八：卢瑟福ALPHA粒子散射实验暨量子力学发展史

　　在生活这场伟大的戏剧中，我们既是演员，又是观众，这是一个古老的真理。 N.玻
尔

　　秋天的哥本哈根是多雾的，即使你起来很晚，也只能看到太阳迷离的面孔。白色的教
堂，尖尖的钟塔亦是若隐若现，一切仿佛都是浮在梦中的国度里。于是你就大致可以明白
为什么举世闻名的安徒生和他的美妙的童话故事会诞生在这个同样美妙的北欧小国里。

　　即使是老练的当地人也经常会在雾中迷路，明明种在门口的梧桐树转眼即逝，而狭窄
的小巷和宽阔的广场会在你意想不到的地方突然出现。当你终于费劲心机摸到一座灰黄的
四层楼建筑跟前，抬手拭去额头的汗水，一定会想要在这样的重重迷雾中寻找一条道路是
多么不易呀！

　　你可曾想到，当年在这座建筑物里工作的一批年轻的物理学家们，又是怎样在如此的
无尽迷雾中找到出路，并从这里延伸出去改变了整个二十世纪的命运？

　　这栋建筑物门前的牌子上面的字迹有些模糊，但仍可辨认出是这样几个字：“哥本哈
根大学理论物理学研究所”；而底下的署名“尼尔斯·玻尔”虽经岁月的无情洗礼仍自金
光闪闪。

　　如果有机会随意采访一个物理系毕业的年青人，问他若给他一个选择的机会，他会选
择历史上哪个时期来从事物理工作。他们会不约而同地告诉你是本世纪二十年代。

　　那是任何一个有激情的年青人都可以仗剑走江湖的年代。经典物理学象多骨诺米牌一
样哗哗倒地。头发花白的老学者们徒劳无望地支撑着牛顿力学的大厦，而年青人们旋风一
般的思想让他们既兴奋又恐惧。

　　不管你是刚走出校门的毕业生，还是刚对物理发生兴趣的门外汉，都有机会崭露头角
。一篇简短而深刻的论文就会使你永铭物理学史。权威们在新锐面前退缩，冲锋的号角在
耳边一遍又一遍响起，他们身上的血液随时都在沸腾。那个时代是十足属于年青人的。

　　1

　　1895年，德国的伦琴发现了X射线。

　　1896年，法国的贝克勒尔发现了放射性。

　　1897年，英国的汤姆逊发现了电子。

　　临近世纪末，上帝突然变得躁动不安，他扔下一大把谜语，然后默默不言。陶醉在牛
顿经典力学无往不胜的压倒性战绩的人们隐隐觉得什么地方出了问题，自然界还是有很多
神秘现象没有解释。

　　且不说伦琴目瞪口呆的望着X光照出来的他夫人的手指骨，也不说贝克勒尔莫名其妙
地看着被感光的底片，就说汤姆逊亦是眉头紧锁，对他发现的这种奇异的带负电的小粒子
一筹莫展。

　　汤姆逊是一位物理学界的老前辈，他虽出身贫寒，但凭聪颖好学很快就显示出他在学
界的实力，年纪轻轻就成为卡文迪许实验室的主任，然后是皇家学会会长，剑桥三一学院
的院长，成为牛顿的继任者之一。可是本当兴奋的他却极不情愿地向学界宣布他的新发现
。

　　可以理解他的窘状，当时的世界尽管铁轨遍野，电线密布，工厂里的机床彻夜地运转
，但是人们对微观世界的认识还停留在遥远的古希腊德谟克里特时代。大家只知道原子是
世界的本原，但谁也没想过原子到底能不能再分。而可怜的汤姆逊居然把这种比原子小得
多的东西找了出来。

　　这个叫电子的小东西虽然看不见，但是你可以精确地感知它的存在，你可以测得它的
质量，电荷，速度，甚至在它运动的路途上加上磁铁，你会觉察到它的偏转。

　　真是个幽灵。

　　然而学界一阵喧闹之后，就沉寂了下去。汤姆逊本人进行一段时间后，也悄悄终止了
研究，毕竟还有其它太多的事情要做。

　　这些小玩意儿，留给后来人吧，汤姆逊呷完最后一口咖啡，合上了实验记录本。

　　甚至在十年之后的1907年，这片阵地还几乎还是一片静寂。

　　在那一年里，名躁一时的爱因斯坦发表了光量子假说开了第一炮后又匆匆转移到广义
相对论中去。

　　36岁的新西兰人卢瑟福答应在英国领导著名的卡文迪许实验室；

　　22岁的哥本哈根大学学生尼尔斯·玻尔正在足球场上一边心不在焉地守着球门，一边
用粉笔在门框上排演着公式；

　　20岁的薛定谔在维也纳大学里认真地记着笔记；

　　6岁的海森堡还在慕尼黑街头不知疲倦地和伙伴们玩着石子；

　　老师的工作注定要由学生来完成。

　　体魄雄壮的卢瑟福刚来到英国卡文迪许实验室的时候，他的洪亮的嗓音吓了所有的同
事一跳。他一看就知道是那种体力充沛的人，但晒得红红的皮肤，粗糙有力的大手使人更
觉得他适合在菜园里栽种马铃薯。

　　好促狭的英国人不客气地称这位外乡人是南半球的野兔，因为擅打地洞才来到了英国
。卢瑟福听说了也没发火，他竭力显示自己绅士般的好脾气来和自己粗豪的外表相对照。
他相信凭借自己的能力一定会在这里取得一席之地的。

　　不久，他的导师汤姆逊让他研究电磁波，他在几个月内就把仪器的接收范围改造到半
英里以外，充分显示了他在实验上的天才，从此汤姆逊对他青眼有加，甚至在自己退休之
后推荐他继承卡文迪许实验室主任的宝座。

　　在1909年，卢瑟福拣起了老师锁在抽屉里的手稿，他开始认真考虑原子的结构问题了
。

　　在几年前短暂而热烈的讨论中，学者们纷纷提出自己对原子结构的看法；而其中以汤
姆逊的建议最为出名。他幽默地称电子就象面包里的葡萄干，而带正电的物质象面包一样
均匀地分布于整个空间。但是有人更带有哲学意味地提出行星模型，带正电的物质在中心
，而电子在周围飞速的旋转，他们认为宏观的宇宙和微观的原子的组成应有暗合之处。

　　鉴于发现者汤姆逊的威名，学界勉强接受了他的解释，可是明显几种解释都有漏洞，
在汤姆逊的面包中，带负电的葡萄干似乎在电磁引力的作用下很难静止不动，而行星模型
中飞速旋转的电子按迈克斯韦的理论没有理由不向外辐射能量，最终也象陨石一样坠落到
中心去的。

　　在此之前，卢瑟福已经从铀的辐射中分离出两种射线，一种是贝塔射线，也就是老师
发现的电子，一种是阿尔法射线，这种射线比最轻的氢原子重四倍，带的电则是正电，而
且电量是电子电荷的两倍。

　　这种更重的射线有个神奇的性质，就象传说中的点石为金一般，它可以将一种元素转
为另一种元素。实验成功的消息刚传出去，立刻导致了欧洲黄金市场上的金价狂贬。报纸
上带有问号的巨大标题是，原子已经分裂，人类末日是否来到？而一些投机商的眼睛放出
了光芒，在他们眼里卢瑟福那群人是二十世纪的炼金士，于是实验室里经常接到豪门巨富
的大额捐款。

　　金钱在任何时代，任何地方都不是坏事，卢瑟福添购了更新的仪器，卖力十倍地干起
来。他卢瑟福办事的精力和效率是有目共睹的，但糟糕的是他喜欢以自己的体力为标准来
要求其他人，经常导致实验室的人陪他一起饿肚子。慢慢他的外号不再是“新西兰的野兔
”，人们敬畏地称他为“鳄鱼”，也许他对未知世界的渴求只有饥饿的鳄鱼对食物的贪婪
才能一比。没想到卢瑟福对这个外号很满意，后来居然经常以鳄鱼自居。直到今天，在卢
瑟福的纪念馆门前还伏着一只张牙舞爪的鳄鱼雕像。

　　不料，鳄鱼很快陷入了困境。在实验中绝大多数阿尔法离子自由自在的穿过了靶原子
，但是有的偏离的原来的路线，甚至倒转回来。这就匪夷所思了，按照老师汤姆逊的模型
，带正电的面包不会轻易让阿尔法粒子随意穿过的，而沉重的阿尔法粒子更不会被轻飘飘
的电子反弹回来，其情形如同一颗疾驶的炮弹被蚊子一挡反弹回来一样可笑。

　　当时的实验条件用现在的眼光看当然简陋无比，一切都只能靠肉眼观测，蓝幽幽的硫
化锌屏幕上每出现一个亮点就表示有一个阿尔法粒子反弹了回来，可是一万个粒子中只能
有一个碰上这样的运气。卢瑟福所能作的只是平心静气地面对屏幕，一个亮点也不能数错
。不幸的卢瑟福虽号称鳄鱼，但是却不具备鳄鱼捕食时超常的耐心。其实不光是他，任何
人盯着屏幕超过五分钟都会因为两眼昏涩，金星乱舞产生误记数从而悻悻地退出观测的。
他把乏味的枯燥工作交给了别人轮流，自己埋头红着眼睛叼着雪茄陷入深思，究竟什么原
因有为数不多的阿尔法粒子竟被打得倒转回来？

　　仿佛一个人在扔硬币，连扔一万次都是正面。在概率上的极度荒谬一定意味着深刻的
物理内涵。那意味着什么，难道原子内当真有一个质量集中的小核，射过去的α粒子只有
擦近核的时候才会发生偏转，如果正好撞到核的时候就会反弹回来，而回来的粒子几率极
小的原因是小核占整个原子的体积太小了，如同足球场上的一粒石子。

　　原来如此！

　　卢瑟福狠狠掷下未抽完的雪茄，很快即使一楼负责看门的耳背的老头儿也听到一声大
吼，“我知道原子是什么样子了！”

　　“量子”这个词语是在1900年12月14日，在德国物理学会举办的一次会议上，从一个
叫普朗克的大学教授嘴里第一次说出来的。在上帝的安排下，它和二十世纪是一起诞生的
。

　　很难用几句话概括这个词语对二十世纪的深远影响。如果大家还对利用对冲基金的杠
杆效应掀起全球金融风暴的祸首索罗斯有了解的话，应该知道这位金融巨鳄的基金会的名
字叫“量子基金会”。对这个奇怪的名字索罗斯的解释是，量子最大的特征就是不确定性
，就象我们手中的股票，债券和外汇所表征的财富一样，随时都可能消失。

　　量子的这种解释是许多年之后物理学家才认识到的，当时可没人这么想。普朗克引进
量子这个词语纯粹是为了解释十九世纪末的两朵乌云之二黑体辐射中的紫外灾难。

　　首先来说说什么是黑体，黑体是完全吸收落在它面上电磁波的物质，所以我们称之为
黑。我们已经知道自从迈克斯韦提出他那著名的公式之后，电磁波的范围就变得极广了，
从常见的赤橙黄绿青蓝紫七色光，到广播电台的长波，短波，从夜视仪发出的红外线到能
杀死生物体的紫外线，从探索敌踪的雷达波，到神秘的X射线都属于这一范畴。它们的区
别仅在于波长的不同。

　　各种电磁波都是携带能量的，那么我们从黑体上开一个小口，象打开炼钢炉的炉门一
样，测量辐射的电磁波携带能量和辐射频率，就会得到一条曲线。

　　如何解释这条曲线是一直困扰所有物理学家的问题。琼斯曾经提出一个公式，在长波
阶段符合得很好，但这个公式有显然的漏洞，当电磁波的波长一短，譬如在紫外线段，能
量会变得很大。按照琼斯的算法，你刚打开微波炉，紫外线强大的能量会顿时将你击毙在
地的。这就是著名的紫外灾难。

　　后来在短波段维恩也提出了一个公式，但适用范围也仅限于短波。

　　普朗克是个研究辐射问题的专家，他用插值的方法将曲线长波，短波两头都连接了起
来，提出自己的公式，结果非常完美。在推导过程中，他引入了一个大胆的假设和一个神
秘的常数。

　　他的假设是能量是一份份传递和吸收的，而每一份能量都和一个非常小的常数有关。

　　这对当时所有的物理学家来说，不异于晴空霹雳。

　　从亚里士多德时代以来，人们的潜意识中认定世界是连续的。所谓连续的意思是物质
是可以任意分割的，上帝不喜欢整数。研究数论的数学家可能不喜欢这句话，可是在大部
分物理学家看来，如果不研究小数点后的东西，整个自然界就没有意义了。

　　你可以从一根连续的线上，随便剪下任意的一段长度。你也可以从一杯水中喝掉任意
任意少的水。而物理学家们总喜欢把物体或者运动分成无穷小段来考虑，这已经成为惯例
。反正拉丁语中有一句经典名言：自然不突变（Natura non facit saltus）。

　　而普朗克大声地告诉我们，不是这个样子的。不可能存在一点五或二点五个量子之类
的说法。能量的最小份额就是一个量子所携带的能量，普朗克给出的公式是：ν是电磁波
的频率，而h则按照惯例命名为普朗克常数。这个原本拼凑出来的常数竟成了物理上最著
名的三个常数之一，另外的一个是牛顿万有引力常数G，光在真空中传播的速度c，黑体辐
射的任何能量都是它的整数倍。

　　纵使普朗克在学界威望了得，大部分人也没有在意他的假说。但是有个年青人却深刻
地认识到它的重要性。

　　他就是爱因斯坦。

　　造化弄人。爱因斯坦自己也没想到亲自接生的量子力学若干年后竟成他发誓也要扼死
的对象，要不是玻尔一帮人的精心呵护，量子力学的命运还不知会怎么样呢。

　　爱因斯坦的光量子理论是解释光是如何射到金属表面打出电子的。这在物理学上称为
光电效应。19世纪物理学最成功的理论之一是推翻了牛顿的光粒子学说，确立了光的波动
学说，而迈克斯韦方程则将光牢牢钉到电磁波中去，无数的实验证明了这一结论。

　　但是光电效应和看来确凿无疑的波动理论格格不入。简单点说，光更象一个个粒子钻
入原子，并将电子硬碰出来，就象小孩子们常玩的弹子一样。而每一个粒子，按爱因斯坦
的说法，就是普朗克提出的量子，能量不可再分的那一种。

　　几乎每个物理学家对这个解说都在大摇其头。关于光是粒子还是波的说法人们已经争
了几百年，好不容易将光验明正身收了场。不料，爱因斯坦却将旧案翻了过来。

　　还是让事实来讲话吧。

　　检查的方法很明确，你不是赞成光是粒子么。那么所有的粒子都具有动量（质量与速
度的乘积），那你找到光存在动量的证据不就完了。

　　重任落在美国物理学家康普顿身上。

　　康普顿是个研究射线的专家。他既喜欢拉提琴，也喜欢打网球，而且由于出了名的力
气大，不仅经常拉断琴弦，而且打出网球的速度简直比得上他研究的宇宙射线。当然他最
喜欢的还是跑遍全球测量各地宇宙射线的强度。

　　一次，他带上设备远赴墨西哥。在站台上，人们看到一个轻松的美国绅士手拄文明棍
，后面跟着一大队被仪器压弯了腰的墨西哥小伙，警察检查行李的时候，认定他那宝贝仪
器是用来造炸弹用的。可怜的康普顿即使衣冠楚楚，也不得不在龌龊的拘留室中留了一宿
。

　　康普顿将X射线入射到石墨晶体上，并在其背面测得散射的X射线的波长有位移。这称
为康普顿效应。

　　用康普顿自己在的论文《X射线在轻元素上散射的量子理论》作出的结语来说：“对
这个理论的实验证明，非常令人信服地证明，辐射光子既带有能量，有带有定向的动量。
”

　　看来原有的观念需要再次更新，人们不得不尴尬地接受光既是粒子，也是波的看法。

　　不要感到不习惯，这里蕴藏着一个更本质的思想，直接促使了量子力学的诞生，可是
纵使天才如爱因斯坦当时也没有深想下去。

　　1911年的第一界索尔维会议的气氛是沉闷的。

　　索尔维本人是个比利时的化学工业家，曾因获得氨碱法制碱的专利而发了大财。这位
科学致富的知识分子对物理学，尤其是理论物理学情有独钟，虽然自己在这方面无甚造诣
，却可以请到世界上第一流的理论物理学家来到布鲁塞尔召开国际性物理会议。

　　这次会议聚集了二十三位欧洲一等一的物理学人才。他们面无表情地听完了普朗克和
爱因斯坦的报告。即使在距提出普朗克常数11年之久，普朗克仍小心翼翼地用上假设的字
眼儿。而爱因斯坦的狭义相对论在那时也不过被认为是毛头小伙变的魔术而已。

　　两个宇宙常数，h和c都在那时提出，它们一个代表宏观，一个代表微观，但都没得到
一致的确认。光速c是相对论中必不可少的基础，而没有普朗克常数，后来的量子力学无
从谈起。

　　最后，会议的发起者，老态龙钟的洛仑兹站起来发言，老人的声音有些含混：

　　“非常有可能，在我们这些人在这里讨论这些复杂混乱的问题时，在地球上某个僻静
的角落，某一个思想家已经解决了它。”

　　所有在座的人都沉默不语。

　　没有人料到路该怎么走下去，因为此时26岁的尼尔斯·玻尔还在卡文迪许实验室的卢
瑟福手下当助手，每天揉着红红的眼睛苦无收获。

　　11岁的维也纳中学生泡利深更半夜一个人跑到野外观察星象。

　　10岁的海森堡已经可以流畅地奏出巴赫的狂想曲。

　　9岁的狄拉克经常沉默地缩在教室一角。

　　3岁的朗道已显现顽强执拗的天性。