原子的故事

　到20世紀初，大家已經知道，原子是由幾個部分構成的。但是，大家還不知道的是：到底有多少個部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什么形狀。有的物理學家認為，原子可能是立方體的，因為立方體可以整齊地疊在一起，不會浪費任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄干面包，或者像一份葡萄干布丁：一個密度很大的固體，帶有正電荷，上面布滿了帶負電荷的電子，就像葡萄干面包上的葡萄干。

　　1910年，盧瑟福（在他的學生漢斯·蓋格的協助之下。蓋格后來將發明冠有他名字的輻射探測儀）朝一塊金箔發射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會反彈回來。他說，他就像朝一張紙發射了一發38厘米的炮彈，結果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發生的事。經過冥思苦想以后，他覺得只有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識到，原子內部主要是空無一物的空間，只有當中是密度很大的核。這是個很令人滿意的發現。但馬上產生了一個問題，根據傳統物理學的全部定律，原子因此就不應該存在。

　　讓我們稍停片刻，先來考慮一下現在我們所知道的原子結構。每個原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質子，帶負電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質子和中子裝在原子核里，而電子在外面繞著旋轉。質子的數量決定一個原子的化學特性。有一個質子的原子是氫原子；有兩個質子的原子是氦原子；有三個質子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個質子就得到一種新元素。（由于原子里的質子數量總是與同樣數量的電子保持平衡，因此你有時候會發現有的書里以電子的數量來界定一種元素，結果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質子決定一個原子的身份，電子決定一個原子的性情。）

　　中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質量。一般來說，中子數量與質子數量大致相等，但也可以稍稍多一點或少一點。增加或減少一兩個中子，你就得到了同位素?？脊艑W里就是用同位素來確定年代的--比如，碳－14是由6個質子和8個中子組成的碳原子（因為二者之和是14）。

　　中子和質子占據了原子核。原子核很小--只有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大，它實際上構成了原子的全部物質。克羅珀說，要是把原子擴大到一座教堂那么大，原子核只有大約一只蒼蠅那么大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。

　　認為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實體只是一種幻覺，這個見解現在依然令人吃驚。要是兩個物體在現實世界里碰在一起--我們常用臺球來作為例子--它們其實并不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費里斯解釋說，"兩個球的負電荷場互相排斥......要是不帶電荷，它們很可能會像星系那樣安然無事地互相穿堂而過。"你坐在椅子上，其實沒有坐在上面，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上面，你的電子和它的電子不可調和地互相排斥，不可能達到更密切的程度。

　　差不多人人的腦海里都有一幅原子圖，即一兩個電子繞著原子核飛速轉動，就像行星繞著太陽轉動一樣。這個形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學家創建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯的，但照樣很有生命力。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽系，我們的太陽系成了一個大得多的體系里的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長岡所提出的圖像作為它網站的標記。物理學家很快就意識到，實際上，電子根本不像在軌道上運行的行星，更像是電扇旋轉著的葉片，想要同時填滿軌道上的每一空間。（但有個重要的不同之處，那就是，電扇葉片只是好像同時在每個地方，電子真的就同時在每個地方。）

　　不用說，在1910年，或在此后的許多年里，知道這類知識的人為數甚少。盧瑟福的發現馬上產生了幾個大問題。尤其是，圍繞原子核轉動的電子可能會墜毀。傳統的電動力學理論認為，飛速轉動的電子很快會把能量消耗殆盡--只是一剎那間--然后盤旋著飛進原子核，給二者都帶來災難性的后果。還有一個問題，帶正電荷的質子怎么能一起待在原子核里面，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見，那個小天地里在發生的事，是不受適用于我們宏觀世界的規律支配的。

隨著物理學家們深入這個亞原子世界，他們意識到，那里不僅不同于我們所熟悉的任何東西，也不同于所能想像的任何東西。"由于原子的行為如此不同于普通的經驗，"理查德·費曼有一次說，"你是很難習慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經驗的物理學家看來，它顯得又古怪，又神秘。"到費曼發表這番評論的時候，物理學家們已經有半個世紀的時間來適應原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們在20世紀初會有什么感覺。它在當時還完全是個新鮮事物。

　　與盧瑟福一起工作的人當中，有個和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結構的過程中，突然有了個激動人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時代意義的論文。

　　物理學家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據它在外來條件作用下的表現方式來確定它的結構，比如像盧瑟福那樣向金箔發射α粒子。有時候，這類實驗的結果是令人費解的，那也不足為怪。有個存在很久的難題跟氫的波長的光譜讀數有關。它們產生的形狀顯示，氫原子在有的波長釋放能量，在有的波長不釋放能量。這猶如一個受到監視的人，不斷出現在特定的地點，但永遠也看不到他是怎么跑過來跑過去的。誰也說不清是什么原因。

　　就是在思索這個問題的時候，玻爾突然想到一個答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構造》，認為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會墜入原子核。根據這種新的理論，在兩個軌道之間運行的電子會在一個軌道消失，立即在另一軌道出現，而又不通過中間的空間。這種見解--即著名的"量子躍遷"--當然是極其奇特的，而又實在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會災難性地盤旋著飛進原子核，而且解釋了氫的令人費解的波長。電子只出現在某些軌道，因為它們只存在于某些軌道。這是個了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年--即愛因斯坦獲得該獎的第二年--的諾貝爾物理學獎。

　　與此同時，不知疲倦的盧瑟福這時候已經返回劍橋大學，接替J.J.湯姆遜擔任卡文迪許實驗室主任。他設計出了一種模型，說明原子核不會爆炸的原因。他認為，質子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消，他把這種粒子叫做中子。這個想法簡單而動人，但不容易證明。盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11個年頭尋找中子，終于在1932年獲得成功。1935年，他也獲得了諾貝爾物理學獎。正如布爾斯及其同事在他們的物理學史中指出的，較晚發現中子或許是一件很好的事，因為發展原子彈必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會被原子中心的電場排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進原子核，啟動名叫裂變的破壞過程。）他們認為，要是在20世紀20年代就能分離中子，"原子彈很可能先在歐洲研制出來，毫無疑問是被德國人"。

　　實際上，歐洲人當時忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現。他們面臨的主要問題是，電子有時候表現得很像粒子，有時候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學家逼上絕境。在此后的10年里，全歐洲的物理學家都在思索呀，亂涂呀，提出互相矛盾的假設呀。在法國，公爵世家出身的路易－維克多·德布羅意親王發現如果把電子看做是波，那么電子行為的某些反常就消失了。這一發現引起了奧地利人埃爾文·薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉，設計了一種容易理解的理論，名叫波動力學。幾乎同時，德國物理學家維爾納·海森伯提出了一種對立的理論，叫做矩陣力學。那種理論牽涉到復雜的數學，實際上幾乎沒有人搞得明白，包括海森伯本人在內（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對一位朋友說），但似乎確實解決了薛定諤的波動力學里一些無法解釋的問題。

　　結果，物理學有了兩種理論，它們基于互相沖突的前提，但得出同樣的結果。這是個令人難以置信的局面。

　　1926年，海森伯終于想出個極好的妥協辦法，提出了一種后來被稱之為量子力學的新理論。該理論的核心是"海森伯測不準原理"。它認為，電子是一種粒子，不過是一種可以用波來描述的粒子。作為建立該理論基礎的"測不準原理"認為，我們可以知道電子穿越空間所經過的路徑，我們也可以知道電子在某個特定時刻的位置，但我們無法兩者都知道。任何想要測定其中之一的努力，勢必會干擾其中之二。這不是個需要更精密的儀器的簡單問題；這是宇宙的一種不可改變的特性。

　　真正的意思是，你永遠也無法預測電子在任何特定時刻的位置。你只能認為它有可能在那里。在某種意義上，正如丹尼斯·奧弗比所說，電子只有等到被觀察到了，你才能說它確實存在。換句稍稍不同的話來說，在電子被觀察到之前，你非得認為電子"哪里都有，而又哪里都沒有"。

　　如果你覺得被這種說法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理學家們弄得稀里糊涂，這是值得安慰的。奧弗比說："有一次，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時沒有發火，這說明他沒有理解意思。"當有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說："別這么干。"

謝謝讓我分享了美味佳肴，這是一篇很好的文章！是的，我也很喜歡量子力學，但我又真弄不懂。因為它沒揭示微觀粒子電磁作用的真正原因，只揭示了一些微觀粒子的運動規律。對于微觀世界的問題，我是人云我信；但又真不懂。