出電子的運動速度，我們也可以測出電子在某個給定時刻的具體位置，但是我們卻無法同時知道這兩樣。而且，這與我們所使用的測量工具的精度無關，這是宇宙的一種永恒性質。像速度（準確地說是動量）和位置這樣不可能同時測準的物理量有一個術語，叫做共軛物理量，類似的還有時間和能量。 在實踐中，這個原理表明我們永遠無法預測一個電子在某個具體時刻的準確位置。你最多只能列出電子在不同位置的概率。或者，用一種稍稍不同的說法，電子在被測量到之前，必須被認為是“無所不在而又無所存在。”但是，對這個原理最廣泛的公眾誤解就是，當我們不觀察電子的時候，電子就不存在，只有我們觀察過了，電子才存在。這完全偷換了客觀存在與被觀測到兩個概念。即便我們不去觀測，電子也是存在的，因為電子有質量、角動量、能量等等屬性，這些屬性不會因為我們的觀測與不觀測而消失。我們無法確定的，僅僅是電子具體在某個確定的位置而已。 如果你對上面說的這些感到困惑不已的話，那么我告訴你，當時的物理學家們也沒比你好到哪兒去。玻爾有一次評論說如果有人在第一次聽到量子理論時沒有感到惱火，那么說明他根本沒聽明白。海森堡在被問及該如何想象原子的圖像時，他回答說：“別去試。” 所以，原子與大多數頭腦中創造出來的圖像都完全不同。電子并不像行星繞著太陽那樣繞著原子核飛來飛去，而更像是一團沒有固定形狀的云。原子的“外殼”也不是某種堅硬、光亮的外皮，就像很多插畫慫恿我們去想象的那樣。實質上，云團的區域只是一種概率統計上的結果，它表示電子只有極小的可能迷失在這個區域之外。因此，如果你能看到原子，它看上去更像是一個毛茸茸的網球而不是一個表面堅硬的金屬球（其實無法比喻，真實的原子不會像任何你見過的東西。畢竟，我們在討論的世界是一個與我們所見到的完全不同的世界）。所以，原子的直徑也與我們日常生活中所說的籃球的直徑不是一個概念。 看起來古怪的事情層出不窮。科學家們首次進入到一個宇宙中我們大腦無法理解的區域。費曼是這樣表述的：“事物在微小尺度上的行為完全不像在大尺度上的行為。”隨著研究的深入，人們意識到他們發現了一個超常的世界，那里不僅僅是電子能從一個軌道突然跳入另一個軌道，而無需通過中間的任何空間，而且物質還能從虛無中憑空出現，又憑空消失。 可能在所有量子的超常特性中，由不確定性原理得到的一個推論最令人抓狂，那就是，某些特定的成對粒子即便分離得再遠，也能瞬間互相“知道”對方正在干什么。這就是著名的量子糾纏效應，要講清楚什么是量子糾纏，我得專門開一期才行。咱們下期接著說。 |
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