八：盧瑟福ALPHA粒子散射實驗暨量子力學發展史

　　在生活這場偉大的戲劇中，我們既是演員，又是觀眾，這是一個古老的真理。 N.玻
爾

　　秋天的哥本哈根是多霧的，即使你起來很晚，也只能看到太陽迷離的面孔。白色的教
堂，尖尖的鐘塔亦是若隱若現，一切仿佛都是浮在夢中的國度里。於是你就大致可以明白
為什麼舉世聞名的安徒生和他的美妙的童話故事會誕生在這個同樣美妙的北歐小國里。

　　即使是老練的當地人也經常會在霧中迷路，明明種在門口的梧桐樹轉眼即逝，而狹窄
的小巷和寬闊的廣場會在你意想不到的地方突然出現。當你終於費勁心機摸到一座灰黃的
四層樓建築跟前，抬手拭去額頭的汗水，一定會想要在這樣的重重迷霧中尋找一條道路是
多麼不易呀！

　　你可曾想到，當年在這座建築物里工作的一批年輕的物理學家們，又是怎樣在如此的
無盡迷霧中找到出路，並從這裡延伸出去改變了整個二十世紀的命運？

　　這棟建築物門前的牌子上面的字跡有些模糊，但仍可辨認出是這樣幾個字：“哥本哈
根大學理論物理學研究所”；而底下的署名“尼爾斯·玻爾”雖經歲月的無情洗禮仍自金
光閃閃。

　　如果有機會隨意採訪一個物理系畢業的年青人，問他若給他一個選擇的機會，他會選
擇歷史上哪個時期來從事物理工作。他們會不約而同地告訴你是本世紀二十年代。

　　那是任何一個有激情的年青人都可以仗劍走江湖的年代。經典物理學象多骨諾米牌一
樣嘩嘩倒地。頭髮花白的老學者們徒勞無望地支撐着牛頓力學的大廈，而年青人們旋風一
般的思想讓他們既興奮又恐懼。

　　不管你是剛走出校門的畢業生，還是剛對物理發生興趣的門外漢，都有機會嶄露頭角
。一篇簡短而深刻的論文就會使你永銘物理學史。權威們在新銳面前退縮，衝鋒的號角在
耳邊一遍又一遍響起，他們身上的血液隨時都在沸騰。那個時代是十足屬於年青人的。

　　1

　　1895年，德國的倫琴發現了X射線。

　　1896年，法國的貝克勒爾發現了放射性。

　　1897年，英國的湯姆遜發現了電子。

　　臨近世紀末，上帝突然變得躁動不安，他扔下一大把謎語，然後默默不言。陶醉在牛
頓經典力學無往不勝的壓倒性戰績的人們隱隱覺得什麼地方出了問題，自然界還是有很多
神秘現象沒有解釋。

　　且不說倫琴目瞪口呆的望着X光照出來的他夫人的手指骨，也不說貝克勒爾莫名其妙
地看着被感光的底片，就說湯姆遜亦是眉頭緊鎖，對他發現的這種奇異的帶負電的小粒子
一籌莫展。

　　湯姆遜是一位物理學界的老前輩，他雖出身貧寒，但憑聰穎好學很快就顯示出他在學
界的實力，年紀輕輕就成為卡文迪許實驗室的主任，然後是皇家學會會長，劍橋三一學院
的院長，成為牛頓的繼任者之一。可是本當興奮的他卻極不情願地向學界宣布他的新發現
。

　　可以理解他的窘狀，當時的世界儘管鐵軌遍野，電線密布，工廠里的機床徹夜地運轉
，但是人們對微觀世界的認識還停留在遙遠的古希臘德謨克里特時代。大家只知道原子是
世界的本原，但誰也沒想過原子到底能不能再分。而可憐的湯姆遜居然把這種比原子小得
多的東西找了出來。

　　這個叫電子的小東西雖然看不見，但是你可以精確地感知它的存在，你可以測得它的
質量，電荷，速度，甚至在它運動的路途上加上磁鐵，你會覺察到它的偏轉。

　　真是個幽靈。

　　然而學界一陣喧鬧之後，就沉寂了下去。湯姆遜本人進行一段時間後，也悄悄終止了
研究，畢竟還有其它太多的事情要做。

　　這些小玩意兒，留給後來人吧，湯姆遜呷完最後一口咖啡，合上了實驗記錄本。

　　甚至在十年之後的1907年，這片陣地還幾乎還是一片靜寂。

　　在那一年裡，名躁一時的愛因斯坦發表了光量子假說開了第一炮後又匆匆轉移到廣義
相對論中去。

　　36歲的新西蘭人盧瑟福答應在英國領導著名的卡文迪許實驗室；

　　22歲的哥本哈根大學學生尼爾斯·玻爾正在足球場上一邊心不在焉地守着球門，一邊
用粉筆在門框上排演着公式；

　　20歲的薛定諤在維也納大學裡認真地記着筆記；

　　6歲的海森堡還在慕尼黑街頭不知疲倦地和夥伴們玩着石子；

　　老師的工作註定要由學生來完成。

　　體魄雄壯的盧瑟福剛來到英國卡文迪許實驗室的時候，他的洪亮的嗓音嚇了所有的同
事一跳。他一看就知道是那種體力充沛的人，但曬得紅紅的皮膚，粗糙有力的大手使人更
覺得他適合在菜園裡栽種馬鈴薯。

　　好促狹的英國人不客氣地稱這位外鄉人是南半球的野兔，因為擅打地洞才來到了英國
。盧瑟福聽說了也沒發火，他竭力顯示自己紳士般的好脾氣來和自己粗豪的外表相對照。
他相信憑藉自己的能力一定會在這裡取得一席之地的。

　　不久，他的導師湯姆遜讓他研究電磁波，他在幾個月內就把儀器的接收範圍改造到半
英里以外，充分顯示了他在實驗上的天才，從此湯姆遜對他青眼有加，甚至在自己退休之
後推薦他繼承卡文迪許實驗室主任的寶座。

　　在1909年，盧瑟福揀起了老師鎖在抽屜里的手稿，他開始認真考慮原子的結構問題了
。

　　在幾年前短暫而熱烈的討論中，學者們紛紛提出自己對原子結構的看法；而其中以湯
姆遜的建議最為出名。他幽默地稱電子就象麵包里的葡萄乾，而帶正電的物質象麵包一樣
均勻地分布於整個空間。但是有人更帶有哲學意味地提出行星模型，帶正電的物質在中心
，而電子在周圍飛速的旋轉，他們認為宏觀的宇宙和微觀的原子的組成應有暗合之處。

　　鑑於發現者湯姆遜的威名，學界勉強接受了他的解釋，可是明顯幾種解釋都有漏洞，
在湯姆遜的麵包中，帶負電的葡萄乾似乎在電磁引力的作用下很難靜止不動，而行星模型
中飛速旋轉的電子按邁克斯韋的理論沒有理由不向外輻射能量，最終也象隕石一樣墜落到
中心去的。

　　在此之前，盧瑟福已經從鈾的輻射中分離出兩種射線，一種是貝塔射線，也就是老師
發現的電子，一種是阿爾法射線，這種射線比最輕的氫原子重四倍，帶的電則是正電，而
且電量是電子電荷的兩倍。

　　這種更重的射線有個神奇的性質，就象傳說中的點石為金一般，它可以將一種元素轉
為另一種元素。實驗成功的消息剛傳出去，立刻導致了歐洲黃金市場上的金價狂貶。報紙
上帶有問號的巨大標題是，原子已經分裂，人類末日是否來到？而一些投機商的眼睛放出
了光芒，在他們眼裡盧瑟福那群人是二十世紀的煉金士，於是實驗室里經常接到豪門巨富
的大額捐款。

　　金錢在任何時代，任何地方都不是壞事，盧瑟福添購了更新的儀器，賣力十倍地干起
來。他盧瑟福辦事的精力和效率是有目共睹的，但糟糕的是他喜歡以自己的體力為標準來
要求其他人，經常導致實驗室的人陪他一起餓肚子。慢慢他的外號不再是“新西蘭的野兔
”，人們敬畏地稱他為“鱷魚”，也許他對未知世界的渴求只有飢餓的鱷魚對食物的貪婪
才能一比。沒想到盧瑟福對這個外號很滿意，後來居然經常以鱷魚自居。直到今天，在盧
瑟福的紀念館門前還伏着一隻張牙舞爪的鱷魚雕像。

　　不料，鱷魚很快陷入了困境。在實驗中絕大多數阿爾法離子自由自在的穿過了靶原子
，但是有的偏離的原來的路線，甚至倒轉回來。這就匪夷所思了，按照老師湯姆遜的模型
，帶正電的麵包不會輕易讓阿爾法粒子隨意穿過的，而沉重的阿爾法粒子更不會被輕飄飄
的電子反彈回來，其情形如同一顆疾駛的炮彈被蚊子一擋反彈回來一樣可笑。

　　當時的實驗條件用現在的眼光看當然簡陋無比，一切都只能靠肉眼觀測，藍幽幽的硫
化鋅屏幕上每出現一個亮點就表示有一個阿爾法粒子反彈了回來，可是一萬個粒子中只能
有一個碰上這樣的運氣。盧瑟福所能作的只是平心靜氣地面對屏幕，一個亮點也不能數錯
。不幸的盧瑟福雖號稱鱷魚，但是卻不具備鱷魚捕食時超常的耐心。其實不光是他，任何
人盯着屏幕超過五分鐘都會因為兩眼昏澀，金星亂舞產生誤記數從而悻悻地退出觀測的。
他把乏味的枯燥工作交給了別人輪流，自己埋頭紅着眼睛叼着雪茄陷入深思，究竟什麼原
因有為數不多的阿爾法粒子竟被打得倒轉回來？

　　仿佛一個人在扔硬幣，連扔一萬次都是正面。在概率上的極度荒謬一定意味着深刻的
物理內涵。那意味着什麼，難道原子內當真有一個質量集中的小核，射過去的α粒子只有
擦近核的時候才會發生偏轉，如果正好撞到核的時候就會反彈回來，而回來的粒子幾率極
小的原因是小核占整個原子的體積太小了，如同足球場上的一粒石子。

　　原來如此！

　　盧瑟福狠狠擲下未抽完的雪茄，很快即使一樓負責看門的耳背的老頭兒也聽到一聲大
吼，“我知道原子是什麼樣子了！”

　　“量子”這個詞語是在1900年12月14日，在德國物理學會舉辦的一次會議上，從一個
叫普朗克的大學教授嘴裡第一次說出來的。在上帝的安排下，它和二十世紀是一起誕生的
。

　　很難用幾句話概括這個詞語對二十世紀的深遠影響。如果大家還對利用對沖基金的槓
杆效應掀起全球金融風暴的禍首索羅斯有了解的話，應該知道這位金融巨鱷的基金會的名
字叫“量子基金會”。對這個奇怪的名字索羅斯的解釋是，量子最大的特徵就是不確定性
，就象我們手中的股票，債券和外匯所表徵的財富一樣，隨時都可能消失。

　　量子的這種解釋是許多年之後物理學家才認識到的，當時可沒人這麼想。普朗克引進
量子這個詞語純粹是為了解釋十九世紀末的兩朵烏雲之二黑體輻射中的紫外災難。

　　首先來說說什麼是黑體，黑體是完全吸收落在它面上電磁波的物質，所以我們稱之為
黑。我們已經知道自從邁克斯韋提出他那著名的公式之後，電磁波的範圍就變得極廣了，
從常見的赤橙黃綠青藍紫七色光，到廣播電台的長波，短波，從夜視儀發出的紅外線到能
殺死生物體的紫外線，從探索敵蹤的雷達波，到神秘的X射線都屬於這一範疇。它們的區
別僅在于波長的不同。

　　各種電磁波都是攜帶能量的，那麼我們從黑體上開一個小口，象打開煉鋼爐的爐門一
樣，測量輻射的電磁波攜帶能量和輻射頻率，就會得到一條曲線。

　　如何解釋這條曲線是一直困擾所有物理學家的問題。瓊斯曾經提出一個公式，在長波
階段符合得很好，但這個公式有顯然的漏洞，當電磁波的波長一短，譬如在紫外線段，能
量會變得很大。按照瓊斯的算法，你剛打開微波爐，紫外線強大的能量會頓時將你擊斃在
地的。這就是著名的紫外災難。

　　後來在短波段維恩也提出了一個公式，但適用範圍也僅限於短波。

　　普朗克是個研究輻射問題的專家，他用插值的方法將曲線長波，短波兩頭都連接了起
來，提出自己的公式，結果非常完美。在推導過程中，他引入了一個大膽的假設和一個神
秘的常數。

　　他的假設是能量是一份份傳遞和吸收的，而每一份能量都和一個非常小的常數有關。

　　這對當時所有的物理學家來說，不異于晴空霹靂。

　　從亞里士多德時代以來，人們的潛意識中認定世界是連續的。所謂連續的意思是物質
是可以任意分割的，上帝不喜歡整數。研究數論的數學家可能不喜歡這句話，可是在大部
分物理學家看來，如果不研究小數點後的東西，整個自然界就沒有意義了。

　　你可以從一根連續的線上，隨便剪下任意的一段長度。你也可以從一杯水中喝掉任意
任意少的水。而物理學家們總喜歡把物體或者運動分成無窮小段來考慮，這已經成為慣例
。反正拉丁語中有一句經典名言：自然不突變（Natura non facit saltus）。

　　而普朗克大聲地告訴我們，不是這個樣子的。不可能存在一點五或二點五個量子之類
的說法。能量的最小份額就是一個量子所攜帶的能量，普朗克給出的公式是：ν是電磁波
的頻率，而h則按照慣例命名為普朗克常數。這個原本拼湊出來的常數竟成了物理上最著
名的三個常數之一，另外的一個是牛頓萬有引力常數G，光在真空中傳播的速度c，黑體輻
射的任何能量都是它的整數倍。

　　縱使普朗克在學界威望了得，大部分人也沒有在意他的假說。但是有個年青人卻深刻
地認識到它的重要性。

　　他就是愛因斯坦。

　　造化弄人。愛因斯坦自己也沒想到親自接生的量子力學若干年後竟成他發誓也要扼死
的對象，要不是玻爾一幫人的精心呵護，量子力學的命運還不知會怎麼樣呢。

　　愛因斯坦的光量子理論是解釋光是如何射到金屬表面打出電子的。這在物理學上稱為
光電效應。19世紀物理學最成功的理論之一是推翻了牛頓的光粒子學說，確立了光的波動
學說，而邁克斯韋方程則將光牢牢釘到電磁波中去，無數的實驗證明了這一結論。

　　但是光電效應和看來確鑿無疑的波動理論格格不入。簡單點說，光更象一個個粒子鑽
入原子，並將電子硬碰出來，就象小孩子們常玩的彈子一樣。而每一個粒子，按愛因斯坦
的說法，就是普朗克提出的量子，能量不可再分的那一種。

　　幾乎每個物理學家對這個解說都在大搖其頭。關於光是粒子還是波的說法人們已經爭
了幾百年，好不容易將光驗明正身收了場。不料，愛因斯坦卻將舊案翻了過來。

　　還是讓事實來講話吧。

　　檢查的方法很明確，你不是贊成光是粒子麼。那麼所有的粒子都具有動量（質量與速
度的乘積），那你找到光存在動量的證據不就完了。

　　重任落在美國物理學家康普頓身上。

　　康普頓是個研究射線的專家。他既喜歡拉提琴，也喜歡打網球，而且由於出了名的力
氣大，不僅經常拉斷琴弦，而且打出網球的速度簡直比得上他研究的宇宙射線。當然他最
喜歡的還是跑遍全球測量各地宇宙射線的強度。

　　一次，他帶上設備遠赴墨西哥。在站台上，人們看到一個輕鬆的美國紳士手拄文明棍
，後面跟着一大隊被儀器壓彎了腰的墨西哥小伙，警察檢查行李的時候，認定他那寶貝儀
器是用來造炸彈用的。可憐的康普頓即使衣冠楚楚，也不得不在齷齪的拘留室中留了一宿
。

　　康普頓將X射線入射到石墨晶體上，並在其背面測得散射的X射線的波長有位移。這稱
為康普頓效應。

　　用康普頓自己在的論文《X射線在輕元素上散射的量子理論》作出的結語來說：“對
這個理論的實驗證明，非常令人信服地證明，輻射光子既帶有能量，有帶有定向的動量。
”

　　看來原有的觀念需要再次更新，人們不得不尷尬地接受光既是粒子，也是波的看法。

　　不要感到不習慣，這裡蘊藏着一個更本質的思想，直接促使了量子力學的誕生，可是
縱使天才如愛因斯坦當時也沒有深想下去。

　　1911年的第一界索爾維會議的氣氛是沉悶的。

　　索爾維本人是個比利時的化學工業家，曾因獲得氨鹼法制鹼的專利而發了大財。這位
科學致富的知識分子對物理學，尤其是理論物理學情有獨鍾，雖然自己在這方面無甚造詣
，卻可以請到世界上第一流的理論物理學家來到布魯塞爾召開國際性物理會議。

　　這次會議聚集了二十三位歐洲一等一的物理學人才。他們面無表情地聽完了普朗克和
愛因斯坦的報告。即使在距提出普朗克常數11年之久，普朗克仍小心翼翼地用上假設的字
眼兒。而愛因斯坦的狹義相對論在那時也不過被認為是毛頭小伙變的魔術而已。

　　兩個宇宙常數，h和c都在那時提出，它們一個代表宏觀，一個代表微觀，但都沒得到
一致的確認。光速c是相對論中必不可少的基礎，而沒有普朗克常數，後來的量子力學無
從談起。

　　最後，會議的發起者，老態龍鐘的洛侖茲站起來發言，老人的聲音有些含混：

　　“非常有可能，在我們這些人在這裡討論這些複雜混亂的問題時，在地球上某個僻靜
的角落，某一個思想家已經解決了它。”

　　所有在座的人都沉默不語。

　　沒有人料到路該怎麼走下去，因為此時26歲的尼爾斯·玻爾還在卡文迪許實驗室的盧
瑟福手下當助手，每天揉着紅紅的眼睛苦無收穫。

　　11歲的維也納中學生泡利深更半夜一個人跑到野外觀察星象。

　　10歲的海森堡已經可以流暢地奏出巴赫的狂想曲。

　　9歲的狄拉克經常沉默地縮在教室一角。

　　3歲的朗道已顯現頑強執拗的天性。