（書摘）第四章  白云生處

玻爾的模型更預測了一些新的譜線的存在，這些預言都很快為實驗物理學家們所證實。

根據(jù)玻爾模型，人們很快就發(fā)現(xiàn)，一個原子的化學性質(zhì)，主要取決于它最外層的電子數(shù)量，并由此表現(xiàn)出有規(guī)律的周期性來，這就為周期表的存在提供了最好的理論依據(jù)。但是人們也曾經(jīng)十分疑惑：對于擁有眾多電子的重元素來說，為什么它的一些電子能夠長期地占據(jù)外層的電子軌道，而不會失去能量落到靠近原子核的低層軌道上去。

年輕的泡利在1925年做出了解答：他發(fā)現(xiàn)，沒有兩個電子能夠享有同樣的狀態(tài)，而一層軌道所能夠包容的不同狀態(tài)，其數(shù)目是有限的，也就是說，一個軌道有著一定的容量。當電子填滿了一個軌道后，其他電子便無法再加入到這個軌道中來——“泡利不相容原理”。

這的確能夠更好地幫助人們理解“化學社會”的一些基本行為準則。

關(guān)鍵在于，玻爾的電子軌道模型非常有說服力地解釋了原子的性質(zhì)和行為，它的預言和實驗結(jié)果基本上吻合得絲絲入扣。在不到兩年的時間里，玻爾理論便取得了輝煌的勝利，全世界的物理學家們都開始接受玻爾模型。甚至我們的那位頑固派——拒絕承認量子實際意義的普朗克——也開始重新審視自己當初那偉大的發(fā)現(xiàn)。

1922年，玻爾獲得了諾貝爾獎。

科學家們不久就發(fā)現(xiàn)了譜線在弱磁場下的一種復雜分裂，稱作“反常塞曼效應”。這種現(xiàn)象要求引進值為1/2的量子數(shù)，玻爾的理論對之無可奈何。

另外玻爾理論沮喪地發(fā)現(xiàn)，自己的力量僅限于只有一個電子的原子模型。對于氫原子，氘原子，或者電離的氦原子來說，它給出的說法是令人信服的。但對于哪怕只有兩個核外電子的普通氦原子，它就表現(xiàn)得無能為力。甚至對于一個電子的原子來說，玻爾能夠說清的，也只不過是譜線的頻率罷了，至于譜線的強度、寬度或者偏振問題，玻爾還是只能說聲抱歉。

為了解決這些困難，玻爾、蘭德、泡利、克萊默等人做了大量的努力，引進了一個又一個新的假定，建立了一個又一個新的模型，有些甚至違反了玻爾和索末菲的理論本身。

但是，波爾理論的偉大意義卻不因為其短暫的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量，為未來的開拓者鋪平了道路。是它承前啟后，有力地推動了整個物理學的腳步。玻爾模型至今仍然是相當好的近似，它的一些思想仍然為今人所借鑒和學習。它描繪的原子圖景雖然過時，但卻是如此形象而生動，直到今天仍然是大眾心中的標準樣式，甚至代表了科學的形象。

德·布羅意王子一直在思考一個問題，就是如何能夠在玻爾的原子模型里面自然地引進一個周期的概念，以符合觀測到的現(xiàn)實。

如何賦予電子一個基本的性質(zhì)，讓它們自覺地表現(xiàn)出種種周期和量子化現(xiàn)象呢？德布羅意推論：根據(jù)愛因斯坦方程，如果電子有質(zhì)量m，那么它一定有一個內(nèi)稟的能量E = mc2。好，再次回憶那個很有用的量子基本方程，E = hν，也就是說，對應這個能量，電子一定會具有一個內(nèi)稟的頻率。這個頻率的計算：ν = mc2/h。

當電子以速度v0前進時，必定伴隨著一個速度為c2/v0的波……他們發(fā)現(xiàn)這個波的速度c2/v0將比光速還快上許多，但是這不是一個問題。德布羅意證明，這種波不能攜帶實際的能量和信息，因此并不違反相對論。德布羅意把這種波稱為“相波”（phase wave），也稱其“德布羅意波”。德布羅意波長公式：

λ= (c2/v0) / ( mc2/h) = h/mv0

電子居然是一個波！愛因斯坦馬上予以了高度評價，稱德布羅意“揭開了大幕的一角”。

德布羅意預言，電子在通過一個小孔的時候，會像光波那樣，產(chǎn)生一個可觀測的衍射現(xiàn)象。 

1925年4月，在美國紐約，戴維遜和革末在做一個有關(guān)電子的實驗。當電子通過鎳塊后，他們看到了熟悉的景象：X射線衍射圖案！可是并沒有X射線，只有電子。人們終于發(fā)現(xiàn)，在某種情況下，電子表現(xiàn)出如X射線般的純粹波動性質(zhì)來。電子，無疑地是一種波。

更多的證據(jù)接踵而來。1927年，G.P.湯姆遜，著名的J.J湯姆遜的兒子，在劍橋通過實驗進一步證明了電子的波動性。他利用實驗數(shù)據(jù)算出的電子行為，和德布羅意所預言的吻合得天衣無縫。

戴維遜和湯姆遜將分享1937年的諾貝爾獎金。

有意思的是，G.P.湯姆遜的父親，J.J.湯姆遜因為發(fā)現(xiàn)了電子這一粒子而獲得諾貝爾獎，他卻因為證明電子是波而獲得同樣的榮譽。

德布羅意的相波引發(fā)了新的爭論。不僅光和電磁輻射，現(xiàn)在連電子和普通物質(zhì)都出了問題：究竟是粒子還是波呢？

真正的問題還要從技術(shù)上去解決。

微粒說的另一道戰(zhàn)壕是威爾遜云室是英國科學家威爾遜在1911年發(fā)明的一種儀器。水蒸氣在塵埃或者離子通過的時候，會以它們?yōu)橹行哪Y(jié)成一串水珠，從而在粒子通過之處形成一條清晰可辨的軌跡，就像天空中噴氣式飛機身后留下的白霧。利用威爾遜云室，我們可以研究電子和其他粒子碰撞的情況，結(jié)果它們的表現(xiàn)完全符合經(jīng)典粒子的規(guī)律。

印度的玻色在給愛因斯坦的論文中，把光看成不可分割的粒子的集合，從這個簡單的假設(shè)出發(fā)，他一手推導出了普朗克黑體公式。

【原書】：

  第四章  白云深處

一 、

     應該說，玻爾關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的新理論出臺后，是并不怎么受到物理學家們的歡迎的。這個理論，在某 些人的眼中，居然有推翻麥克斯韋體系的狂妄意圖，本身就是大逆不道的。瑞利爵士(我們前面提到過的 瑞利-金斯線的發(fā)現(xiàn)者之一)對此表現(xiàn)得完全不感興趣，J.J.湯姆遜，玻爾在劍橋的導師，拒絕對此發(fā)表評 論。另一些不那么德高望重的人就直白多了，比如一位物理學家在課堂上宣布：“如果這些要用量子力學 才能解釋的話，那么我情愿不予解釋?！绷硪恍┤藙t聲稱，要是量子模型居然是真實的話，他們從此退出 物理學界。即使是思想開放的人，比如愛因斯坦和波恩，初也覺得完全接受這一理論太勉強了一些。      但是量子的力量超乎任何人的想象。勝利來得如此之快之迅猛，令玻爾本人都幾乎茫然而不知所措。 首先，玻爾的推導完全符合巴耳末公式所描述的氫原子譜線，而從 W2-W1 =hν這個公式，我們可以倒過來 推算ν的表述，從而和巴耳末的原始公式ν＝R(1/2^2 -1/n^2)對比，計算出里德伯常數(shù) R 的理論值來。而 事實上，玻爾理論的預言和實驗值僅相差千分之一，這無疑使得他的理論頓時具有了堅實的基礎(chǔ)。      不僅如此，玻爾的模型更預測了一些新的譜線的存在，這些預言都很快為實驗物理學家們所證實。而 在所謂“皮克林線系”(Pickering line series)的爭論中，玻爾更是以強有力的證據(jù)取得了決定性的勝 利。他的原子體系異常精確地說明了一些氦離子的光譜，準確性相比舊的方程，達到了令人驚嘆的地步。 而亨利?莫斯里(我們前面提到過的年輕天才，可惜死在戰(zhàn)場上的那位)關(guān)于 X 射線的工作，則進一步證實了 原子有核模型的正確。人們現(xiàn)在已經(jīng)知道，原子的化學性質(zhì)，取決于它的核電荷數(shù)，而不是傳統(tǒng)認為的原 子量。基于玻爾理論的電子殼層模型，也一步一步發(fā)展起來。只有幾個小困難需要解決，比如人們發(fā)現(xiàn)， 氫原子的光譜并非一根線，而是可以分裂成許多譜線。這些效應在電磁場的參予下又變得更為古怪和明顯 (關(guān)于這些現(xiàn)象，人們用所謂的“斯塔克效應”和“塞曼效應”來描述)。但是玻爾體系很快就予以了強有 力的回擊，在爭取到愛因斯坦相對論的同盟軍以及假設(shè)電子具有更多的自由度(量子數(shù))的條件下，玻爾和 別的一些科學家如索末菲(A.Sommerfeld)證明，所有的這些現(xiàn)象，都可以順利地包容在玻爾的量子體系之 內(nèi)。雖然殘酷的世界大戰(zhàn)已經(jīng)爆發(fā)，但是這絲毫也沒有阻擋科學在那個時期前進的偉大步伐。      每一天，新的報告和實驗證據(jù)都如同雪花一樣飛到玻爾的辦公桌上。而幾乎每一份報告，都在進一步 地證實玻爾那量子模型的正確性。當然，伴隨著這些報告，鋪天蓋地而來的還有來自社會各界的祝賀，社 交邀請以及各種大學的聘書。玻爾儼然已經(jīng)成為原子物理方面的帶頭人。出于對祖國的責任感，他拒絕了 盧瑟福為他介紹的在曼徹斯特的職位，雖然無論從財政還是學術(shù)上說，那無疑是一個更好的選擇。玻爾現(xiàn) 在是哥本哈根大學的教授，并決定建造一所專門的研究所以用作理論物理方面的進一步研究。這個研究 所，正如我們以后將要看到的那樣，將會成為歐洲一顆令人矚目的明珠，它的光芒將吸引全歐洲出色的 年輕人到此聚集，并發(fā)射出更加璀璨的思想光輝。      在這里，我們不妨還是回顧一下玻爾模型的一些基本特點。它基本上是盧瑟福行星模型的一個延續(xù)， 但是在玻爾模型中，一系列的量子化條件被引入，從而使這個體系有著鮮明的量子化特點。      首先，玻爾假設(shè)，電子在圍繞原子核運轉(zhuǎn)時，只能處于一些“特定的”能量狀中。這些能量狀是 不連續(xù)的，稱為定。你可以有 E1，可以有 E2，但是不能取 E1 和 E2 之間的任何數(shù)值。正如我們已經(jīng)描述 過的那樣，電子只能處于一個定中，兩個定之間沒有緩沖地帶，那里是電子的禁區(qū)，電子無法出現(xiàn)在 那里。      但是，玻爾允許電子在不同的能量之間轉(zhuǎn)換，或者說，躍遷。電子從能量高的 E2 狀躍遷到 E1 狀 ，就放射出 E2-E1 的能量來，這些能量以輻射的方式釋放，根據(jù)我們的基本公式，我們知道這輻射的頻 率為ν，從而使得 E2-E1 =hν。反過來，當電子吸收了能量，它也可以從能量低的狀攀升到一個能量較 高的狀，其關(guān)系還是符合我們的公式。我們必須注意，這種能量的躍遷是一個量子化的行為，如果電子 從 E2 躍遷到 E1，這并不表示，電子在這一過程中經(jīng)歷了 E2 和 E1 兩個能量之間的任何狀。如果你還是覺 得困惑，那表示連續(xù)性的幽靈還在你的腦海中盤旋。事實上，量子像一個高超的魔術(shù)師，它在舞臺的一端 微笑著揮舞著帽子登場，轉(zhuǎn)眼間便出現(xiàn)在舞臺的另一邊。而在任何時候，它也沒有經(jīng)過舞臺的中央部分！      每一個可能的能級，都代表了一個電子的運行軌道，這就好比離地面 500 公里的衛(wèi)星和離地面 800 公 里的衛(wèi)星代表了不同的勢能一樣。當電子既不放射也不吸收能量的時候，它就穩(wěn)定地在一條軌道上運動。 當它吸收了一定的能量，它就從原先的那個軌道消失，神秘地出現(xiàn)在離核較遠的一條能量更高的軌道上。 反過來，當它絕望地向著核墜落，就放射出它在高能軌道上所搜刮的能量來。   
  人們很快就發(fā)現(xiàn)，一個原子的化學性質(zhì)，主要取決于它外層的電子數(shù)量，并由此表現(xiàn)出有規(guī)律的周 期性來。但是人們也曾經(jīng)十分疑惑，那就是對于擁有眾多電子的重元素來說，為什么它的一些電子能夠長 期地占據(jù)外層的電子軌道，而不會失去能量落到靠近原子核的低層軌道上去。這個疑問由年輕的泡利在 1925 年做出了解答：他發(fā)現(xiàn)，沒有兩個電子能夠享有同樣的狀，而一層軌道所能夠包容的不同狀，其 數(shù)目是有限的，也就是說，一個軌道有著一定的容量。當電子填滿了一個軌道后，其他電子便無法再加入 到這個軌道中來。      一個原子就像一幢宿舍，每間房間都有一個四位數(shù)的門牌號碼。底樓只有兩間房間，分別是 1001 和 1002。而二樓則有 8 間房間，門牌分別是 2001，2002，2101，2102，2111，2112，2121 和 2122。越是高層 的樓，它的房間數(shù)量就越多。脾氣暴躁的管理員泡利在大門口張貼了一張布告，宣布沒有兩個電子房客可 以入住同一間房屋。于是電子們爭先恐后地涌入這幢大廈，先到的兩位占據(jù)了底樓那兩個價廉物美的房 間，后來者因為底樓已經(jīng)住滿，便不得不退而求其次，開始填充二樓的房間。二樓住滿后，又輪到三樓、 四樓……一直到租金離譜的六樓、七樓、八樓。不幸住在高處的電子雖然入不敷出，卻沒有辦法，因為樓 下都住滿了人，沒法搬走。叫苦不迭的他們把泡利那蠻橫的規(guī)定稱作“不相容原理”。      但是，這一措施的確能夠更好地幫助人們理解“化學社會”的一些基本行為準則。比如說，喜歡合群 的電子們總是試圖讓一層樓的每個房間都住滿房客。我們設(shè)想一座“鈉大廈”，在它的三樓，只有一位孤 零零的房客住在 3001 房。而在相鄰的“氯大廈”的三樓，則正好只有一間空房沒人入主(3122)。出于電子 對熱鬧的向往，鈉大廈的那位孤獨者順理成章地決定搬遷到氯大廈中去填滿那個空白的房間，而他也受到 了那里房客們的熱烈歡迎。這一舉動也促成了兩座大廈的聯(lián)誼，形成了一個“食鹽社區(qū)”。而在某些高層 大廈里，由于空房間太多，沒法找到足夠的孤獨者來填滿一層樓，那么，即使僅僅填滿一個側(cè)翼(wing)， 電子們也表示滿意。      所有的這一切，當然都是形象化和籠統(tǒng)的說法。實際情況要復雜得多，比如每一層樓的房間還因為設(shè) 施的不同分成好幾個等級。越高越貴也不是一個普遍原則，比如六樓的一間總統(tǒng)套房就很可能比七樓的普 通間貴上許多。但這都不是問題，關(guān)鍵在于，玻爾的電子軌道模型非常有說服力地解釋了原子的性質(zhì)和行 為，它的預言和實驗結(jié)果基本上吻合得絲絲入扣。在不到兩年的時間里，玻爾理論便取得了輝煌的勝利， 全世界的物理學家們都開始接受玻爾模型。甚至我們的那位頑固派--拒絕承認量子實際意義的普朗克--也 開始重新審視自己當初那偉大的發(fā)現(xiàn)。      玻爾理論的成就是巨大的，而且非常地深入人心，他本人為此在 1922 年獲得了諾貝爾獎金。但是，這 仍然不能解決它和舊體系之間的深刻矛盾。麥克斯韋的方程可不管玻爾軌道的成功與否，它仍然還是要 說，一個電子圍繞著原子核運動，必定釋放出電磁輻射來。對此玻爾也感到深深的無奈，他還沒有這個能 力去推翻整個經(jīng)典電磁體系，用一句流行的話來說，“封建殘余力量還很強大哪”。作為妥協(xié)，玻爾轉(zhuǎn)頭 試圖將他的原子體系和麥氏理論調(diào)和起來，建立一種兩種理論之間的聯(lián)系。他力圖向世人證明，兩種體系 都是正確的，但都只在各自適用的范圍內(nèi)才能成立。當我們的眼光從原子范圍逐漸擴大到平常的世界時， 量子效應便逐漸消失，經(jīng)典的電磁論得以再次取代 h 常數(shù)成為世界的主宰。在這個過程中，無論何時，兩 種體系都存在著一個確定的對應狀。這就是他在 1918 年發(fā)表的所謂“對應原理”。      對應原理本身具有著豐富的含義，直到今天還對我們有著借鑒意義。但是也無可否認，這種與經(jīng)典體 系“曖昧不清”的關(guān)系是玻爾理論的一個致命的先天不足。他引導的是一場不徹底的革命，雖然以革命者 的面貌出現(xiàn)，卻終還要依賴于傳統(tǒng)勢力的支持。玻爾的量子還只能靠著經(jīng)典體系的力量行動，它的自我 意識仍在深深沉睡之中而沒有蘇醒。當然，盡管如此，它的成就已經(jīng)令世人驚嘆不已，可這并不能避免它 即將在不久的未來，拖曳著長長的尾光墜落到地平線的另一邊去，成為一顆一閃而逝的流星。      當然了，這樣一個具有偉大意義的理論居然享壽如此之短，這只說明一件事：科學在那段日子里的前 進步伐不是我們所能夠想象的。那是一段可遇不可求的歲月，理論物理的黃金年代。如今回首，只有皓月 清風，伴隨大江東去。      *********      飯后閑話：原子和星系      盧瑟福的模型一出世，便被稱為“行星模型”或者“太陽系模型”。這當然是一種形象化的叫法，但 不可否認，原子這個極小的體系和太陽系這個極大的體系之間居然的確存在著許多相似之處。兩者都有一 個核心，這個核心占據(jù)著微不足道的體積(相對整個體系來說)，卻集中了 99%以上的質(zhì)量和角動量。人們不 禁要聯(lián)想，難道原子本身是一個“小宇宙”？或者，我們的宇宙，是由千千萬萬個“小宇宙”所組成的，
而它反過來又和千千萬萬個別的宇宙組成更大的“宇宙”？這令人想起威廉?布萊克(William Blake)那首 著名的小詩：      To see a. world in a. grain of sand. *從一粒沙看見世界      And a. heaven in a. wild flower *從一朵花知道天宸      Hold infinity in the palm of your hand *用一只手把握無限      And eternity in an hour *用一剎那留住永恒      我們是不是可以“從一粒沙看見世界”呢？原子和太陽系的類比不能給我們太多的啟迪，因為行星之 間的實際距離相對電子來說，可要遠的多了(當然是從比例上講)。但是，近有科學家提出，宇宙的確在 不同的尺度上，有著驚人的重復性結(jié)構(gòu)。比如原子和銀河系的類比，原子和中子星的類比，它們都在各個 方面--比如半徑、周期、振動等--展現(xiàn)出了十分相似的地方。如果你把一個原子放大 10^17 倍，它所表現(xiàn) 出來的性質(zhì)就和一個白矮星差不多。如果放大 10^30 倍，據(jù)信，那就相當于一個銀河系。當然，相當于并 不是說完全等于，我的意思是，如果原子體系放大 10^30 倍，它的各種力學和結(jié)構(gòu)常數(shù)就非常接近于我們 觀測到的銀河系。還有人提出，原子應該在高能情況下類比于同樣在高能情況下的太陽系。也就是說，原 子必須處在非常高的激發(fā)下(大約主量子數(shù)達到幾百)，那時，它的各種結(jié)構(gòu)就相當接近我們的太陽系。      這種觀點，即宇宙在各個層次上展現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu)，被稱為“分形宇宙”(Fractal Universe)模型。 在它看來，哪怕是一個原子，也包含了整個宇宙的某些信息，是一個宇宙的“全息胚”。所謂的“分 形”，是混沌動力學里研究的一個饒有興味的課題，它給我們展現(xiàn)了復雜結(jié)構(gòu)是如何在不同的層面上一再 重復。宇宙的演化，是否也遵從某種混沌動力學原則，如今還不得而知，所謂的“分形宇宙”也只是一家 之言罷了。這里當作趣味故事，博大家一笑而已。     
 

二 、

     曾幾何時，玻爾理論的興起為整個陰暗的物理天空帶來了絢麗的光輝，讓人們以為看見了極樂世界的 美景。不幸地是，這一虛假的泡沫式繁榮沒能持續(xù)太多的時候。舊的物理世界固然已經(jīng)在種種沖擊下變得 瘡痍滿目，玻爾原子模型那宏偉的宮殿也沒能抵擋住更猛烈的革命沖擊，在混亂中被付之一炬，只留下些 斷瓦殘垣，到今日供我們憑吊。初的暴雨已經(jīng)過去，大地一片蒼涼，天空中仍然濃云密布。殘陽似血， 在天際投射出余輝，把這廢墟染成金紅一片，襯托出一種更為沉重的氣氛，預示著更大的一場風暴的來 臨。      玻爾王朝的衰敗似乎在它誕生的那一天就注定了。這個理論，雖然借用了新生量子的無窮力量，它的 基礎(chǔ)卻仍然建立在脆弱的舊地基上。量子化的思想，在玻爾理論里只是一支雇傭軍，它更像是被強迫附加 上去的，而不是整個理論的出發(fā)點和基礎(chǔ)。比如，玻爾假設(shè)，電子只能具有量子化的能級和軌道，但為什 么呢？為什么電子必須是量子化的？它的理論基礎(chǔ)是什么呢？玻爾在這上面語焉不詳，顧左右而言他。當 然，苛刻的經(jīng)驗主義者會爭辯說，電子之所以是量子化的，因為實驗觀測到它們就是量子化的，不需要任 何其他的理由。但無論如何，如果一個理論的基本公設(shè)令人覺得不太安穩(wěn)，這個理論的前景也就不那么樂 觀了。在對待玻爾量子假設(shè)的度上，科學家無疑地聯(lián)想起了歐幾里德的第五公設(shè)(這個公理說，過線外一 點只能有一條直線與已知直線平行。人們后來證明這個公理并不是十分可靠的)。無疑，它好能夠從一些 更為基本的公理所導出，這些更基本的公理，應該成為整個理論的奠基石，而不僅僅是華麗的裝飾。      后來的歷史學家們在評論玻爾的理論時，總是會用到“半經(jīng)典半量子”，或者“舊瓶裝新酒”之類的 詞語。它就像一位變臉大師，當電子圍繞著單一軌道運轉(zhuǎn)時，它表現(xiàn)出經(jīng)典力學的面孔，一旦發(fā)生軌道變 化，立即又轉(zhuǎn)為量子化的樣子。雖然有著技巧高超的對應原理的支持，這種兩面派做法也還是為人所質(zhì) 疑。不過，這些問題還都不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是，玻爾大軍在取得一連串重大勝利后，終于發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)到了 強弩之末，有一些堅固的堡壘，無論如何是攻不下來的了。      比如我們都已經(jīng)知道的原子譜線分裂的問題，雖然在索末菲等人的努力下，玻爾模型解釋了磁場下的 塞曼效應和電場下的斯塔克效應。但是，大自然總是有無窮的變化令人頭痛?？茖W家們不久就發(fā)現(xiàn)了譜線 在弱磁場下的一種復雜分裂，稱作“反常塞曼效應”。這種現(xiàn)象要求引進值為 1/2 的量子數(shù)，玻爾的理論 對之無可奈何，一聲嘆息。這個難題困擾著許多的科學家，簡直令他們寢食難安。據(jù)說，泡利在訪問玻爾 家時，就曾經(jīng)對玻爾夫人的問好回以暴躁的抱怨：“我當然不好！我不能理解反常塞曼效應！”這個問 題，一直要到泡利提出他的不相容原理后，才算終解決。      另外玻爾理論沮喪地發(fā)現(xiàn)，自己的力量僅限于只有一個電子的原子模型。對于氫原子，氘原子，或者 電離的氦原子來說，它給出的說法是令人信服的。但對于哪怕只有兩個核外電子的普通氦原子，它就表現(xiàn)
得無能為力。甚至對于一個電子的原子來說，玻爾能夠說清的，也只不過是譜線的頻率罷了，至于譜線的 強度、寬度或者偏振問題，玻爾還是只能聳聳肩，以他那大舌頭的口音說聲抱歉。      在氫分子的戰(zhàn)場上，玻爾理論同樣戰(zhàn)敗。      為了解決所有的這些困難，玻爾、蘭德(Lande)、泡利、克萊默(Kramers)等人做了大量的努力，引進 了一個又一個新的假定，建立了一個又一個新的模型，有些甚至違反了玻爾和索末菲的理論本身。到了 1923 年，慘淡經(jīng)營的玻爾理論雖然勉強還算能解決問題，并獲得了人們的普遍認同，它已經(jīng)像一件打滿了 補丁的袍子，需要從根本上予以一次徹底變革了。哥廷根的那幫充滿朝氣的年輕人開始拒絕這個補丁累累 的系統(tǒng)，希望重新尋求一個更強大、完美的理論，從而把量子的思想從本質(zhì)上植根到物理學里面去，以結(jié) 束像現(xiàn)在這樣茍且的寄居生活。      玻爾體系的衰落和它的興盛一樣迅猛。越來越多的人開始關(guān)注原子世界，并做出了更多的實驗觀測。 每一天，人們都可以拿到新的資料，刺激他們的熱情，去揭開這個神秘王國的面貌。在哥本哈根和哥廷 根，物理天才們興致勃勃地談?wù)撝雍?、電子和量子，一頁頁寫滿了公式和字母的手稿承載著靈感和創(chuàng) 意，交織成一個大時代到來的序幕。青山遮不住，畢竟東流去。時代的步伐邁得如此之快，使得腳步蹣跚 的玻爾原子終于力不從心，從歷史舞臺中退出，消失在漫漫黃塵中，只留下一個名字讓我們時時回味。      如果把 1925 年-1926 年間海森堡(Werner Heisenberg)和薛定諤(Erwin Schrodinger)的開創(chuàng)性工作視 為玻爾體系的壽終正寢的話，這個理論總共大約興盛了 13 年。它讓人們看到了量子在物理世界里的偉大意 義，并第一次利用它的力量去揭開原子內(nèi)部的神秘面紗。然而，正如我們已經(jīng)看到的那樣，玻爾的革命是 一次不徹底的革命，量子的假設(shè)沒有在他的體系里得到根本的地位，而似乎只是一個調(diào)和經(jīng)典理論和現(xiàn)實 矛盾的附庸。玻爾理論沒法解釋，為什么電子有著離散的能級和量子化的行為，它只知其然，而不知其所 以然。玻爾在量子論和經(jīng)典理論之間采取了折衷主義的路線，這使得他的原子總是帶著一種半新不舊的色 彩，終因為無法克服的困難而崩潰。玻爾的有軌原子像一顆耀眼的火流星，放射出那樣強烈的光芒，卻 在轉(zhuǎn)眼間劃過夜空，復又墜落到黑暗和混沌中去。它是那樣地來去匆匆，以致人們都還來不及在衣帶上打 一個結(jié)，許一些美麗的愿望。      但是，它的偉大意義卻不因為其短暫的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量，為未來的開 拓者鋪平了道路。是它承前啟后，有力地推動了整個物理學的腳步。玻爾模型至今仍然是相當好的近似， 它的一些思想仍然為今人所借鑒和學習。它描繪的原子圖景雖然過時，但卻是如此形象而生動，直到今天 仍然是大眾心中的標準樣式，甚至代表了科學的形象。比如我們應該能夠回憶，直到 80 年代末，在中國的 大街上還是隨處可見那個代表了“科學”的圖形：三個電子沿著橢圓軌道圍繞著原子核運行。這個圖案到 了 90 年代終于消失了，想來總算有人意識到了問題。      在玻爾體系內(nèi)部，也已經(jīng)蘊藏了隨機性和確定性的矛盾。就玻爾理論而言，如何判斷一個電子在何時 何地發(fā)生自動躍遷是不可能的，它更像是一個隨機的過程。1919 年，應普朗克的邀請，玻爾訪問了戰(zhàn)后的 柏林。在那里，普朗克和愛因斯坦熱情地接待了他，量子力學的三大巨頭就幾個物理問題展開了討論。玻 爾認為，電子在軌道間的躍遷似乎是不可預測的，是一個自發(fā)的隨機過程，至少從理論上說沒辦法算出一 個電子具體的躍遷條件。愛因斯坦大搖其頭，認為任何物理過程都是確定和可預測的。這已經(jīng)埋下了兩人 日后那場曠日持久爭論的種子。      當然，我們可敬的尼爾斯?玻爾先生也不會因為舊量子論的垮臺而退出物理舞臺。正相反，關(guān)于他的精 彩故事才剛剛開始。他還要在物理的第一線戰(zhàn)斗很長時間，直到逝世為止。1921 年 9 月，玻爾在哥本哈根 的研究所終于落成，36 歲的玻爾成為了這個所的所長。他的人格魅力很快就像磁場一樣吸引了各地的才華 橫溢的年輕人，并很快把這里變成了全歐洲的一個學術(shù)中心。赫維西(Georg von Hevesy)、弗里西(Otto Frisch)、泡利、海森堡、莫特(Nevill Mott)、朗道(Lev D.Landau)、蓋莫夫(George Gamov)……人們向 這里涌來，充分地感受這里的自由氣氛和玻爾的關(guān)，并形成一種富有激情、活力、樂觀度和進取心的 學術(shù)精神，也就是后人所稱道的“哥本哈根精神”。在彈丸小國丹麥，出現(xiàn)了一個物理學界眼中的圣地， 這個地方將深遠地影響量子力學的未來，還有我們根本的世界觀和思維方式。       

三、

      當玻爾的原子還在泥潭中深陷苦于無法自拔的時候，新的革命已經(jīng)在醞釀之中。這一次，革命者并非 來自窮苦的無產(chǎn)階級大眾，而是出自一個顯赫的貴族家庭。路易斯?維克托?皮雷?雷蒙?德?布羅意王子 (Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)將為他那榮耀的家族歷史增添一份新的光輝。      “王子”(Prince，也有翻譯為“公子”的)這個爵位并非我們通常所理解的，是國王的兒子。事實上 在爵位表里，它的排名并不算高，而且似乎不見于英語世界。大致說來，它的地位要比“子爵”(Viscount)
略低，而比“男爵”(Baron)略高。不過這只是因為路易斯在家中并非老大而已，德布羅意家族的歷史悠 久，他的祖先中出了許許多多的將軍、元帥、部長，曾經(jīng)忠誠地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下 效勞。他們參加過波蘭王位繼承戰(zhàn)爭(1733-1735)、奧地利王位繼承戰(zhàn)爭(1740-1748)、七年戰(zhàn)爭(17561763)、美國獨立戰(zhàn)爭(1775-1782)、法國大革命(1789)、二月革命(1848)，接受過弗蘭西斯二世(Francis II，神圣羅馬帝國皇帝，后來退位成為奧地利皇帝弗蘭西斯一世)以及路易?腓力(Louis Philippe，法國國 王，史稱奧爾良公爵)的冊封，家族繼承著高世襲身份的頭銜：公爵(法文 Duc，相當于英語的 Duke)。路 易斯?德布羅意的哥哥，莫里斯?德布羅意(Maurice de Broglie)便是第六代德布羅意公爵。1960 年，當莫 里斯去世以后，路易斯終于從他哥哥那里繼承了這個光榮稱號，成為第七位 duc de Broglie。      當然，在那之前，路易斯還是頂著王子的爵號。小路易斯對歷史學表現(xiàn)出濃厚的興趣，他的祖父， Jacques Victor Albert, duc de Broglie，不但是一位政治家，曾于 1873-1874 年間當過法國總理，同時 也是一位出色的歷史學家，尤其精于晚羅馬史，寫出過著作《羅馬教廷史》(Histoire de l'église et de l'empire romain)。小路易斯在祖父的熏陶下，決定進入巴黎大學攻讀歷史。18 歲那年(1910)，他從大學 畢業(yè)，然而卻沒有在歷史學領(lǐng)域進行更多的研究，因為他的興趣已經(jīng)強烈地轉(zhuǎn)向物理方面。他的哥哥，莫 里斯?德布羅意(第六代德布羅意公爵)是一位著名的射線物理學家，路易斯跟隨哥哥參加了 1911 年的布魯 塞爾物理會議，他對科學的熱情被完全地激發(fā)出來，并立志把一生奉獻給這一令人激動的事業(yè)。      轉(zhuǎn)投物理后不久，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。德布羅意應征入伍，被分派了一個無線電技術(shù)人員的工 作。他比可憐的亨利?莫斯里要幸運許多，能夠在大戰(zhàn)之后毫發(fā)無傷，繼續(xù)進入大學學他的物理。他的博士 導師是著名的保羅?朗之萬(Paul Langevin)。      寫到這里筆者需要稍停一下做一點聲明。我們的史話講述到現(xiàn)在，雖然已經(jīng)回顧了一些令人激動的革 命和讓人大開眼界的新思想(至少筆者希望如此)，但總的來說，仍然是在經(jīng)典世界的領(lǐng)域里徘徊。而且根 據(jù)本人的印象，至今為止，我們的話題大體還沒有超出中學物理課本和高考的范圍。對于普通的讀者來 說，唯一稍感陌生的，可能只是量子的跳躍思想。而接受這一思想，也并不是一件十分困難和不情愿的事 情。      然而在這之后，我們將進入一個完完全全的奇幻世界。這個世界光怪陸離，和我們平常所感知認同的 那個迥然不同。在這個新世界里，所有的圖象和概念都顯得瘋狂而不理性，顯得更像是愛麗絲夢中的奇 境，而不是踏踏實實的土地。許多名詞是如此古怪，以致只有借助數(shù)學工具才能把握它們的真實意義。當 然，筆者將一如既往地試圖用淺白的語言將它們表述出來，但是仍然有必要提醒各位做好心理準備。為 了表述的方便，我將盡量地把一件事情陳述完全，然后再轉(zhuǎn)換話題。雖然在歷史上，所有的這一切都是鋪 天蓋地而來，它們混雜在一起，澎湃洶涌，讓人分不出個頭緒。在后面的敘述中，我們可能時時要在各個 年份間跳來跳去，那些希望把握時間感的讀者們應該注意確切的年代。      我們已經(jīng)站在一個偉大時刻的前沿。新的量子力學很快就要被創(chuàng)建出來，這一次，它的力量完完全全 地被施展開來，以致把一切舊事物，包括玻爾那個半新不舊的體系，都摧枯拉朽般地毀滅殆盡。它很快就 要為我們揭開一個新世界的大幕，這個新世界，哪怕是稍微往里面瞥上一眼，也足夠讓人頭暈目眩，心馳 神搖。但是，既然我們已經(jīng)站在這里，那就只有義無返顧地前進了。所以跟著我來吧，無數(shù)激動人心的事 物正在前面等著我們。      我們的話題回到德布羅意身上。他一直在思考一個問題，就是如何能夠在玻爾的原子模型里面自然地 引進一個周期的概念，以符合觀測到的現(xiàn)實。原本，這個條件是強加在電子上面的量子化模式，電子在玻 爾的硬性規(guī)定下，雖然乖乖聽話，總有點不那么心甘情愿的感覺。德布羅意想，是時候把電子解放出來， 讓它們自己做主了。      如何賦予電子一個基本的性質(zhì)，讓它們自覺地表現(xiàn)出種種周期和量子化現(xiàn)象呢？德布羅意想到了愛因 斯坦和他的相對論。他開始這樣地推論：根據(jù)愛因斯坦那著名的方程，如果電子有質(zhì)量 m，那么它一定有一 個內(nèi)稟的能量 E =mc^2。好，讓我們再次回憶那個我說過很有用的量子基本方程，E =hν，也就是說，對應 這個能量，電子一定會具有一個內(nèi)稟的頻率。這個頻率的計算很簡單，因為 mc^2 =E =hν，所以ν= mc^2/h。      好。電子有一個內(nèi)在頻率。那么頻率是什么呢？它是某種振動的周期。那么我們又得出結(jié)論，電子內(nèi) 部有某些東西在振動。是什么東西在振動呢？德布羅意借助相對論，開始了他的運算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)……當電 子以速度 v0 前進時，必定伴隨著一個速度為 c^2/v0 的波……      噢，你沒有聽錯。電子在前進時，總是伴隨著一個波。細心的讀者可能要發(fā)出疑問，因為他們發(fā)現(xiàn)這 個波的速度 c^2/v0 將比光速還快上許多，但是這不是一個問題。德布羅意證明，這種波不能攜帶實際的能
量和信息，因此并不違反相對論。愛因斯坦只是說，沒有一種能量信號的傳遞能超過光速，對德布羅意的 波，他是睜一只眼閉一只眼的。      德布羅意把這種波稱為“相波”(phase wave)，后人為了紀念他，也稱其為“德布羅意波”。計算這 個波的波長是容易的，就簡單地把上面得出的速度除以它的頻率，那么我們就得到：λ= (c^2/v0 )/ (mc^2/h) =h/mv0。這個叫做德布羅意波長公式。      但是，等等，我們似乎還沒有回過神來。我們在談?wù)撘粋€“波”！可是我們頭先明明在討論電子的問 題，怎么突然從電子里冒出了一個波呢？它是從哪里出來的？我希望大家還沒有忘記我們可憐的波動和微 粒兩支軍隊，在玻爾原子興盛又衰敗的時候，它們一直在苦苦對抗，僵持不下。1923 年，德布羅意在求出 他的相波之前，正好是康普頓用光子說解釋了康普頓效應，從而帶領(lǐng)微粒大舉反攻后不久。倒霉的微粒不 得不因此放棄了全面進攻，因為它們突然發(fā)現(xiàn)，在電子這個大后方，居然出現(xiàn)了波動的奸細！而且怎么趕 都趕不走。      電子居然是一個波！這未免讓人感到太不可思議。可敬的普朗克紳士在這些前衛(wèi)而反叛的年輕人面 前，只能搖頭興嘆，連話都說不出來了。假如說當時全世界只有一個人支持德布羅意的話，他就是愛因斯 坦。德布羅意的導師朗之萬對自己弟子的大膽見解無可奈何，出于挽救失足青年的良好愿望，他把論文交 給愛因斯坦點評。誰料愛因斯坦馬上予以了高度評價，稱德布羅意“揭開了大幕的一角”。整個物理學界 在聽到愛因斯坦的評論后大吃一驚，這才開始全面關(guān)注德布羅意的工作。      證據(jù)，我們需要證據(jù)。所有的人都在異口同聲地說。如果電子是一個波，那么就讓我們看到它是一個 波的樣子。把它的衍射實驗做出來給我們看，把干涉圖紋放在我們的眼前。德布羅意有禮貌地回敬道：是 的，先生們，我會給你們看到證據(jù)的。我預言，電子在通過一個小孔的時候，會像光波那樣，產(chǎn)生一個可 觀測的衍射現(xiàn)象。      1925 年 4 月，在美國紐約的貝爾電話實驗室，戴維遜(C.J.Davisson)和革末(L. H. Germer)在做一個 有關(guān)電子的實驗。這個實驗的目的是什么我們不得而知，但它牽涉到用一束電子流轟擊一塊金屬鎳 (nickel)。實驗要求金屬的表面絕對純凈，所以戴維遜和革末把金屬放在一個真空的容器中，以確保沒有 雜志混入其中。      不幸的是，發(fā)生了一件意外。這個真空容器因為某種原因發(fā)生了爆炸，空氣一擁而入，迅速地氧化了 鎳的表面。戴維遜和革末非常懊喪，不過他們并不因此放棄實驗，他們決定，重新凈化金屬表面，把實驗 從頭來過。當時，去除氧化層的好辦法就是對金屬進行高熱加溫，這正是戴維遜所做的。      兩人并不知道，正如雅典娜暗中助推著阿爾戈英雄們的船只，幸運女神正在這個時候站在他倆的身 后。容器里的金屬，在高溫下發(fā)生了不知不覺的變化：原本它是由許許多多塊小晶體組成的，而在加熱之 后，整塊鎳融合成了一塊大晶體。雖然在表面看來，兩者并沒有太大的不同，但是內(nèi)部的劇變已經(jīng)足夠改 變物理學的歷史。      當電子通過鎳塊后，戴維遜和革末瞠目結(jié)舌，久久說不出話來。他們看到了再熟悉不過的景象：X 射線 衍射圖案！可是并沒有 X 射線，只有電子，人們終于發(fā)現(xiàn)，在某種情況下，電子表現(xiàn)出如 X 射線般的純粹 波動性質(zhì)來。電子，無疑地是一種波。      更多的證據(jù)接踵而來。1927 年，G.P.湯姆遜，著名的 J.J 湯姆遜的兒子，在劍橋通過實驗進一步證明 了電子的波動性。他利用實驗數(shù)據(jù)算出的電子行為，和德布羅意所預言的吻合得天衣無縫。      命中注定，戴維遜和湯姆遜將分享 1937 年的諾貝爾獎金，而德布羅意將先于他們 8 年獲得這一榮譽。 有意思的是，GP 湯姆遜的父親，JJ 湯姆遜因為發(fā)現(xiàn)了電子這一粒子而獲得諾貝爾獎，他卻因為證明電子是 波而獲得同樣的榮譽。歷史有時候，實在富有太多的趣味性。      *********      飯后閑話：父子諾貝爾      俗話說，將門無犬子，大科學家的后代往往也會取得不亞于前輩的驕人成績。JJ 湯姆遜的兒子 GP 湯姆 遜推翻了老爸電子是粒子的觀點，證明電子的波動性，同樣獲得諾貝爾獎。這樣的世襲科學豪門，似乎還 不是絕無僅有。      居里夫人和她的丈夫皮埃爾?居里于 1903 年分享諾貝爾獎(居里夫人在 1911 年又得了一個化學獎)。他 們的女兒約里奧?居里(Irene Joliot-Curie)也在 1935 年和她丈夫一起分享了諾貝爾化學獎。居里夫人的 另一個女婿，美國外交家 Henry R. Labouisse，在 1965 年代表聯(lián)合國兒童基金會(UNICEF)獲得了諾貝爾和 平獎。   
  1915 年，William Henry Bragg 和 William Lawrence Bragg 父子因為利用 X 射線對晶體結(jié)構(gòu)做出了突 出貢獻，分享了諾貝爾物理獎金。      我們大名鼎鼎的尼爾斯?玻爾獲得了 1922 年的諾貝爾物理獎。他的小兒子，埃格?玻爾(Aage Bohr)于 1975 年在同樣的領(lǐng)域獲獎。      卡爾?塞班(Karl Siegbahn)和凱伊?塞班(Kai Siegbahn)父子分別于 1924 和 1981 年獲得諾貝爾物理 獎。      假如俺的老爸是大科學家，俺又會怎樣呢？不過恐怕還是如現(xiàn)在這般浪蕩江湖，尋求無拘無束的生活 吧，呵呵。       

四、

      “電子居然是個波！”這個爆炸性新聞很快就傳遍了波動和微粒雙方各自的陣營。剛剛還在康普頓戰(zhàn) 役中焦頭爛額的波動一方這下?lián)P眉吐氣，終于可以狠狠地嘲笑一下死對頭微粒?！恫▌尤請蟆钒l(fā)表社論， 宣稱自己取得了決定性的勝利?！拔⒘５姆磁褎萘K將遭遇到他們應有的可恥結(jié)局--電子的下場就是明 證?！惫庾拥姆磽?，在波動的眼中突然變得不值一提了，連電子這個老大哥都搞定了，還怕小小的光子？      不過這次，波動的樂觀度未免太一廂情愿，它高興得過早了。微粒方面的宣傳輿論工具也沒閑著， 《微粒新聞》的記者采訪了德布羅意，結(jié)果德布羅意說，當今的輻射物理被分成粒子和波兩種觀點，這兩 種觀點應當以某種方式統(tǒng)一，而不是始終地尖銳對立--這不利于理論的發(fā)展前景。對于微粒來說，講和的 提議自然是無法接受的，但至少讓它高興的是，德布羅意沒有明確地偏向波動一方。微粒的技術(shù)人員也隨 即展開反擊，光究竟是粒子還是波都還沒說清，誰敢那樣大膽地斷言電子是個波？讓我們看看電子在威爾 遜云室里的表現(xiàn)吧。      威爾遜云室是英國科學家威爾遜(C.T.R.Wilson)在 1911 年發(fā)明的一種儀器。水蒸氣在塵?；蛘唠x子通 過的時候，會以它們?yōu)橹行哪Y(jié)成一串水珠，從而在粒子通過之處形成一條清晰可辨的軌跡，就像天空中 噴氣式飛機身后留下的白霧。利用威爾遜云室，我們可以研究電子和其他粒子碰撞的情況，結(jié)果它們的表 現(xiàn)完全符合經(jīng)典粒子的規(guī)律。在過去，這或許是理所當然的事情，但現(xiàn)在對于粒子軍來說，這個證據(jù)是寶 貴的。威爾遜因為發(fā)明云室在 1927 年和康普頓分享了諾貝爾獎金。如果說 1937 年戴維遜和湯姆遜的獲獎 標志著波動的狂歡，那 10 年的這次諾貝爾頒獎禮無疑是微粒方面的一次盛典。不過那個時候，戰(zhàn)局已經(jīng)出 乎人們的意料，有了微妙的變化。當然這都是后話了。      捕捉電子位置的儀器也早就有了，電子在感應屏上，總是激發(fā)出一個小亮點。Hey，微粒的將軍們說， 波動怎么解釋這個呢？哪怕是電子組成衍射圖案，它還是一個一個亮點這樣堆積起來的。如果電子是波的 話，那么理論上單個電子就能構(gòu)成整個圖案，只不過非常黯淡而已。可是情況顯然不是這樣，單個電子只 能構(gòu)成單個亮點，只有大量電子的出現(xiàn)，才逐漸顯示出衍射圖案來。      微粒的還擊且不去說他，更糟糕的是，無論微粒還是波動，都沒能在“德布羅意事變”中撈到實質(zhì)性 的好處。波動的嘲笑再尖刻，它還是對光電效應、康普頓效應等等現(xiàn)象束手無策，而微粒也還是無法解釋 雙縫干涉。雙方很快就發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)線還是那條戰(zhàn)線，誰都沒能前進一步，只不過戰(zhàn)場被擴大了而已。電子現(xiàn) 在也被拉進有關(guān)光本性的這場戰(zhàn)爭，這使得戰(zhàn)爭全面地被升級?，F(xiàn)在的問題，已經(jīng)不再僅僅是光到底是粒 子還是波，現(xiàn)在的問題，是電子到底是粒子還是波，你和我到底是粒子還是波，這整個物質(zhì)世界到底是粒 子還是波。      事實上，波動這次對電子的攻擊只有更加激發(fā)了粒子們的同仇敵愾之心?，F(xiàn)在，光子、電子、α粒 子、還有更多的基本粒子，他們都決定聯(lián)合起來，為了“大粒子王國”的神圣保衛(wèi)戰(zhàn)而并肩奮斗。這場波 粒戰(zhàn)爭，已經(jīng)遠遠超出了光的范圍，整個物理體系如今都陷于這個爭論中，從而形成了一次名副其實的世 界大戰(zhàn)。玻爾在 1924 年曾試圖給這兩支軍隊調(diào)停，他和克萊默(Kramers)還有斯雷特(Slater)發(fā)表了一個 理論(稱作 BSK 理論)，嘗試同時從波和粒子的角度去解釋能量轉(zhuǎn)換，但雙方正打得眼紅，這次調(diào)停成了外 交上的徹底失敗，不久就被實驗所否決。戰(zhàn)火熊熊，燃遍物理學的每一寸土地，同時也把它的未來炙烤得 焦糊不清。      物理學已經(jīng)走到了一個十字路口。它迷茫而又困惑，不知道前途何去何從。昔日的經(jīng)典輝煌已經(jīng)變成 斷瓦殘垣，一切回頭路都被斷絕。如今的天空濃云密布，不見陽光，在大地上投下一片陰影。人們在量子 這個精靈的帶領(lǐng)下一路走來，沿途如行山陰道上，精彩目不暇接，但現(xiàn)在卻突然發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)身在白云深 處，彷徨而不知歸路。放眼望去，到處是霧茫茫一片，不辨東南西北，叫人心中沒底。玻爾建立的大廈雖 然看起來還是頂天立地，但稍微了解一點內(nèi)情的工程師們都知道它已經(jīng)幾經(jīng)裱糊，傷筋動骨，搖搖欲墜， 只是仍然在苦苦支撐而已。更何況，這個大廈還憑借著對應原理的天橋，依附在麥克斯韋的舊樓上，這就
教人更不敢對它的前途抱有任何希望。在另一邊，微粒和波動打得烽火連天，誰也奈何不了誰，長期的戰(zhàn) 爭已經(jīng)使物理學的基礎(chǔ)處在崩潰邊緣，它甚至不知道自己是建立在什么東西之上。      不過，我們也不必過多地為一種悲觀情緒所困擾。在大時代的黎明到來之前，總是要經(jīng)歷這樣的深深 的黑暗，那是一個偉大理論誕生前的陣痛。當大風揚起，吹散一切嵐霧的時候，人們會驚喜地發(fā)現(xiàn)，原來 他們已經(jīng)站在高高的山峰之上，極目望去，滿眼風光。      那個帶領(lǐng)我們穿越迷霧的人，后來回憶說：“1924 到 1925 年，我們在原子物理方面雖然進入了一個濃 云密布的領(lǐng)域，但是已經(jīng)可以從中看見微光，并展望出一個令人激動的遠景?！?nbsp;     說這話的是一個來自德國的年輕人，他就是維爾納?海森堡(Werner Heisenberg)。      在本史話第二章的后，我們已經(jīng)知道，海森堡于 1901 年出生于維爾茲堡(Würzburg)，他的父親后來 成為了一位有名的希臘文教授。小海森堡 9 歲那年，他們?nèi)野岬搅四侥岷冢淖娓冈谀抢锏囊婚g學校 (叫做 Maximilians Gymnasium 的)當校長，而海森堡也自然進了這間學校學習。雖然屬于“高干子弟”， 但小海森堡顯然不用憑借這種關(guān)系來取得成績，他的天才很快就開始讓人吃驚，特別是數(shù)學和物理方面 的，但是他同時也對宗教、文學和哲學表現(xiàn)出強烈興趣。這樣的多才多藝預示著他以后不僅僅將成為一個 劃時代的物理學家，同時也將成為一為重要的哲學家。      1919 年，海森堡參予了鎮(zhèn)壓巴伐利亞蘇維埃共和國的軍事行動，當然那時候他還只是個大男孩，把這 當成一件好玩的事情而已。對他來說，更嚴肅的是在大學里選擇一條怎樣的道路。當他進入慕尼黑大學 后，這種選擇便很現(xiàn)實地擺在他面前：是跟著林德曼(Ferdinand von Lindemann)，一位著名的數(shù)學家學習 數(shù)論呢，還是跟著索末非學習物理？海森堡終于選擇了后者，從而邁出了一個科學巨人的第一步。      1922 年，玻爾應邀到哥廷根進行學術(shù)訪問，引起轟動，甚至后來被稱為哥廷根的“玻爾節(jié)”。海森堡 也趕到哥廷根去聽玻爾的演講，才三年級的他竟然向玻爾提出一些學術(shù)觀點上的異議，使得玻爾對他刮目 相看。事實上，玻爾此行大的收獲可能就是遇到了海森堡和泡利，兩個天才無限的年輕人。而這兩人之 后都會遠赴哥本哈根，在玻爾的研究室和他一起工作一段日子。      到了 1925 年，海森堡--他現(xiàn)在是博士了--已經(jīng)充分成長為一個既朝氣蓬勃又不乏成熟的物理學家。他 在慕尼黑、哥廷根和哥本哈根的經(jīng)歷使得他得以師從當時好的幾位物理大師。而按他自己的說法，他從 索末非那里學到了樂觀度，在哥廷根從波恩，弗蘭克還有希爾伯特那里學到了數(shù)學，而從玻爾那里，他 學到了物理(索末非似乎很沒有面子，呵呵)。      現(xiàn)在，該輪到海森堡自己上場了。物理學的天空終將云開霧散，露出璀璨的星光讓我們目眩神迷。在 那其中有幾顆特別明亮的星星，它們的光輝照亮了整個夜空，組成了華麗的星座。不用費力分辯，你應 該能認出其中的一顆，它就叫維爾納?海森堡。作為量子力學的奠基人之一，這個名字將永遠鐫刻在時空和 歷史中。      *********      飯后閑話：被誤解的名言      這個閑話和今天的正文無關(guān)，不過既然這幾日討論牛頓，不妨多披露一些關(guān)于牛頓的歷史事實。      牛頓為人熟知的一句名言是這樣說的：“如果我看得更遠的話，那是因為我站在巨人的肩膀上”(If Ihave seen further it is by standing on ye shoulders of Giants)。這句話通常被用來贊嘆牛頓的謙 遜，但是從歷史上來看，這句話本身似乎沒有任何可以理解為謙遜的理由。      首先這句話不是原創(chuàng)。早在 12 世紀，伯納德(Bernard of Chartres，他是中世紀的哲學家，著名的法 國沙特爾學校的校長)就說過：“Nos esse quasi nanos gigantium humeris insidientes”。這句拉丁文 的意思就是說，我們都像坐在巨人肩膀上的矮子。這句話，如今還能在沙特爾市那著名的哥特式大教堂的 窗戶上找到。從伯納德以來，至少有二三十個人在牛頓之前說過類似的話。      牛頓說這話是在 1676 年給胡克的一封信中。當時他已經(jīng)和胡克在光的問題上吵得昏天黑地，爭論已經(jīng) 持續(xù)多年(可以參見我們的史話)。在這封信里，牛頓認為胡克把他(牛頓自己)的能力看得太高了，然后就 是這句著名的話：“如果我看得更遠的話，那是因為我站在巨人的肩膀上”。      這里面的意思無非兩種：牛頓說的巨人如果指胡克的話，那是一次很明顯的妥協(xié)：我沒有抄襲你的觀 念，我只不過在你工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展--這才比你看得高那么一點點。牛頓想通過這種方式委婉地平息 胡克的怒火，大家就此罷手。但如果要說大度或者謙遜，似乎很難談得上。牛頓為此一生記恨胡克，哪怕 幾十年后，胡克早就墓木已拱，他還是不能平心靜氣地提到這個名字，這句話多是試圖息事寧人的外交 詞令而已。另一種可能，巨人不指胡克，那就更明顯了：我的工作就算不完全是自己的，也是站在前輩巨 人們的肩上--沒你胡克的事。   
  更多的歷史學家認為，這句話是一次惡意的挪揄和諷刺--胡克身材矮小，用“巨人”似乎暗含不好 意。持這種觀點的甚至還包括著名的史蒂芬?霍金，正是他如今坐在當年牛頓盧卡薩教授的位子上。      牛頓還有一句有名的話，大意說他是海邊的一個小孩子，撿起貝殼玩玩，但還沒有發(fā)現(xiàn)真理的大海。 這句話也不是他的原創(chuàng)，早可以追溯到 Joseph Spence。但牛頓可能是從約翰?米爾頓的《復樂園》中 引用(牛頓有一本米爾頓的作品集)。這顯然也是精心準備的說辭，牛頓本人從未見過大海，更別提在海灘 行走了。他一生中見過的大的河也就是泰晤士河，很難想象大海的意象如何能自然地從他的頭腦中跳出 來。    我談這些，完全沒有詆毀誰的意思。我只想說，歷史有時候被賦予了太多的光圈和暈輪，但還歷史的 真相，是每一個人的責任，不論那真相究竟是什么。同時，這也絲毫不影響牛頓科學上的成就--他是有史 以來偉大的科學家。

（待續(xù)）