20世紀的物理學

06-18

二十世紀物理學十大實驗

　　Arno Penzias 和 Robert Wilson的宇宙背景輻射(cosmic backgroundradiation)。他們探測到宇宙中始終存在著3k的背景輻射，並且因此得到諾貝爾物理獎。自此，Gamow的宇宙大爆炸(the big bang)得到證實，宇宙學掀開了篇章，然後才能有霍金那樣傳奇人物的出現。　　搞笑的是當年他們是作天線實驗時發現這個3K的"噪音」玩了命似的要把這個三K噪音作掉，調整天線，換零部件，甚至爬到天線頂端去刮鴿子糞便。後來乾脆認為是美軍的氫彈爆炸試驗惹得禍，直到牛人指出那個3k的噪音根本就是宇宙大爆炸到今天的殘餘。　　第一大實驗的直接結果導致了愛因斯坦(A. Einstein)走向神壇。當然在此以前，愛因斯坦在學界已經是赫赫有名，狹義相對論，光電效應等等都是他的經典傑作，而這次則驗證了他畢生的心血結晶——廣義相對論。其實這次實驗是一次天文測量，簡單的說就是看看光線穿過太陽的時候會有什麼變化。愛丁頓勛爵(SirEdington)帶領一干人等利用日食的機會，穿梭在熱帶雨林中，終於拍下了一張歷史意義的照片，筆直的光線穿過太陽時發生了彎曲，彎曲的角度和愛因斯坦廣義相對論的預言完全一致。愛因斯坦的解釋是光線被太陽的強大引力吸引而偏轉，就和在地面上扔出去的石子的軌跡是拋物線一樣。　　　　　　當時的紐約時報用誇張的篇幅報導了這一觀測，所有人都把愛因斯坦稱作二十世紀的牛頓，他的名聲達到頂點。然後這個牛頓第二在剩下的幾十年生命中和量子力學的創始人玻爾(Niels Bohr),海森堡（ WernerHeisenberg) 等人無止無休地爭論，最後以失敗而告終?　　世人評說美女，溢美之詞從古至今不絕於耳，其實歸根結底也無非是兩點，其一曰容貌，其二曰身材，兩者的完美結合就是傳說中的stunningbeauty. 物理學也是一門極度崇尚美感的科學，它的美也無非是兩點，其一曰簡潔，其二曰對稱。兩者一結合也是一種駭人聽聞的Beauty,典型的如電磁學中的麥克斯韋方程（Maxwellequation). 有修過電磁學的人大概都有同感，在經歷過眼花繚亂的電學和磁學的公式以後，突然出現在末尾的麥克斯韋方程簡直給人一種驚艷如斯的感覺，簡簡單單幾個樸素的聯立方程竟然把整個電磁學囊括其中。當然，很多人對這種突如其來的美感的欣賞也只是停留在很膚淺的層次，確切的說是局限在它的簡潔美。　　這其中甚至包括它的創始者Maxwell本人。如果有人能從電磁學讀本中的麥克斯韋方程中看到更深刻的東西，譬如對稱性，那麼恭喜你，你實實在在是有作物理學大師的潛力。歷史上就是有個人從方程中讀出了關於對稱性的另類東西，並且以此為突破口敲響了統治數百年之久的牛頓力學的喪鐘。那個人就是愛因斯坦，那篇突破性的文獻就是《論運動物體的電動力學》，直接宣布了狹義相對論的誕生。將美學貫徹研究生涯始終的大概也就愛因斯坦一人而已。他年輕的時候早就覺得伽利略－牛頓體系的絕對空間，絕對時間不夠漂亮，終於從麥克斯韋方程中尋得突破導出狹義相對論。後來，他又一次覺得傳統物理學對於慣性系和非慣性系的生硬分隔實在不夠美，終於又一次從引力理論入手，導出了廣義相對論。　　廣義相對論的誕生完全是一場愛因斯坦的個人秀，因為當時並無強大的實驗壓力。它可以說是愛因斯坦美學觀念的直接產物。對稱性在數學上的語言叫群論，其在二十世紀後五十年的物理學中的地位可謂如日中天。當人們沉醉在對稱所帶來的種種美感和成就的同時，孰料沒過多久就突然被重重敲打了一棒。事情起因於粒子物理早期著名的TAO,THETA之謎。TAO粒子和THETA粒子是在加速器中發現的兩個性質極其類似的粒子，他們的質量，電荷，角動量等等都是完美的一致，然而要命的是在TAO和THETA的不同衰變道中表現出的宇稱（鏡像對稱性）完全相反，因此人們還是忍痛把他們分為兩種不同的粒子。其實還可以有另一種解釋，他們根本是同一種粒子，之所以在兩個衰變中表現的宇稱不同僅僅是因為在衰變過程中宇稱並不守恆而已！！　　這種幾乎如同皇帝的新裝里那個兒童的大喊，在當時也是視為笑談。甚至如大名鼎鼎的物理學家，哥本哈根學派的中堅人物泡利( W. Pauli)也不以為然地說，我不相信上帝是一個軟弱的左撇子，我已經準備好下一筆大賭注，我敢打賭實驗將獲得對稱的結論。泡利關於物理學的打賭幾乎是個神話，幾十年來凡是他看準的東西從未錯過。這個案例可以說是常識誤導人的又一個經典。上帝似乎是個惡作劇專家，他不停地微笑著告誡人們，眾人阿，我是愛你們的，可是，你們一定要警惕阿。還是有不信邪的人，一位哥倫比亞大學的著名實驗物理學家和美國國家標準局合作，試圖檢驗在弱相互作用下的宇稱守恆問題。這個實驗在概念上是很簡明的，主要是要利用一個很強的β放射源（Co60），然後在適當控制下極化這個β放射源，使其具有某一個方向性，再放在一個利於觀測的環境中，測量這個放射源是不是有一種先天的方向性。當然，其中涉及到諸如低溫下的原子核的極化等等技術問題，這位偉大的實驗家也是一一克服。實驗的結果很明確，正如這位實驗物理學家確認後立即給那個先前提出不守恆理論的那個理論物理學家打的電話里說的一樣，「一句話，宇稱守恆已經死了！」　　紐約時報很快以頭版刊出了這個大新聞，他們用的標題是「物理的基本觀念宣稱已經由實驗而推翻」。隨後，美國物理學會在紐約大飯店舉行了一次史無前例的年會(三千多人參加），來紀念宇稱不守恆的發現。與會的一位著名物理學家感慨萬千，「經歷過相對論和量子力學的洗禮，我還以為這輩子的激情已經燃燒殆盡，不料今天我和諸位又一次站到了歷史的轉折點。。。。。。」　　　　　　　　說道這裡大家已經很清楚了，提出宇稱不守恆的理論物理學家正是李政道與楊振寧，而證實它的那位實驗物理學家正是有物理科學的第一夫人之稱的吳健雄。本人最高興的一點正是在此，一個著名的理論從提出到證實，都是中國人自己作的，這是真正值得全體華人驕傲的事情阿。而吳健雄的這個證實弱相互作用中宇稱不守恆的經典實驗也足可躋身二十世紀物理學十大實驗之列。神話中的神話　　　　　　有一天，如果一位教授了多年實驗課的老先生突然看到學生遞上來的一份實驗報告，上面的測量數據是0.001159652188(4)。他開始一定是一笑付之，肯定是哪位同學偷懶按了計算器，懶得竟然連有效數字都不改。如果他打開書本查到這個數據的理論值是0.001159652133(29)，一定會氣得暴跳如雷，偷懶尚可原諒，編造數據則真的是跡近無恥了，何況這個誤差範圍竟然在10^(-10)以內（一百億分之一），編的也太離譜了：）　　　　然而遺憾的是，他眼前的數據都是確鑿無疑的，因為他面對的這個理論是人類有史以來最精確的理論量子電動力學。　　　　　　事情還得從頭說起，量子力學和相對論的建立以後，人們一直試圖把這兩朵奇葩統一到一起。經過多番努力，這一偉業終於在大物理學家狄拉克(Dirac)手中完成。著名的Dirac方程就是相對論性的量子力學波動方程，它成功的解釋了諸如氫原子能級分裂的問題。Dirac指出，氫原子的2S(1/2)和2P（1/2)兩個能級事實上是一樣的,這個也為當時的實驗所證實。看上去一切都完美的結束了，然而上帝又一次和人類開了個玩笑。　　這個玩笑就是著名的蘭姆移位（Lamb shift）實驗。二戰結束後，實驗上的微波技術得到了極大的發展。（呵呵，這都是拜二戰時各國玩命地發展雷達所賜。仔細想想，我們能夠享受到今天的幸福生活，二戰實在是功不可沒。核能，噴氣式飛機，火箭，計算機，雷達等等，如果不是二戰地催動，少說也要推後好幾十年，然而這種科技的巨大進步竟是以上億的生命為代價，實在就，，，）。在1947年，Lamb和Retherford用射頻波譜的方法終於發現氫原子的2S（1/2)和2P(1/2)能級並不是完美的吻合，而是存在著一個能級差,這個就是著名的蘭姆移位。蘭姆本人也因為這次精彩加精密的測量而榮獲1955年諾貝爾物理學獎這個實驗給當時的人們幾乎是災難性的打擊，然而頑強的物理學家們痛定思痛，終於萌生了量子電動力學的　　　　念頭。這個號稱有史以來最精確的理論一出世就是一個怪胎，其一是它在數學上的計算繁複不堪，失去了物理學傳說中的簡潔美。連玻爾都十分的不以為然，他的口號是，我不相信上帝會把它的面貌這樣複雜地描述給我們聽。老玻爾始終還是沉浸在量子力學「簡明」的數學美感之中。其二是它採用的數學方法說白了就是類似級數一級級的展開，這個被很多崇尚解析的數學家視為極度異端，因為起碼連展開的收斂性無法保證。三，它自身也無法自圓其說，數學家的擔憂不是沒有道理，著名的紅外發散就是一個無法克服的障礙。終於有勇士完美地解決了這個問題。J.Schwinger，16歲就成為物理學家的神童，數學上的任何技術問題都可以輕易克服。他用無比繁複的形式對量子電動力學做了解說，其中引入了著名的重正化方案(Renomalization)來克服發散。 R.Feynman,另一個天才性傳奇人物，他用無比簡單的圖論方法對量子電動力學做了說明,這個就是著名的費曼圖(FeynmanDiagram).當人們試圖努力把這兩位天才的思想融和到一起的時候，另一個驚人的消息從遙遠的日本傳來，物理學家朝永振一郎(Sin-ItiroTomonaga)在完全獨立的情況下自創了第三種對量子電動力學的解讀方案，而且好像也是正確的。這次人們算是徹底昏倒，好在我們這個星球上天才從來不缺，美國人Dyson終於以神話般的技藝證實這三種說法是等價的。終於在1965年，J.Schwinger,Feynman, 和朝永三人共享當年的諾貝爾物理獎。　　　　　　量子電動力學的成功是空前的，它標誌著電子和光子被人類徹底征服。1900年就發現的著名的陰極射線——電子到此為止沒有任何秘密而言，它的一切秘密都被人類所掌控。開頭提到的數據就和電子最隱私的個人數據g因子相關。（測量的是a,a=(|g|-2)/2，要是電子MM知道自己的胸圍被物理學家測到精準到一百億分之一，會不會嚇得花容失色？：P)。實驗的精度達到百億分之一，可是所有物理學家都頑固地相信，這個誤差始終還是出在實驗那邊的。這也是人類強大自信心的表現吧。　　蘭姆移位實驗，直接促使了量子電動力學的誕生，足可進入十大物理實驗的排名：P 從牛頓力學的危機到相對論的建立——談尋找以太的實驗　　　　　　「邁克爾孫－莫雷尋找以太的實驗是物理學史上最著名的實驗之一，它曾經是讓所有人充滿希望的實驗，也是幾乎讓所有人絕望的實驗。它的徹底失敗直接導致了牛頓力學的空前危機，並終於在二十世紀初引發了人類時空觀的徹底變革......」　　　（－）　　還是從中學物理課本上引用的伽利略的那段話開始說起吧，　　 "......在勻速行駛的船中，水滴依然垂直下落，而不會偏向船尾：你向不同方向拋投物體，儘管物體飛行時船在前進，但你不會發現向船尾比向船頭容易拋得更遠......你無法根據艙內的任何現象來確定船是在正常的航行或是停在岸邊。「　　伽利略無疑是歷史上認識到在一個勻速運動的參考系和一個靜止的參考繫上作任何實驗結果都不會有差別的第一人。而大物理學家牛頓更是看到了這一觀點的深刻意義所在。他一直在思考自己的牛頓三定理究竟普適到何等程度。終於，在他的著作<<自然哲學的數學原理》一書中牛頓從哲學的高度解決了自己的困惑。他認定存在著一個絕對靜止的空間，在這個空間里時間是均勻地流逝著的。在其他所有相對這個絕對空間勻速運動的參考系裡面力學規律（他的三定律）都是適用的，正如我們大家所熟知，這種參考系叫慣性系。如果是非慣性系（相對絕對空間存在加速度的參考系）怎麼辦？牛頓也不慌不忙地引入了慣性力的概念，即在非慣性系內的受力物體另加上一個與加速度反方向的慣性力即可。於是，處在一個自由下落電梯中的我們，就可以心安理得地這樣解釋自己的失重：我們的身體除了向下受到的重力以外，還受到與電梯（非慣性系）的加速度相反方向的慣性力了。兩種力方向相反，大小相等，剛好扯平，所以我們感受不到重力是很自然的事情了。　　　　牛頓的理論是天衣無縫的，至少在他那個年代的科學家們看來如此。偉大的牛頓不僅在一團迷霧中指清了光明的所在，而且更重要的是，他給了所有人以強大的信心。生活在牛頓時代的物理學家幾乎是歷史上最單純幸福的一代。在偉人牛頓的光環籠罩之下，他們幾乎不用再擔負任何哲學上的艱澀思考而放手拓展數學在物理學上的應用，一批批數學物理大師滾滾而出，拉各朗日(J.L.Lagrange)，拉普拉斯(P.S.Laplace)，哈密頓(W.R.Hamilton)，泊松(S.B.Poisson )，直至後來登峰造極的麥克斯韋(J.Maxwell)。從古到今對物理學真正最具信心的也是這代人，從來也沒有人像他們那樣自負（或者說狂妄）過，這其中典型的如拉普拉斯。　　　　當年在法國皇帝拿破崙舉行生日慶典的宴會上，大物理學家拉普拉斯把自己的新作《天體力學》一書畢恭畢敬呈給了皇帝預覽。這位拉普拉斯大人在物理學和數學上學識相當了得，但究其人品實在平平，從雅各賓派專政到如今的拿破崙皇帝，他自己也搞不清向多少人宣誓效忠過了，其實從他熱衷獻壽禮這件事本身就可看出端倪。不料這次皇帝翻了翻他的書，卻十分不滿地問道，拉普拉斯，我翻了這許多頁，你怎麼隻字沒有提到上帝？即使是卑躬屈膝已經成了習慣的拉普拉斯，這次也終於挺直了腰桿，自豪地回答道，「陛下，我的假設中並不需要上帝。」　　　　拉普拉斯不愧是個解偏微分方程的高手，他那著名的宣揚拉普拉斯決定論的豪言壯語也帶有偏微分方程特有的味道，「如果有人能告知我整個宇宙誕生初期的條件和宇宙邊界的條件，我甚至可以計算出整個宇宙的演化歷程！」這等幾乎是瘋子的言語，在當時卻激起一大片的轟然喝彩之聲。阿基米德曾經也聲稱給他一個槓桿他能撬起整個地球，那不過是誇張地形容了一下槓桿的威力而已，阿基米德本人也未必打算親自嘗試。而這次拉普拉斯的「囂張」竟然使得人人躍躍欲試！每一個沉醉在牛頓力學輝煌勝利中的人都是同樣的想法，拉普拉斯的話原則上並非沒有道理，以後的物理學家們只需沿著偉人牛頓指引的路走下去便是，甚至根本不須出什麼才能特異之士，只要有幾代人在數學計算上的平庸積累之後，物理學就會成為一個歷史名詞了。　　　　現在想來，拉普拉斯等人的狂妄也著實太過了些。早在1889年，法國的大數學家，物理學家龐伽萊(H.Poincare)在解決看似很簡單的三體問題(三個物體在相互引力下的運動）時就發現縱然力學方程可以很快的列出，而我們始終是不可能找到完美的解析解的，而且他發現解的結果對初始條件極其敏感，任何初條件的細微變化最終會導致整個系統的混亂無序，順著這條路走下去就是從上世紀六七十年代一直紅到今天的混沌科學。這個算是給拉普拉斯決定論第一個耳光。更響亮的還在後面，那是1920年前後以玻爾為代表的哥本哈根學派創立的以幾率詮釋為根基的量子力學。至死堅持拉普拉斯決定論的愛因斯坦忍無可忍，與玻爾一派展開了一場哲學上的激烈爭論。其實即使是愛因斯坦這些決定論的忠誠捍衛者，他們頭腦中的時空觀與拉普拉斯的也完全不可同日而語。總之後來這些曲折離奇的變故，縱使第一智者牛頓泉下有知，也會驚得目瞪口呆的。　　　　牛頓力學的危機，倒並不是出現在力學的本身，而是在其旁支電磁學上。相對獨立的電磁學自誕生以來就積累了無數紛繁雜亂的公式，直到有一天碰到了它們的終結者－麥克斯韋。1864年麥克斯韋用魔術般的數學手法將整套電磁學濃縮在四個簡單的聯立方程之中，並以此預言了電磁波的存在。這不僅在物理學上是件了不起的大事，甚至有人這樣評論，兩千年後的人們回想起公元1864年，首先憶起的只怕不是曾經轟動一時的美國南北戰爭的爆發，而只是樸素簡單的麥克斯韋方程。　　麥克斯韋方程究其根本來說是凌駕於牛頓力學之上的，而當時的人們寧願相信它是牛頓力學最傑出的產物，甚至它的創始者麥克斯韋本人也堅持這樣認為。當然，人們很快發現麥克斯韋方程相當古怪，它並不滿足被牛頓視為根基所在的伽利略變換（慣性系之間的坐標變換）。這其實已經給牛頓力學亮了紅燈，但生性樂觀的人們寧願給出另一種解釋，麥克斯韋方程只在牛頓指出的絕對靜止的參考系中成立。這種解釋立時引發了人們對牛頓力學的最後也是最高潮的狂熱，尋找以太！　　正如本文開頭伽利略所指出的，絕對靜止的參考系和勻速運動的參考系是任何力學實驗也無法區分的，然而以麥克斯韋方程為根基的電磁場可以敏銳地判斷到底那個參考系是絕對靜止的。當時人們類比聲波，認為全空間充滿了一種電磁波賴以傳播的介質---以太。雖然以太本身的力學性質被賦予得詭異無比，但興奮得發了昏的人們已經顧不上那些細枝末節了，因為尋找地球本身相對以太的速度，也就是相對數百年前牛頓指出的絕對靜止空間速度的實驗已經開始了。　　　　　　　　（二）　　　　這個實驗就是1887年開始的著名的邁克爾孫－莫雷實驗，當時人們已經能夠利用光學上光程差引起的干涉條紋的移動來進行極其精細的測量。地球相對太陽的公轉速度大約是30公里/秒，那麼不管太陽相對以太的速度多少，一年之中地球相對以太的速度總有超過30公里/秒的時候，而這個速度完全可以被邁克爾孫－莫雷干涉儀所探知。這在當時被認為是人類物理學的最後一件盛事，幾乎所有的物理學家都備足了香檳酒指望得知結果後大大地狂歡一把。然而實驗的結果讓所有人都寒心不已，無論怎樣地調整角度，改變光的波長，在高山上測量，在礦井裡測量，在不同的大陸測量，在不同的季節測量，干涉儀顯示的結果始終是零。難道真的是上帝眷顧，我們可愛的地球恰好就是絕對靜止的空間所在？早就經歷了日心說，地心說之爭的物理學家們是根本不會相信茫茫宇宙中平凡的地球會如此幸運的。那問題究竟出在哪裡？很多人已經想到到邁克爾孫－莫雷實驗零結果意味著地面發出的光速始終是恆定的，它並不以地球的運動而帶來很小的偏離。當時所有人的頭腦里伽利略的速度疊加律是根深蒂固的，在一輛以速度v向前行駛的火車上朝前方打開電筒，光波的傳播速度應該是C+v （C是光速,約為30萬公里 /秒）。但既然地球明顯相對著以太（絕對靜止空間）在運動，為何光速始終不受影響？沒有合理的解釋，人們只能又在可憐的以太身上編織更加匪夷所思的特性來扯圓自己的說法。1892年物理學家洛侖茲和菲茲傑若提出了任何相對以太運動的物體都會有一定程度的長度收縮，這個收縮剛好彌補了干涉儀上的條紋移動。這等牽強的解釋不得不讓人想起了笑話中那位只有本事鋸掉箭桿的「外科」醫生。在一眼望不到邊的苦悶和絕望中頭一個警醒地認識到以太本身可能存在問題的還是龐伽萊，他在1900年就這樣寫道，「我們的以太真的存在嗎？我相信，再精確的測量也不能揭示任何比相對位移更多的東西。」當然真正解開這個死結的是人類的驕子，牛頓以後最偉大的物理學家愛因斯坦。他在1905年那篇著名的論文《論運動物體的電動力學》中明確指出「引入以太根本就是多餘的，因為我在這裡提出觀念將不需要具有特殊性質的絕對靜止的空間。」年青的愛因斯坦宣告了把時空更緊密地聯繫在一起的狹義相對論的誕生。他的理論中徹底放棄了牛頓的那個絕對靜止的空間，取而代之的是光速不變原理（光在任何參考系的速度都是恆定的）和相對性原理。洛侖茲費勁心機弄出來的那個長度收縮成了相對論的一個顯見的結論。　　　愛因斯坦不僅是人類中極其罕見的敢於突破常規，不被表面現象迷惑的天才，而且他是以美學的觀點思考物理學並取得極大成功的第一人。在愛因斯坦萬物平權這個樸素的美學觀點中，牛頓那個相比其他慣性系都顯得無比優越特殊的絕對靜止空間就顯得格外得刺眼了。同時警惕無比的愛因斯坦也注意到前文中提到的非慣性系相比慣性系也未免有了太多的特殊性，就此他萌生了廣義相對論的想法。廣義相對論的基本原理在於著名的等效原理，愛因斯坦指出，在一個相當小的時空範圍，不可能通過實驗來區分引力和慣性力的。如在一個密封艙內，觀察者發現一個物體以重力加速度g自由下落，他根本無法判斷是到底是由於地球的吸引導致物體下落還是在根本無引力的空間密封艙本身以加速度g向上運動引起的。得出的推論便是，我們這個空間，凡是有引力的地方都不是真正的慣性系，倒是在引力場中自由下落的局部空間，由於引力和慣性力兩者相消，才可被稱作局部慣性系。　　　牛頓關於絕對空間和絕對時間，慣性系和非慣性系的定義到此算是被改得面目全非。當然牛頓的那套時空觀更符合人們慣有的思路，愛因斯坦的相對論就對理解能力多少要有些挑戰了，人類的思維總是由簡單到複雜，這是不可避免的趨勢。　　　　　　　　（三）　　從牛頓力學的危機到相對論的誕生，這一段崎嶇坎坷的歷史為後來興起的科學哲學做了極好的注釋。一個科學理論的建立第一要解釋當時實驗條件下的種種現象，第二當然理論本身要自洽，不能有自相矛盾的地方，這兩點牛頓力學完美的做到了。隨著時間的推移，人們的認知手段不斷完善，會陸續發現一些理論解釋不了的地方，此時人們的第一反應並不是立刻發展新理論取而代之，而是在舊理論中加入一些假設的前提，比如此例中人們賦予以太的一些光怪陸離的性質。後來發現不能解釋的地方越來越多，人們的前提也越來越多，慢慢地有的附加前提實在太過牽強（如洛侖茲的那個奇怪的長度收縮），有的則和其它的前提相互衝突，這時候新理論的出現就迫在眉睫了，一如相對論的誕生。更需要指明的是科學的承繼性是很強的，相對論並不是徹底推翻了牛頓力學，而是擴展了它。牛頓力學只是相對論在低速情況下的近似。這一點很多業餘物理學家都沒有意識到，所以每次看到他們厚厚的論文中那些宣稱推翻相對論的醒目字眼，我就不由得感到一陣陣悲哀，他們很多人幾年，十幾年，甚至一輩子的辛苦努力其實都是白費了。　　我倒是真誠地建議業餘物理學家們不妨考慮一下在時間和空間的概念適用限度以下的東西。具體說在普郎克時間(5.4×10^(-44)秒，普郎克長度（1.6×10^(-35)米）以下，時間和空間徹底失去了意義，不能區分過去，現在和未來，也無法分辯上下，前後和左右，因果關係也不復存在。在這段範圍里，你們的各種理論沒有相對論的束縛，大可各展所長，例如可以說我們的四維時空只是N維空間的壓縮（N=5,6,7...任意)等等，只要最後記住延伸到正常時空時，理論要回到相對論即可。關鍵行文中要鄭重聲明相對論只是你的理論在某某情況下的近似，這樣的論文雖然由於作者數學功力有所不逮仍不免是一塌糊塗，但我保證即使再挑剔的專家也不敢只看一眼就斷然拒絕了。　　愛因斯坦的光子箱　　這是一個徹頭徹尾的思想實驗，也是最富戲劇性的實驗。這個實驗肇始於愛因斯坦和玻爾等人的那場關於量子力學基本原理的世紀辯論。那是一場火星碰地球的智慧大碰撞，愛因斯坦和玻爾二人宛如多年以前在川中島合戰中守望相持的上杉謙信和武田信玄：) 玻爾等人認為量子力學的一個根本原理是測不準原理，就是在微觀情況下無法同時測准粒子的位置和動量，時間和能量。譬如在顯微鏡下「看"一個電子，當你要精確釐定電子的位置，根據光學原理則必須要用更高頻率的光去照射，而光波頻率越高，能量也就越大，電子本身也會被光波的能量衝撞的搖擺不定，從而動量的不確定性也就越大了。　　　　　　1930年在第六屆索爾維（Solvay）會議上愛因斯坦則是針鋒相對地用他的光子箱向玻爾發難。光子箱的結構很簡單，一個匣子掛在彈簧稱上，一個相機快門一樣的裝置控制匣子內光子的射出。每次射出光子的時間由快門控制，彈簧稱上可以讀出整個盒子因光子出射而減少的質量，根據大名鼎鼎的愛因斯坦質能關係E=CM**2得出光子的能量，這樣原則上時間和能量不存在不能同時確定的問題。據說玻爾看到這個裝置登時口吐白沫，經過緊急搶救時的輸氧加上徹夜的苦思之後，玻爾終於搬來了救星，呵呵，那竟然是愛因斯坦本人的廣義相對論。發射出光子後，光子箱的質量減少縱然可以精確測出，然而彈簧秤收縮，引力勢能減小，根據廣義相對論的引力理論，箱子中的時鐘會走慢，歸根到底時間又是不確定了。這次輪到愛因斯坦吐血三天了，他費勁心思找來的實驗居然成了量子力學測不準關係的絕妙證明，還被玻爾等人堂而皇之的載入他們的論文之中。整個事件曲折離奇，好萊塢的編劇只怕也相形見絀，不過我一直在想的問題是,如果愛因斯坦本人晚幾年發表他的廣義相對論,一切又會如呢。。。。。。

物理學與物理學家們(6)——E=MC^2題記：　　　　如果這也算一場物理學實驗的話，它則是最大程度上影響了二十世紀全人類命運的實驗。　　　　　　　　(一) 　　　　二戰結束後不久就有人用戰爭中死亡的人數除以希特勒那本臭名昭著的《我的奮鬥》一書中的字數，便得出每個字的背後就藏著若干條人命的結論。其實真正要說殺人，古往今來也從來沒有殺得過這個簡單的E=MC^(2)的。　　　　愛因斯坦(A.Einstein)在構造出狹義相對論不久，就從中推導出了這個古里古怪的公式。當然從哲學上論起，人類也是第一次認識到質量居然和能量有如此密不可分的關係，質量再輕的物體蘊含的能量也是極度驚人的。　　　　很快即使是小學生也拿這個這個著名的公式計算諸如一顆米粒到底含有多少能量，這些能量又足以讓全國的燈光亮上多少時間之類的問題。饒舌的記者們採訪愛因斯坦時問得最多的也是這個公式，愛因斯坦微笑著反覆解釋，這個能量只是純粹是數學推理的結果，有很大的哲學意義，但是絲毫沒有實用的價值，大家盡可以把它當個數字遊戲來玩。記者們聳聳肩，和愛因斯坦一起輕鬆地笑著。　　　　此時是公元1905年，無論小學生，記者，還是偉大的愛因斯坦，他們都沒有意識到他們已經一起開始在玩人類歷史上最危險的一個遊戲。　　　　　　　　（二）　　　　哈恩(O. Hahn)現在的人們大概是不熟悉了，但這個名字註定是要載入史冊的，因為他是人類歷史上第一個跨進核門坎的人。如果非要類比的話，不妨想像一下盜取天火的普洛米休斯。　　　　哈恩是一個典型的嚴謹，執著，聰敏的德國科學家，早年學化學出身。在那段物理學的黃金歲月里，繼1895年著名的倫琴射線(X光)被發現之後，居里夫人又陸續提煉出了釙，鐳等放射性元素震動了全世界。當時核物理在整個物理學中一枝獨秀，居里夫人本人也獲得了1903年的諾貝爾物理獎和1911年諾貝爾化學獎雙份榮譽（好厲害的MM：P）。哈恩的研究興趣也開始轉向了放射化學這方面來，不過他自己還沒有來得及開始，轟轟烈烈的一次世界大戰倒先開始了。　　　　即使是從小就深受科學熏陶，凡事都要問個為什麼的哈恩，當看到「一切為了德意志母親」當時這個當時激動了每一個德國人的標語，一股愛國主義激情也不由得油然而生（好個油然而生?！）。他毫不猶豫地穿上軍裝到了西線，作為深受參謀部欣賞的化學博士，親自在戰場上監督毒氣彈的發射。每當對方陣地上一陣黃霧飄過，他就在望遠鏡里看到英法士兵痛苦地扔下步槍捂著眼睛在戰壕里輾轉翻滾。己方興奮已極的士兵一面抓住他的手腳把他高高拋到空中一面齊聲喊起了「德意志萬歲」的口號。他也和士兵們一起真誠得興奮過，然而在睡夢中這等慘狀一次又一次深深刺痛了他。到底是什麼使自己痛苦不堪，他苦苦思索後想到，也許是良心吧。　　　　戰後他發誓不再讓自己的雙手沾上血腥，埋頭核物理的研究中。在此其間，哈恩和奧地利女物理學家梅特涅一起合作了很多研究放射性的實驗。在1938年冬天一個寒冷的下午，他在實驗室里用慢中子轟擊鈾核時發現異乎尋常的狀況，鈾核像被子彈擊中的玻璃那樣裂成碎片。等他耐心地「撿」起了所有碎片之後再稱重，發現竟然比沒有打碎前的鈾核輕了少許，一瞬之間愛因斯坦的公式E=MC^(2)流星般地在腦中划過。聯想到實驗中莫名其妙地釋放出來的巨大能量，難道這個就是傳說中的核裂變？　　　　他簡直不敢相信自己的眼睛，馬上把實驗步驟和數據寄給了當時遠在瑞典避難的合作者梅特涅查實。不知道後來希特勒是不是因為沒留下這位在核物理上極其了得的猶太女人而後悔，哈恩反正是從來不理會納粹黨的警告的，一直保持著和她的聯繫。梅特涅很快回復，恭喜他觀察到了人類歷史上第一次導致質量虧損的核裂變，並認定參與裂變的鈾核就是鈾的同位素 U235。（梅特涅身為猶太MM物理學家，連犯希特勒兩大忌諱，想在德國混下去也難。）　　　　得知結果的哈恩極度興奮之餘，不免也暗暗心驚，當時戰爭的烏雲已經又一次籠罩在歐洲上空。他實在無法想像自己的發現會被人們用來幹什麼…… 　　　　（三）　　　　無論從那個角度上講，義大利人費米（E. Fermi）都是物理學中不世出的奇才，而且很有可能是最後一個在實驗物理和理論物理上都有過極大貢獻的人。這種真正全才性的人物在他之前好像也只有偉大的牛頓。　　　　核裂變發現不久後，人們就搞清楚了鏈式反應的機制，每當一個鈾核被中子敲碎，它會自動釋放出幾個中子去擊打其它鈾核，核反應就像垮倒的多米諾骨牌一樣滾滾前行，再也控制不了它的腳步，當然伴隨反應的以E=MC^(2)為計算公式的駭人聽聞的能量釋放。　　　　當然要實現鏈式反應的第一步就是要有大量的慢中子。中子源人們早就有了，不過中子減速一直是個超大難題。這個難題終於被費米在一次核物理實驗中意外的解決。　　　　當時在羅馬大學的費米買到了一些放射性元素氡，馬上高興得像孩子一樣用這門出了名的「中子炮」來轟擊各種物質，短時間內就發現了不少新的放射性元素。一天為了研究銀板被中子轟擊後的放射性，他在銀板背後放了個計數器來探測銀板的放射性強度。這個實驗本來很普通，他順利做完了以後突發奇想，在銀板和中子源之間插了塊鉛版，計數器上顯示的銀板的放射性反而增加了一些。費米微微一笑，這個是他意料中的，中子源里發出的快速中子被鉛板一擋速度不免減慢，而正如前文所述慢中子撞擊引起的放射性比快中子強得多的多，最後自然導致計數器上的數字增加。費米向來是個童心很重的人，玩了一下鉛板，又把手頭上所有能找到的東西都插在中子源和銀板之間試了一下，例如鐵片，鋁片，銅片等等。當他偶然把石蠟板插在二者之間的時候，計數器突然瘋了一樣大聲尖叫起來，他一看數據更是驚得目瞪口呆，計數器上顯示的放射性比原來強了十倍不止。　　　　整棟物理大樓的人都給這刺耳的嘯聲吸引到費米的實驗室來，大家捂著耳朵討論著這個不可思議的現象。費米一時陷入了深思，到底中子碰到了石蠟中的什麼東西竟然減速的如此厲害。突然間他想到一定是石蠟中的氫，也就是質子！他猛地拍了拍自己的腦袋，想起早年在中學物理課上計算兩個小球非彈性碰撞時就已經得出了的當兩個小球質量相等時碰撞損失的能量最大的結論，損失能量最大不正意味著最大限度地被減速嗎，要不是碰到和自己質量差不多的質子，中子哪裡能減速的那麼快！要說世界上氫最多的地方，那不就是最常見的水嗎，當然如果是中子更豐富的重水(氘核，由一個質子一個中子組成)那就更理想不過了。（兩個小球相撞後粘在一起的習題相信每一位上過高中的朋友都做過，想到利用兩個質量相等的小球碰撞能損最大的原理來給中子減速也不複雜，其實有時候物理學就真的這麼簡單，但關鍵要想的到。）　　　　找到了減速中子的關鍵所在，費米高興地幾乎要蹦起來，摩拳擦掌準備大幹一場。他讓所有其他物理學家（包括玻爾，愛因斯坦等人）在內最羨慕的倒不是他極其深厚的理論素養和對數字天賦的敏感，甚至也不是他獨步天下的實驗技能，而是他把實驗室里的東西馬上工業化的超強能力。當年在哥本哈根的時候，連玻爾，海森堡這些大師級人物都敬服地稱他為「量子工程師」。　　　　費米興奮地開始規劃在自己祖國的心臟羅馬建成人類歷史上第一個反應堆。他徹夜不眠地設計整個反應堆的工藝流程，認真考慮著可能遇到的每個技術性難題。大到整個工地的施工圖，小到某個零件的設計圖，他都親自參與。不過這個時候莫義大利的法西斯頭子墨索里尼開始收緊了套在知識分子脖子上的絞索，徹底寒了心的費米逃到大西洋彼岸的美國。　　　　從某種意義上說，輕易放走費米是墨索里尼生平犯的最嚴重的一個錯誤，甚至比他在1940年冒然向英法宣戰錯得更遠。　　　　　　　　　　　　（四）　　　　 1941年的一天，大物理學家玻爾（N. Bohr）在被法西斯德國佔領已久的丹麥首都哥本哈根的家中靜靜地看書，僕人走過來說有個德國軍人想見他。一向溫文爾雅的玻爾也不禁急得跳起來喊道，「不是和你說了嗎，我不見任何德國人，更不用說德國軍人。」誰知那個穿著軍裝的德國人已經徑直走到了玻爾的面前，玻爾放下眼鏡歪著頭看了半天，驚訝得幾乎合不上嘴巴，因為來人正是大物理學家海森堡 ( W.Heisenberg)。　　　　二人在此種尷尬的情況下會面，不由得四目相對，千言萬語一時也不知從何說起。納粹佔領哥本哈根之後，好端端的玻爾理論物理研究所就此精英四散，心直口快的泡利(W. Pauli)避禍遠走奧地利，海森堡也回去報效祖國了，猶太籍的物理學家精明點的早就打點行裝逃往英美，遲鈍點的現在都在集中營。即使巨人愛因斯坦也早就離開了他的祖國，在那裡人們不僅燒光了他寫的相對論書籍，還有人出十萬馬克買他的人頭。玻爾想想當年和海森堡他們一起共創量子力學那段美好的時光，當真恍若隔世。這些人間最智慧的一群精英，每個人都可以毫不費力地精確預測電子運行的軌道，卻沒有一個人能夠計算出自己的人生。　　　　此時的海森堡已經因為他純正的日爾曼血統和在物理學上的無上威望被希特勒任命為第三帝國鈾計劃的總負責人。玻爾也清楚不能再向以前那樣暢所欲言了。慢慢地從海森堡的隻言片語中玻爾終於了解到他正擔負著一項絕密的計劃，大概就是製造一種利用核裂變的巨大能量的炸彈。海森堡本人其實也正陷入了一場前所未有的痛苦之中，為了祖國他是一定要把原子彈造出來的，為了全人類就一定不能造出來。他這次來訪是想邀請玻爾加入他們的核計劃，但也可以理解有意把這個計劃泄漏給玻爾。　　　　海森堡走後，玻爾越想越是心驚：納粹德國工業基礎雄厚，資金充裕，海森堡，哈恩等人都是物理上一等一的人才，他們要是搞出這種威力奇大的原子武器實非難事，那人類只怕就真的要萬劫不復了。想到這裡他又不免自我安慰，海森堡未必一定會盡全力吧，但轉念再想，以自己和海森堡相交數十年之久，他的脾氣再清楚不過了，那是個標準的不達目的決不罷休的德國人阿，何況這次有可能事關全德的存亡。　　　　玻爾早就有離開丹麥的打算，此時更是打定了非走不可的主意。在英國間諜的幫忙下，他被人像貨物一樣塞入一架運輸機中。起飛前粗心的飛行員竟然忘記發給他氧氣面罩，饒是這個前丹麥國家足球隊守門員身體粗壯得非常人可比，下了飛機後仍不免去了性命半條。　　　　愛因斯坦很快收到了玻爾通報的這一情況。他早就意識到了當年的那個E=MC^(2)闖下了何等大禍。早在1939年他就向美國總統羅斯福發出那封歷史上著名的建議信，提醒他德國人可能正在研製一種威力之大亘古未見的武器，它的能量就像太陽一樣浩瀚無窮，可以毫不費力地摧毀地球上每一個城市。羅斯福看到信之後微微猶豫了一下，身邊的秘書及時點醒當年不可一世的拿破崙就是因為沒有採用蒸汽船的提案到底也沒能渡過英吉利海峽。　　　　總統點點頭在文件上籤上了自己的名字，耗資達20億美元之巨的曼哈頓工程滾滾啟動。　　　　（五）　　　　隨著守門員的一聲哨響，這場史無前例的A-B杯(A Bomb)足球賽決賽就此拉開序幕。實力超群的德國隊一邊有威名赫赫的老隊長海森堡（量子力學創始人之一，1932諾貝爾物理獎獲得者），率先向核時代攻入第一球的放射化學之王超級前鋒哈恩（1944年諾貝爾化學獎得主），鋼鐵後腰蓋革（H.Geiger，粒子探測器之父，費米那個中子減速實驗里嗚嗚叫的就是著名的蓋革計數器），中場核心博克(W. Bothe, 中子的發現者之一，1954年諾貝爾物理獎得主)，老而彌堅的金牌守門員勞厄 ( M. Laue, 發現晶體中的X射線衍射現象，後世生物學的極大發展首功應該算他, 1914年諾貝爾物理獎得主)，他們的教練是現代物理學中的教父級人物普郎克(M.Plank,1918年諾貝爾物理獎得主)。　　　　（插一句，德國人當真了得，即使按照希特勒那麼嚴格的血統標準清洗掉一半左右的德籍猶太科學家甚至如愛因斯坦，剩下的所謂「純種」日爾曼科學家也足可以對抗全世界，何況還跑了一個標準的日爾曼人大科學家玻爾。二十世紀沒有了日爾曼人和猶太人的物理學簡直不可想像。納粹德國敢以一國之力對抗全世界絕非偶然。）　　　　陣容豪華的美國隊有新人秀的第一名隊長奧本海默(R.Oppenheimer，著名的原子彈之父)，跑在左邊的是夢幻邊鋒勞倫斯 (E.O.Lawrence, 回旋加速器的發明人，1939年諾貝爾物理獎得主)，現在控制球的是新進前鋒西伯格(G.T.Seaberg, 有鈈之父之稱，對第一顆原子彈的研製成功居功至偉，1951年諾貝爾化學獎得主)，剛轉會的那是著名的中場發動機量子工程師費米（首創歷史上第一個反應堆，1938年榮獲諾貝爾物理學獎），那個搖搖晃晃心不在焉的是右路主攻手貝特（H.Bethe ，理論部的負責人，1967年諾貝爾物理獎得主），身穿綠色球衣積極跑動的是紮實的後衛馮?諾伊曼（ J. von Neumann，大數學家，計算機的發明人，原子彈研製計算工作的負責人），那個無所事事的在球架上演算數學題的正是豪華版守門員玻爾（量子力學的主創者，1922年諾貝爾物理獎得主）。替補隊員中有前途無量的小夥子費曼（R. Feynman ，1965年諾貝爾物理獎得主）。再來看一下觀眾席，觀眾氣氛十分熱烈，天哪，坐在那裡替美國隊搖旗吶喊的不就是愛因斯坦嗎（＃％×！）　　　　　　　　被稱作原子彈之父的奧本海默這等人物的成長和成功標誌著美國已經開始取代德國成為全球物理學的研究中心。奧本海默自小就以神童自負，學識淵博，興趣廣泛，尤好各國文學，有過目不忘的本領，於物理學更是天賦驚人，幾乎是一點就會，一會就通，更難得的是他風度翩翩，有一種領袖群倫的氣質，能協調好各種關係，規劃各方面進度，這一點在後來被稱為人類第一系統工程的曼哈頓計劃中顯得尤其重要。開始時即使奧本海默本人仍對困難估計不足，認為只要6名物理學家和100多名工程技術人員就足夠了。但到1945年時，他愕然發現麾下竟然有了1000多名科學家，自己擔任主任的洛斯阿拉莫斯實驗室更是有「諾貝爾獎獲得者的集中營」之稱。（這些人中有一些中國人，其中包括著名的實驗物理學家吳健雄MM。當時人們打仗打昏了頭，什麼都換算成軍事單位，邱吉爾一直抱怨斯大林什麼都聽不懂，只聽得懂對方有多少個師，美國人也習慣把錢學森當成五個陸軍師來算，那這一千多科學家抵多少個師，嗯，掰著指頭好好算一下。。。。。。）　　　　 1942年11月，在美國芝加哥大學的地下實驗室里，費米的夙願總算達成，人類第一個原子反應堆成功運轉。看著抽插自如的鈾棒靈活地控制著整個鏈式反應的進程，費米微笑了，他跑遍整個芝加哥城才買到戰時的奢侈品——一瓶香檳。在開香檳前，心情激蕩的每個人都在香檳酒的標籤上寫下自己的名字，當然也包括費米本人。　　　　原子彈原理上早就很明了，中子減速劑也已經找到，似乎唯一的問題就是提純鈾235了。這個著實讓人頭疼，因為天然鈾中每一千個鈾原子當中只有七個是鈾２３５，其餘的都是鈾２３８。鈾238吸收中子的能力大大強過兄弟鈾235。原子彈中的鈾只要稍微摻雜一點鈾238，就休想爆炸。提純鈾235的技術相當複雜，主要是利用二者質量不同採用離心分離，具體細節也是二戰結束後通過好多年的技術積累才完善。　　　　但很快美國人很快就不必因此而煩惱了，西伯格找到了替代品鈈。1942年8月，大批量的鈈在費米的那個實驗室第一次被分離出來。人類歷史上第一顆原子彈就是鈈彈。　　　　形勢是相當喜人，曼哈頓工程總負責人奧本海默在辛苦工作之餘，有時也會開車到附近的高崗上，望著新墨西哥州一望無際的沙漠，一邊品著啤酒，一邊想著另外一個半球的競爭者們不知道幹得怎麼樣了。　　　　　　　　德國的鈾計划起點很高。在那裡人類第一次在實驗室里分離出純鈾235，也第一次觀察到核裂變，即使從鈾礦石儲量來說德國也相當豐富，何況他們還控制了幾乎整個歐陸的工業。平心而論，即使納粹黨最瘋狂的時候，希特勒等納粹黨魁對科學家還是相當尊重的(猶太人當然除外)。因此海森堡對率先研製出原子彈頗具信心。　　　　自從費米發現中子減速的機制以後，擺在人們面前的減速劑有石墨和重水兩種。德國著名核物理學家布雷格教授根據自己的推算認識到石墨實在是一種最佳的減速劑，當真英雄所見略同，此時的費米正從美國杜邦公司一口氣買了十噸上等石墨。布雷格馬上要求位於拉齊步日的一家軍工廠製造出一批特殊規格高純度的石墨片，誰知道被該廠的總工藝師施密特狠狠擺了一道。施密特估計這些奇怪的石墨片有軍事用途，於是在其中摻雜。布雷格拿到這些石墨片後實驗當然是屢試屢敗，越來越懷疑自己的計算出了問題，於是徹底放棄了石墨，轉而指望重水。重水當然也是不錯，但整個歐洲只有遠在挪威的一家重水工廠。英國的特工忒也了得，一次引爆就把幾噸重水白白地流到了地下，海森堡聽到這個消息，氣得說不出話來。此時費米的反應堆已經在成功運轉了。　　　　再後來盟軍的飛機加強了對德空襲。一次空襲警報之後，海森堡撣撣頭上的塵土，走出防空洞，卻發現自己的秘密實驗室已經炸的連它媽媽都不認得了，他長長嘆了口氣，知道第三帝國的鈾計划到此徹底破產。（從此刻開始，戰爭時摧毀敵方的核設施成了第一要務，二十年前以色列空軍奇兵突出炸毀了伊拉克的核反應堆，此刻仍生死不明的薩達姆當時幾乎氣得倒仰。嗯，聯網打紅警時偶們也是這麼乾的！！！）　　　　在戰爭後期，海森堡一幫人倒也逍遙，他們躲到鄉下一個偏僻的地方，似乎已經被全世界遺忘。連糧食都成了問題，海森堡只好親自出去挖土豆，在田裡有時候抬頭望望蔚藍的天空他也在想，盟軍的飛機會不會突然丟下這種超級炸彈，如果這樣又會有多少同胞死於非難？不管怎樣，他也只能安慰自己，多少也算是儘力而為了。　　　　晚餐後哈恩，博克等人點起蠟燭在海森堡悠揚的鋼琴聲中開始討論一些理論上的問題。隨著戰線逐漸延伸到德國境內，他們也聽到了隆隆的炮聲。海森堡想起了家裡的嬌妻愛子，一刻也不能等了，冒著炮火騎著自行車回到家裡，剛抱起最小的那個兒子還沒來得及親吻，美軍的吉普車就開到了房門口。　　　　美軍士兵衝進來的時候，哈恩還在和人在黑板上寫寫畫畫，爭個不休，對此情形他先是一愣，然後用英語和美國大兵說道，「請少等一下，ok?我們的問題很快就討論完了。」當夜這些人被臨時關在附近一家農戶的馬廄里，一間隱隱散發著糞臭的馬廄竟然一口氣圈起來七個諾貝爾獎獲得者，也算是千古奇觀。　　　　即使在戰俘營里，這些生性高傲的德國人還是不服氣，在他們眼裡，實力強勁如他們都造不出原子彈固然是天意使然，那幫美國佬們估計也沒戲。在一九四五年八月的一天，他們和往常一樣安靜地吃著早餐，突然聽到廣播里報道，美國人在日本廣島投下了一顆被稱作原子彈的超級炸彈，廣島全城盡毀，他們一齊放下刀叉，面面相覷，誰也說不出話來。　　　　（六）　　　　把時鐘再往前撥一下，在公元１９４５年７月１６日５時許，在新墨西哥州一個荒僻的沙漠里，奧本海默，費米，西伯格，貝特，費曼一干人等在微風中一齊望著遠處那個尖塔頂端名叫胖子的怪東西出神。　　　　每個人都是激動的難以自抑，其實激動倒是在其次，更多隻怕是緊張。在打碎魔瓶之前，誰也不知道會鑽出怎樣的一個怪物。但是有一點大家均無異議，今天五點三十分之前的人類和五點三十分之後的人類永遠不會一樣了。　　　　一向持重的奧本海默對這個爆炸比較悲觀，認為不一定成功，軍方代表，總統特別顧問基斯塔科夫斯基大大不以為然，他始終充滿了信心，兩人就此打了十美元的賭。費米則和人打了另一個賭：理論部的貝特估算此次的爆炸當量大約兩萬噸TNT，很多人根本不信會那麼大，費米通過自己的計算支持貝特的結果，並和他們打賭，在第一時間讓他們得知爆炸的當量。坐在吉普車裡的費曼打得賭更奇怪，他和身旁的人賭自己敢不用防護鏡直接肉眼觀看人類第一次核爆，旁人當然不信，費曼通過計算認定自己是在危險範圍以外的。　　　　五點三十分正，人類第一顆原子彈「胖子「點火成功，首先是一道閃電掠過人們的眼睛，還沒等人反應過來，就出現了一個巨大的火球，一邊緩緩上升，一邊變換著自身的顏色，金色，金黃，深藍，再到紫色，整片沙漠被照得通亮無比，然後火球變成了著名的蘑菇雲，一直衝到三千多米高的空中，引起的氣流甚至攪動了高達一萬多米的同溫層。　　　　人們剛回過神，驚天動地的地震波就迎面撲來，這股震波不知掀碎新墨西哥州多少人家的玻璃，甚至遠在澳大利亞的一家研究所里的地震記錄儀也忠實地記錄了這次核爆。性情粗暴的基斯塔科夫斯基也顧不上震波，一下子從兩米高的觀測台上跳下來，朝奧本海默胸口就是一掌，急著向他討要十美元。奧本海默早就被眼前的奇觀驚得呆住，只是用梵語反覆念著古印度名詩<羅摩衍那>中的一段「漫天奇光異彩，有如聖靈逞威，只有一千個太陽，才能與其爭輝。我是死神，我是世界的毀滅者。」不怕地震波的倒也不止基斯塔科夫斯基一個，費米從壕溝中一躍而起，把早就握在手中的碎紙片向空中撒去。望著被風颳得四面散開的紙屑，費米微一沉吟，就歡喜地喊叫道，「我贏了，這次爆炸的當量在一萬八千噸和兩萬噸之間！」後來儀器測量的結果證實了費米的估算。至於堅持要用肉眼的費曼，最後還是摘下了黑色護目鏡，躲在吉普車玻璃的後面，成了用肉眼觀察核爆的第一人。旁人忙緊張地問他到底怎麼樣，費曼慢條斯理的回答道，這種千載難逢的奇觀不用肉眼看看，那才後悔終身那。　　　　人類的一個新時代，原子時代，終於到來了。

物理學與物理學家們(7)——盧瑟福ALPHA粒子散射實驗暨量子力學發展史　　　　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 nonfacit 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么。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便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，後面跟著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，這裡蘊藏著一個更本質的思想，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，每天揉著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。 --------------------------------------------------------------------------------3 　　　　尼爾斯.玻爾是一個典型的丹麥人，尤其令人難忘的是他的大鼻子。如果看到他父親和兄弟的照片，就會明白這是他們家族的標誌之一。　　　　小時候玻爾就活潑好動，他經常喜歡順著螺旋型的爬梯攀到鐘塔的最頂一層，每每會引起在塔下的教堂中祈禱的大人們的陣陣驚叫。更奇怪的是小玻爾這麼做既不是和夥伴們好勇鬥狠，也不是為了眺望遠處海港里的片片白帆，而僅僅想了解大鐘的指針到底是怎麼轉動的。　　　　很難想像一個幾歲的小孩會對密密麻麻的齒輪感興趣。但在玻爾家裡看來這絕對算不上好事，這是玻爾的父親一次下班回來發現玻爾坐在地上把家裡唯一的大掛鐘解構成一堆齒輪和發條時深刻意識到的。　　　　很快小玻爾成為家裡的義務修理師，但是經玻爾修理過的東西顯然起色不大。慢慢大家發現，與其說玻爾是想把它修好，還不如說他僅僅是想了解其中的結構而已。　　　　一次，玻爾選中了父親那輛還算新的腳踏車，不過這可是個大傢伙，一個人對付不了。玻爾發動了自己的小夥伴們，孩子們一番努力將車的飛輪卸了下來。到往上在裝的時候可就犯了難。這時玻爾發揮了自己的天賦的領導才能，他有條不紊地指揮這個扶住車子，那個緊上螺絲，大家忙了一上午總算裝拼成功，雖然第二天玻爾倒霉的父親剛騎上去不久，飛輪就在主人的驚呼聲中遠遠地飛了出去。　　　　這是玻爾第一次認識到合作的重要性，有些事情縱使是天才也不能獨自完成的，若干年後玻爾組織一批人象拆卸那輛自行車一般拆卸原子時，心中的想法也是一樣的。　　　　在玻爾讀書的時候，小夥子在物理和數學上的逼人才氣已經展現出來。他的弟弟海拉德，拆卸飛輪時的"幫凶"之一，亦是聰敏過人。在球場上，兄弟倆一個充任中衛，一個擔當門將。但是球風兇悍的海拉德的辛苦往往被漫不經心的門將玻爾所廢棄。往往當球朝球門直飛來的時候，玻爾的腦子裡還在轉著些複雜的公式。他命中注定不是來撲救這種黑白相間的足球的，而是一種叫原子的小球的。　　　　這時的玻爾在學生中的印象是遲鈍，不光踢球時如此，平時任何一件事反應最慢的就是此君。和小時相反，現在的玻爾更喜歡沉迷於哲學思辨中。除了哲學和足球之外，自小就手拙的玻爾更喜歡跑到實驗室里去。儘管實驗室的老師並不歡迎這個創造了一年內打破玻璃器皿的最高記錄的學生。　　　　一次，實驗室里傳來轟地一聲巨響，連校長室里的人都給驚動了。秘書朝外看也沒看就安慰慌亂的校長道："不要緊，肯定又是那個叫玻爾的學生給弄的。" 　　　　看來除了玻爾不足稱道的實驗技能之外，他的好奇心也委實過強了點兒。　　　　但是此時的玻爾已經立志把物理作為自己的終身職業了，年僅二十一歲的他出手不俗，在一次科學院懸賞徵求有關液體表面張力的論文中獲得金質獎章，得到當時最有名氣的物理學家瑞利的首肯。　　　　這一年當真喜事連連。他的兄弟海拉德作為丹麥隊國家隊的中場核心在英國舉辦的奧運會中大顯神威，而玻爾作為替補在賣力地揮動著手中的紅白兩色國旗。賽後，大鼻子兄弟成為丹麥球迷們議論的核心。多少年後，有人看到報紙上玻爾手捧諾貝爾獎的金質獎章的照片時，心裡還在納悶：這個大鼻子看起來怎麼就這麼眼熟呢？　　　　不久玻爾的博士論文答辯就開始了，他的題目是《金屬電子理論的研究》。他又創了一個記錄，只用一個小時就以博士的身份離開了學校。希加德教授第一個發言，也只能從文法修辭方面挑些紕漏，其他人則都是不停的讚譽。　　　　小小的答辯室擠滿了人，大家都對這個年青人和他的理論感興趣。不過更使記者感興趣的是丹麥國家隊的成員一個不少地都在那裡，球員們都坦然承認他們聽不懂玻爾兄弟的講演，但這並不妨礙幫他們助威，不管在球場上，還是在答辯室里。　　　　但是這次玻爾象在球場上無所事事的守門員一樣顯然沒有扮演重要角色。他講完匆匆拎起書包就走了，原指望看到法庭里類似的指控和辯訴的情形的人大失所望。　　　　玻爾的理論太過新穎，以至沒人能向他發問。　　　　憑心而論玻爾對自己這篇花了兩年時間準備的論文是不滿意的，裡面用了大量的經典公式推出意義不大的結果，他認識到要解決電子之類微觀的東西，原有的觀念必須捨棄。若是十年以後的玻爾看到這篇文章，他會飛快地揉作一團丟在廢紙簍里的。　　　　不過這幾年也算沒白過，至少他憑自己的才華結識了後來的玻爾夫人，當時年輕貌美的瑪格麗特小姐。　　　　　　　　經過一個暑假的休憩，玻爾來到了英國的劍橋。這裡是公認的物理學的發祥地，如果一個學物理的沒有來過這裡，彷彿穆斯林沒有到過麥加朝覲。在這座寧靜的校園裡升起過多少輝煌的明星呵。僅牛頓一人就稱得上氣蓋百世。他的耳畔想起了斯賓塞的詩句：　　　　 "劍橋，我的母親，　　　　在她那頂冠冕上，　　　　綴有多少睿智，多少冥思……" 　　　　當他漫步在三一學院時，總感到巨人牛頓的眼光在不遠處盯著自己。牛頓在這裡度過了他一生中的大部分，這裡的每寸土地都留有他的腳印，他曾經坐在這裡的草坪上和熱心的學子們討論上帝之謎，也許就是在這棵蘋果樹下悟出了萬有引力定律。最終是他使三一學院的威名遠播，而學院院長的職位成了學界榮耀的象徵。　　　　玻爾工作的單位就在卡文迪許實驗室，人們怎麼也沒想到他竟和主任盧瑟福先生成了莫逆之交。他們一個身高體壯，聲若洪鐘，一個溫文爾雅，慢聲細氣；一個來自紐西蘭的農莊，一個出身於哥本哈根大學的教授家庭；一個脾氣暴躁，一個內向遲鈍。再想找兩個脾性反差如此之大的人只怕就不易，他們怎能談的來呢？而且玻爾的實驗能力實在不敢恭維，可盧瑟福總是一副信任有加的樣子。　　　　盧瑟福的想法是卡文迪許實驗室能動手的人著實不少，但是真正具有物理頭腦，併兼備深厚的數學功底的人並不為多。玻爾這個人看似遲鈍，但他的思想磅礴大氣，渾然天成，別人是萬萬比不來的。而盧瑟福本人的理論功底算不上突出，這就更需要人在旁邊輔佐。　　　　盧瑟福的成功的實驗引起玻爾很大的興趣，他整天糾纏於線圈和導線之間。閑暇的時候則是在思考盧瑟福的原子結構。顯然，這個模型也有經典物理所不能理解的內容，電子在核內如此高速地運轉，如何能量不會耗盡呢？這個問題是致命的。　　　　此時的玻爾有幸了解到普朗克的量子假說，或許盧瑟福原子中的電子也是受量子作用支配的呢？　　　　他開始通過計算來驗證自己的想法，往往從早忙到晚。連素來精力過人的盧瑟福也不由得嘆服。但結果卻總是不如人意，搗蛋的原子是不肯輕易就範的。一切都是苦無頭緒。　　　　從此玻爾象換了個人一般。晚上人們經常可以看到一個白色的幽靈在實驗室徘徊，深夜裡還聽的見單調的皮鞋聲。白天則一動不動的坐著，臉上彷彿失去了表情，眼睛也是渾濁的，簡直是個痴呆症患者，連盧瑟福也暗暗擔心了。　　　　終於有一天，玻爾突然徑直站了起來，冷靜地說道："也許我知道了什麼。"然後麻木已久的臉上微微泛出紅潤。　　　　 "你們誰能告訴我關於原子和電子的性質，越詳細越好。"當玻爾準備走出大門的時候，突然想起來什麼回過了頭。　　　　一個同事向他介紹道，原子的化學性質呀，磁性呀，旋轉呀，光譜公式呀…… 　　　　 "等等，光譜哪有什麼公式？"玻爾突然打斷道。　　　　 "你會不知道光譜公式？"同事迷惑地望著他，但還是不厭其煩地講起來這是一個多麼漂亮的公式，如何解決了很多問題。　　　　玻爾沒等他說完，就飛奔圖書館。馬上他就查到了那篇短短的巴爾末公式。這個公式因為形式完美，幾乎所有的理論物理學家都知道，偏偏玻爾將它漏過。　　　　玻爾那雙鋒利的眼睛僅僅掃過幾行，他就聽見自己心臟的強烈跳動了，找的就是它！那時侯人們研究原子最有效的方法是觀察它的光譜。牛頓當年就讓一束日光通過三稜鏡，分成七種顏色，這實際上就是光譜。後來在19世紀，英國的沃萊斯頓和德國的夫琅和費分別發現了太陽光中總有幾條暗線，後來發現暗線達上千條之多。　　　　隨著實驗的發展，人們發現在酒精燈的火焰上撒上食鹽（氯化鈉），就會觀察到一條寬闊的黃色光譜。這實際上就是鈉元素本身的標誌。每種元素都有自己的標誌。只要該種元素存在，哪怕只有極少一點兒，也會觀察出來。而太陽光中的暗線則意味著陽光在穿越這些元素時遭到吸收。於是我們只須對照一下光譜本上的光譜，就會查到太陽上有什麼元素。有些神秘的暗線則意味著新元素的出現。然而原子發光的秘密始終沒人給出合理的解釋，現在輪到玻爾了。　　　　中學教員巴爾末是在1885年提出這個公式的，那次也屬偶然。他閑來無事，將氫原子的幾條譜線的波長的數值當一般的數字遊戲玩耍，它們是6526.79，4861.33，4340.45，4101.73等等。但是很快發現了一個驚人的規律，每一個數字都是和一個自然數相關的，比如6526.79正比於，4861.33正比於，4340.45正比於等等。　　　　這是個了不起的發現，可是誰也將它解釋不了，在一次學界聚會的最後一天晚上，兩個物理學家為明天的遠別在一家酒店幹完最後一杯。小個的中年人緊緊擁抱著大個的年青人，並送他一個筆記本作為紀念。大個的那個則終生也忘不了扉頁題的詞："什麼時候解決了巴爾末的公式之迷，我一定請你在這個酒店痛飲葡萄酒。"小個的教授名字叫索末菲，大個的年青人叫德拜。，他們都是後來對量子力學的發展作出貢獻的人。　　　　玻爾可不這樣認為，在向來充斥著小數點的物理學裡居然會出現1，2，3之類的整數，這和普朗克的量子觀點不謀而合。看來古希臘畢達哥拉斯鼓吹上帝偏愛自然數也是有其道理的。　　　　光譜公式兩個最普通的地方，泄露了上帝的秘密。減號和數字3，4，5，6 的交替。玻爾經過深思熟慮後，終於發現了真理。　　　　減號的兩端聯繫了兩個和整數相關的量。因為第一個數減去第二個數，就產生了一分頻率固定的光。而巴爾末公式里的平方的倒數使玻爾更是激動不已：電子繞原子核旋轉時的能量也是和平方成反比的呀。這樣說來，減號兩端的量都是和原子能量相關的。事情到此再清楚不過了，光所帶走的能量就是原子所失去的能量。原子發光看似神秘，說穿了卻也很平常。　　　　顯然原子的能量不是連續的，而象階梯一樣是一步步的。每個階梯對應的能量叫做能級。每一個能級對於電子這輛微型汽車來說都是一條公路，可是調皮的電子可以從一條公路跳到另一條公路，而不怕交警遞給它的罰單。當電子從高能級跳到低能級的時候，就會發出光線；當光線從原子經過的時候，就會將其中的幾根光線吸收。無論發射還是吸收，導致原子能量的變化與神秘的普朗克常數有關。從而氫原子的各條光譜是由原子躍遷的始末能級，當然這整數有關了。　　　　而且，玻爾斷言在每一個能級上原子是絕對穩定的，不會朝外輻射能量。即使輻射能量，原子也是一次就發出的，發射完原子又恢復到穩定的狀態。這樣盧瑟福關於原子結構的行星模型的穩定性也得到了解釋，真是一舉幾得。　　　　玻爾將自己的研究成果整理出來，交給盧瑟福看。不久他就收到答覆：你的理論在解釋氫原子光譜上算得上是完美卓絕，可是你又怎能把普朗克的奇怪理論和經典力學結合在一起呢？　　　　實驗物理學家接受新思想總是比作理論的人慢上一拍。盧瑟福也不例外，作為一個典型的實用主義者，他還不能理解普朗克那些無用的量子究竟會在自己的實驗室里扮演什麼角色。　　　　在他看來，一個電子就象是繞著花朵飛舞的蜜蜂一般。他提出反駁玻爾的論據是：請你說出電子從一個穩定狀態跳到另一個穩定狀態，它是怎樣決定自己的頻率呢？難道電子事先就知道自己該落在哪條軌道上？　　　　玻爾當時就是一愣，遲鈍的他不可能當場找到辯詞的。不過玻爾是個痴迷的人，立時沒想通的事情過後也要慢慢想。這時他的腦海里第一次升起"概率"這個詞，電子從高能級躍遷下來，它到任何一條軌道都是有一定幾率的，就象賭徒們扔下骰子，他也把不準自己會扔到1還是扔到6。這個觀念最終導致了量子力學的幾率解釋，從而引發了一場亘古未有的大辯論。　　　　當時玻爾還想不到這麼深遠，但他覺得一個新理論出來不可能面面俱到，只要有一點合理的地方就應該來出來讓大家討論，何況它還很完美地解釋了氫原子發光的問題呢。　　　　玻爾斟詞酌句地在論文中展出了自己的思想，經過反覆修改，終於完稿。盧瑟福看了之後，笑道，你這篇論文未免也太長了，英國人可是跟你們可是不同呢，他們總是以簡潔為美，而你們日爾曼更喜歡長篇大論。　　　　可是在玻爾看來，從這篇每個單詞都是心血的論文中刪掉一些東西，還不如挖掉自己的肉呢。不過，玻爾也有辦法，他將自己題為《論原子和分子結構》的論文分成三部分發表在《哲學雜誌》上。　　　　於是，玻爾著名的"三步曲"誕生了。　　　　在這篇具有劃時代意義的文章中，玻爾將普朗克的量子理論引入到盧瑟福的原子模型中去，並且提出能量的發射和吸收並不象以前人們認為的那樣是連續的，而僅僅是原子從一種穩定狀態過度到另一種穩定狀態時才具有的。原子處於通常的狀態時，無論電子怎麼轉都是穩定的。　　　　學界從玻爾造成的軒然大波中清醒後的第一件事就是讓玻爾提供實驗證據。這對玻爾來說是傻眼了，但絕難不倒盧瑟福。他給他的老友伊萬斯去信讓他去測量氦氣的光譜。　　　　玻爾的論文中預言了皮克林和福勒發現的幾條光譜線不是屬於氫，而是屬於氦的。當伊萬斯這位實驗老手將純凈的氦氣充滿玻璃試管並測量後，驗證了玻爾的結論。　　　　福勒本人不同意玻爾的結論，他這些即使是氦的光譜它們的波長也和玻爾計算的有偏差。玻爾則認定福勒所測到的只不過是被剝奪了一個電子的氦原子的光譜；經過修正玻爾把他這種偏離了的光譜也計算出來，和福勒的數據完全吻合。自此玻爾的大名和他的理論遠播歐陸。　　　　當在維也納的愛因斯坦知道這個消息時，也是大吃一驚。他當即認為這是人類少有的重大發現之一，但是在一次聚會上，愛因斯坦終於支支吾吾地說了句坦白話：" 　　　　我想，可能在某一天，我也產生過類似的想法，可我沒有勇氣公佈於眾……" 　　　　千萬不要用世俗的眼光去看愛因斯坦，認為他的這個馬後炮不過是在挽回自己的面子。愛因斯坦一貫是個嚴肅而認真的人，何況他當時正在從事高難度的引力理論，這一點也不損害他的形象。　　　　如果把物理學家比作與上帝弈棋的人，愛因斯坦則是思路深遠的高手，他深知這一步下去會導致怎樣的結果。這最終將會使得概率觀點在人們對自然界的解釋中與站上風，但這與他終身信仰的決定論思想是尖銳矛盾的。　　　　若干年後，他孤身一人面對眾多信奉量子力學的人半開玩笑半認真地說道："我不相信上帝會擲骰子。" 　　　　愛因斯坦和學界的分歧就起源於此時，但當時愛因斯坦是想不到那麼多的。他以無比的興奮讚揚道：　　　　 "這些不牢靠而且互相矛盾著的基本原則，卻足以能使具有玻爾那樣獨特直覺和理解力的人發現光譜線和原子電子殼層的一些重要定理，無論怎麼看來都是一場奇蹟。僅此一項，玻爾便可名垂千史。" 4 　　　　玻爾象個在田間勞作了一年的老農，現在他要收穫他的果實了　　　　他首先把目光集中到了元素周期表。　　　　元素周期表是上個世紀七十年代由俄國的門捷列夫提出來的。當時無論在什麼人看來這都是人類的一次巨大勝利。門捷列夫根據周期表預言了幾種新元素，類鋁（鎵），類硼（鈧），類硅（鍺）最後一一得到證實，從而元素周期表的名字傳便全球。　　　　玻爾根據自己的三步曲提出原子核外有電子在繞它轉動，最簡單的氫原子外層只有一個電子，然後隨著原子序數而逐漸增加，並形成周期律。當時最多的是核外面有92個電子。它們在玻爾計算的軌道上一層層壘起來，象兒童們搭的積木一樣。既然從沒有人象玻爾那樣對元素周期律的本質了解地如此深入，那麼玻爾也該對元素周期律說些什麼了。　　　　這時卡文迪許實驗室里精幹的小夥子莫塞萊幫了玻爾的忙。他原來一直再和理查?達爾文（著名的生物學家達爾文的孫子）聯手在曼徹斯特研究X射線，當他一了解玻爾的理論，就找到玻爾要求合作。　　　　當時，大部分人認為玻爾的理論不過是一堆數學遊戲而已，而莫塞萊決心在X射線上為玻爾找到證據。他的想法是：X射線是從原子內部的電子產生的，那麼我只要測得一系列元素的X射線譜，那麼不就可以驗證玻爾的結論了？　　　　在實驗室里人們向來公認莫塞萊的活力是不下主任盧瑟福的。從下午3點到晚上3點，他都泡在了實驗室。很快他找到了需要的東西，一個長一碼，直徑一英尺的玻璃圓桶，在圓桶中心放上了一節玩具火車和軌道，在X射線的照射下，將盛著樣品小車拉來拉去。　　　　底片的結果是驚人的，它們呈現出周期性的變化，玻爾勝利了。　　　　在論文中莫塞萊指出他的這種方法還可用來發現一些"失蹤"的元素，並預言這些元素光譜的性質。以電量為一個單位，在一號元素氫和九十二號元素鈾之間，只有第四十二，第四十三，第七十二和第七十五號元素沒有發現。沒有幾年莫塞萊預言的元素均被找到。　　　　自此莫塞萊成功地解釋了周期律，這是當時與盧瑟福發現原子核，玻爾解釋氫原子發光並稱的物理學三大發現。而這三大發現本身又是密不可分的。　　　　但是，第一次世界大戰的陰雲開始籠罩了歐洲。卡文迪許實驗室的小夥子們都走了，波林去了兵工廠，弗勞倫斯和安德拉德當了炮兵，就連聞名學界的莫塞萊也穿上了威武的軍裝。　　　　不過莫塞萊是真心實意地為國家背上步槍的。他本來作為傑出的學者，有權拒絕兵役的。但他作為英格蘭人，國家開仗而自己龜縮在後方實在是恥辱。他脫下白大褂，戴上鋼盔，在一個陽光明媚的早上離開了實驗室。在離開之前，他把心愛的儀器---X光機擦了又擦，並一再叮囑手拙的玻爾千萬不要弄壞了。　　　　盧瑟福有力地握住了莫塞萊的手，並用他那特有的堅定的眼神向他預祝好運。而一向沉默的玻爾也絮絮叨叨地要他注意安全。　　　　莫塞萊是天生的樂天派，他聳了聳身上的肌肉讓憂心忡忡的人們放心。當他走出院子時，還傳來他那高亢的聲音："再見了，朋友們，我還要回來的！" 　　　　盧瑟福和玻爾以為他們的實驗室辦不下去了，適齡的年青人都在戰場上，而無論是官方還是私人對實驗室投資的興趣都不大了。最重要的是贏得戰爭，哪還顧得上原子究竟是什麼樣子呢？第二天玻爾心情惆悵地走到報告廳門口，往常這裡應該擠滿了人來聽這位原子大師的講座。今天也許只有我一個人了吧，玻爾邊想邊走了進去。　　　　大出玻爾意外的是，大廳里仍然坐滿了人！所有人的目光中充滿了激情。看來即使在最戰亂的時候，也不能阻止人們對科學的嚮往。　　　　　　　　玻爾和盧瑟福分外忙碌，很多人走了，剩下的活只能自己干。戰爭年月訊息也被中斷了，他們不知道同盟國那邊的同行們的研究進展到何種地步，更不知道實驗室里那群生龍活虎的小夥子們現在是死是活。他們在一起除了討論物理問題，就是詛咒什麼時候這該死的戰爭究竟會結束。　　　　一天下午，玻爾順手接過了看門人遞給他的報紙，上面的頭版是"海軍大臣丘吉爾的疏忽導致加里波第半島的冒險慘遭失敗。"他也沒有認真讀，就塞在紙簍里。當時報上的此類消息實在太多了。　　　　但是緊接而來的消息讓玻爾和盧瑟福都大吃一驚，他們知心的同事，幾個月前還活蹦亂挑的棒小伙，學界難得的人才莫塞萊在那場戰役中犧牲了。　　　　莫塞萊死了！！　　　　玻爾難過地彎下腰來直捶自己的腦袋，後悔當初該勸住他不要上戰場的。而素來洒脫過人的盧瑟福的眼睛也閃出了晶瑩的淚花。　　　　玻爾怎麼也難想像那顆無知的子彈是怎樣擊中了莫塞萊的心臟，而莫塞萊又是怎樣倒在泥濘的戰壕里痛苦地掙扎。當人類僅因擊斃一個士兵而多了一枚愛國勳章時，金燦燦的諾貝爾物理獎獎章卻註定不能落在這位極有才氣的年青人身上，那年他才僅僅二十七歲。　　　　天昏地暗的一次大戰總算結束了，戰場上倖存的小夥子們紛紛回到實驗室，然而玻爾要離開實驗室和陪他度過生命中的黃金歲月並一起經歷過戰爭煎熬的同事們了。他要回到自己的祖國另外開創一番事業。　　　　盧瑟福一直送他到碼頭，一路上向來健談的他沉默不語，倒是玻爾不停地找到話題。　　　　海闊天藍，遠處的游弋的漁船還沒來得及拆下炮架，朝陽下的彩霞似乎仍被硝煙所彌染。　　　　玻爾登上船頭時仍不停地向盧瑟福揮著手，他和盧瑟福心裡都明白，如果玻爾不走，盧瑟福退休後一定會把當時這座世界上最好的實驗室的主任讓給他的，這是讓任何物理學家夢寐以求的職位，然而玻爾深知自己在實驗上並無天賦，他決心回到哥本哈根去建立一個專門從事理論工作的研究所。　　　　　　　　 1920年9月15日，正是丹麥雲霧瀰漫的秋季，哥本哈根大學的理論物理研究所正式掛上了招牌。選在這樣的日子裡，可能預示著這個研究所的一群年青人最終會為人類在迷霧中探出一條路來的。　　　　玻爾是以怎樣高興的心情迎接來賓的呀，開幕式上坐滿了物理學界的精英。玻爾用他那低沉的嗓音打動著聽眾：　　　　 "我們知道，在科學的發展史上，一個人通常是不能確保自己是有所建樹的。很可能出現一些障礙，只有新的觀點才能克服它們。因此，特別重要的是不能只依靠個別科學家的天才。　　　　在這裡我們將持續產生具備科學方法並能出成果的年青科學家，這一任務要通過我們激烈的討論來進行。在年青人作出貢獻的同時，新的血液和新的觀點也會問世。" 　　　　大家熱烈地鼓起掌來。　　　　更令玻爾激動的是見到了久別的良師益友盧瑟福教授。這位教授和玻爾一家剛見面就把玻爾四歲的大兒子克里斯蒂安一把抱起來，　　　　嚇得小傢伙伏在那個紐西蘭人寬闊的肩膀上哭了。　　　　玻爾熱情地帶著客人們參觀這座新建築。走上幾步台階，穿過一扇雙層大門，就來到了前廳和報告廳。報告廳里排滿了階梯式座位，前排是一面大得驚人的黑板，很多重要的公式將在這裡討論。　　　　圖書館在二樓，從窗戶里可以看見公園裡恬靜的老人坐在長椅上，而孩子們在草地上盡情嬉戲。　　　　最上一層是餐廳，咖啡，乳酪和丹麥三明治是常年供應的。後來證明，在這裡喝咖啡聊天所誕生的新思想比正式的討論班上還要多。　　　　其餘的房間是實驗室和辦公室，但是既然掛的是理論研究的招牌，所謂實驗室就形同虛設了，它經常成了閑暇時工作人員打乒乓球的去處。　　　　當1921年1月18日，研究所正式開張後，玻爾把自己的書籍和文稿都搬僅辦公室來了。他坐在辦公桌前，掏出鋼筆吸飽了墨水，在信紙上寫下第一封信--當然是給盧瑟福。這個研究所很快就要成為自古希臘的柏拉圖學院以來最負盛名得研究中心了。　　　　　　　　 1922年11月里的一天下午，伏在辦公桌上奮筆急書的玻爾突然接到了從瑞典斯德哥爾摩來的電話。電話里委婉地說道，玻爾教授最近是否有空到斯德哥爾摩來一趟？玻爾睜大了眼睛，這隻能意味著一件事--今年的諾貝爾物理獎的桂冠將落到自己頭上，怎麼不令人興奮呢？他馬上回家把這個喜訊告訴自己的妻子。　　　　結果一貫遲鈍的玻爾又慢了一拍，幾乎哥本哈根全城的人都比他知道得早，走在路上即使連街頭賣冰淇淋的老頭都向他打招呼表示祝賀，而他美麗的妻子不僅早就精心準備了佳肴，而且特地把家裡珍藏的香檳酒拿了出來，一進門孩子們紛紛獻上帶巧克力味的吻。玻爾和家人們歡聚了一夜。　　　　全丹麥的人都被驚動了，人們沒有想到這個向來只出產小麥和牛肉的小國會出現一個大科學家。玻爾一回到實驗室就被同事們拋的彩帶罩了一滿頭，有人捧來了蛋糕，有人奏起了小夜曲。　　　　世界各地的電報象雪片一般飛來，但是玻爾最先接到的自然是來自英國卡文迪許實驗室里的那一封。盧瑟福在電報中祝賀道：我們這裡的每一個人都衷心祝賀你榮膺諾貝爾獎，而且大家都知道，這只不過是個時間問題。這是對你傑出工作的最高確認，最後祝你在斯德哥爾摩愉快。" 　　　　文如其人，盧瑟福還是那樣快言快語。玻爾手捧著電報深深地激動了，他回想起在實驗室里12年來的日日夜夜，那些親如兄弟的戰友們，還有這位亦師亦友的紐西蘭大漢。　　　　　　　　 12月10日是諾貝爾的誕辰，也是諾貝爾獎頒發的時候。斯德哥爾摩的大街上積雪很深，斜斜的陽光下，印有黃十字的瑞典國旗在微風中飄蕩，這說明今天是多麼重要的一天。　　　　玻爾和當年的化學獎得主阿斯頓，文學獎得主西班牙作家貝拿凡塔一起坐在了領獎台上。　　　　 "尼爾斯.玻爾！"當這個名字回蕩在大廳中時，玻爾站起來向觀眾鞠躬致意。大會主席鄭重地宣布："鑒於他在原子結構和原子放射性的研究工作作出了突出的貢獻而授予他諾貝爾獎金。" 　　　　然後按照大會的常式，玻爾要發表演講。　　　　他簡要回顧了人類在最近二十年對原子結構的研究成果和自己提出的新猜想。　　　　然後他宣布了一條激動人心的消息：元素周期表上第七十二號元素已經找到了，按照玻爾的理論這個失蹤了的元素應該和第二十二號元素鈦，第四十號元素鋯的性質應該相近，而不是和它臨近的稀土族的元素性質相似。　　　　這是研究所里的好友海烏希送給玻爾最好的禮物。他和另一個名叫考斯特的荷蘭人合作，用X射線分析了各種礦石，終於把這個神秘的元素找了出來。海烏希在玻爾受獎的前一天晚上打電話告訴他這一喜訊，電話那端的玻爾沉默了一會，問這種新元素給起了什麼名字，海烏希說就叫鉿吧，這是取自哥本哈根的舊名哈弗尼亞的頭一個音節。　　　　講到這裡，玻爾的聲音有些哽咽，他想起了莫塞萊，那個最早預言鉿的小夥子，要是他今天在這裡會是多麼興奮呀！　　　　最後玻爾象預言家一般加上了告誡性的話，目前我們的理論還剛剛開始，還遠談不上完備，前進的道路還是曲折的，也許我們的思想還要進行進一步的更新。　　　　　　　　玻爾回到哥本哈根不久，就碰到了件尷尬事。當研究所的同事們還在高聲歡呼鉿的誕生時，一位頭髮花白的愛爾蘭老化學家就提著試管找到了玻爾，他聲稱早在1913年就找到了這個神秘的七十二號元素，並且他早就為它取好了名字，叫做"鋸"，以紀念愛爾蘭的古老部落倨爾特人。　　　　研究所里的人有的吃驚，有的憤怒，這不把玻爾多年的心血否認了嗎？而玻爾本人在屋裡轉來轉去。玻爾是個老實人，不知道怎麼說服這個倔強的老頭兒而又不傷他的自尊心。不過最終玻爾還是鼓起勇氣告訴他：他的樣品是經不起X光機下的檢驗的。可憐的老頭兒還處在上個世紀用酒精燈和試管來研究物質的時代，他可從沒見過如此設備龐雜的X光機，他徒勞地爭辯了幾句，最終還是悻悻地走了。　　　　這只不過是研究所的小插曲而已，事實上當時很多物理學家，不管是激進派還是保守派，都不是對玻爾的半經典半量子的理論很滿意的。　　　　盧瑟福就曾經這樣跟玻爾笑著說，我說尼爾斯，你乾脆向物理學家們建議每星期一、三、五都採用經典的規律，每逢二、四、六就採用新的量子學得了。　　　　在1913年因果英國的一次物理學例會上，人們紛紛請德高望重的經典物理學家萊列勛爵發表一下對當前物理學的看法。　　　　老萊列首先說，自己作為一個超過60歲的老人，就不應該對物理學的新思想指手劃腳，大家都被老人的坦誠所感動。但是很快萊列就加上了這樣的話："但我還是很難相信，玻爾他們的想法就能反映自然界正確的一面。" 　　　　不光是年紀大的人，德國年輕有為的實驗物理學家奧托?斯特恩比玻爾還小三歲，就曾當眾說道："要是他們（指玻爾）的胡說八道都是真的，那我只好轉行了！" 　　　　威望向來孚眾的英國皇家學會會長湯姆遜根本不相信玻爾的理論，他認為玻爾任意規定的量子化條件只不過在掩蓋無知。　　　　革命的一派則怎麼也找不到更新的想法。　　　　解鈴還需系玲人，玻爾自己引出的麻煩還得自己來解決，1922的玻爾雖然身獲諾貝爾獎已算功成名就，但他當時發展的那套叫做舊量子論，這離量子力學的真正建立還有很長的一段路要走…… 5 　　　　打破這個僵局先是一個誰也沒有想到的人。　　　　德布羅意踏入物理這行不過幾年，但是他身份特殊，他是法蘭西波旁王朝的王族中人九百年來唯一走入物理學領域的人，雖然他這一支家族曾為法蘭西貢獻了一個總理，兩個議長，兩個上將。德布羅意當時的稱謂是親王。這位親王決心用實際行動證明，這個皇室的後人也會象泥瓦匠的後裔高斯，農場主的兒子盧瑟福一樣成為科學上的巨人的。　　　　事實證明他不僅是皇室中的王子，而且在當時的物理學界也確實扮演了王子的角色。　　　　在轟轟烈烈的一戰中，德布羅意也走上了戰場。不過他的職位還算安全，不過是個測繪員。但是戰場上枯寂的日子也是很難打發的，他可不願和無聊的士兵們整天甩紙牌。　　　　他雖然取得過文學碩士學位，但在這段時間對物理學發生了濃厚的興趣，尤其是風行一時的量子理論鑽研甚深。不過他總隱隱覺到這套理論有缺憾，具體在什麼地方一時也難明了。　　　　一天晚上，他坐在土崗上一邊思考一邊望著夜空，突然一顆流星划過了天際，他的靈感馬上被激發出來：　　　　我們費了那麼多勁來證實了光既是粒子也是一種波，幹嗎不把這進一步推廣出去呢？比如說新發現的電子，我們以前總是把它當成點粒子，難道不能用波動觀點去看待它？事實上，不光是電子，世界上萬事萬物都具有和光一樣的性質：波粒二象性。　　　　我們眼中的所有事物都是在象水波一樣地振動著的，還有比這更奇怪的么？　　　　戰爭結束後的1924年，德布羅意把他的想法整理在博士論文《量子理論的研究》中。　　　　古老的索爾蓬納大學的答辯會上，人們交頭接耳，都在議論這個這個文學碩士如何應對評委們尖銳的反詰的。　　　　德布羅意在黑板上寫下他那著名的公式：　　　　　　　　這是用來說明電子的波長的，p就是物體的動量（質量和速度的乘積），h則是微觀世界的鑰匙--普朗克常數，λ則是波長。如此簡明的公式蘊涵的意義是深遠的，所以儘管他的論文沒有得到實驗的支持，而且還引起評審委員會的人一陣騷動，但是還是主持答辯的著名物理學家郎之萬鼎力堅持下通過。　　　　郎之萬的評語是：　　　　 "這個博士生的想法近似荒誕，但是其中物理思想展現的很是完美動人。" 　　　　這個和愛因斯坦一樣深信自然的和諧與美的教授心裡儘管一百個贊成德布羅意的見解，但嘴上還是要跟評委們敷衍過去的。　　　　當幾天後他把這個博士生的思想轉述給好優愛因斯坦聽時，巨人罕見地沉默了好久，他送別郎之萬時意味深長地說了一句："至此，一場偉大戲劇的帷幕被人掀開了一角。" 　　　　無論如何，德布羅意的這篇論文是人類歷史上物理學上最出色的博士論文，1929年他憑此獲得諾貝爾獎，這也開創了博士論文得諾貝爾獎的先例。　　　　　　　　很快德布羅意的思想得到愛因斯坦的欣賞的消息傳了出去，人們還是崇拜偉人的，所以都認真地將他的文章讀了幾遍。這篇論文觀點倒是很有轟動性，很多人都覺得自己都曾產生過類似的想法，只不過從來沒有人象德布羅意那樣如此清晰地表明而已。　　　　可是物理學究竟是一門實驗的科學，不能僅沉溺在思想的深刻和數學的美妙上。　　　　德布羅意提出了驗證的辦法，這跟當年康普頓證明光是粒子反過來，我們證明一下電子也有波動的性質就完了。最簡單的是波動有衍射現象，即當電子準直地通過小孔時，並不是簡單地在屏後打出一個亮點，而是和光一樣出現環行的衍射光斑。　　　　正如幾年前如果搞X光最拿手的是莫塞萊的話，那麼現在公認的搞電子的實驗大師是亞歷山大?多維葉。德布羅意毫不猶豫地找到了他，向他講述了自己的計劃。不料多維葉撇撇嘴，對此不屑一顧，他當時正在忙著顯象管上的電子掃描的工作。在他看來，德布羅意簡直痴人說夢。　　　　結果雖然多維葉在電視的誕生上作出了貢獻，但他顯然失去了一次得到諾貝爾獎的機會。　　　　而另一個倒霉的先生戴維遜早在幾年前他在把電子入射到鎳晶片時，就發現那些奇怪的光斑，不過他是怎麼也不能解釋的。還是愛因斯坦說的好："只有理論才能決定我們可以觀察到什麼。"這句話聽起來似乎荒唐，但它處處得到了證實。　　　　上帝把這個榮譽交給了電子的發現者湯姆遜的兒子，G.P.湯姆遜。這個小湯姆遜成功地觀察到電子衍射的圖案，並於1937年獲得諾貝爾獎。　　　　　　　　實驗證實還是幾年以後的事，但先在理論學界引起的風波稱得上是波瀾壯闊。　　　　首先是在瑞士的蘇黎世，在一次物理學的常規會議上，大家輪流作著報告，最後會議主持人是德拜，就是當年那個曾經發誓也要解決巴爾末公式之謎的人。如果和索末菲分手後他們再約定每當物理學有重大突破時就在那家餐廳里痛飲葡萄酒的話，那麼他和索末菲要麼就要淪為十足的酒鬼，要麼兩個人都要破產。因為這些年物理學的進展實在是只能用天翻地覆來形容的。　　　　他把目光盯在了最後一排的教授薛定諤身上，"教授，聽說德布羅意的物質波的思想被廣泛討論，您是否能簡單作個報告？" 　　　　薛定諤站起來就侃侃而談，他一直對這些方面很是關注。　　　　然後德拜就提出自己的意見，"教授您談了這麼多波動觀點，可是您怎麼不提出來一個波動方程呢，這在經典物理里是屢見不鮮的呀。" 　　　　兩個禮拜後，薛定諤再次站到講台上，他二話沒說先在黑板上寫下一行公式：　　　　　　　　然後轉過身來平靜地說道："先生們，我找到了一個方程。" 　　　　這個方程在量子力學中的地位不亞於經典力學中的牛頓定律，它就是著名的薛定諤方程。　　　　量子力學的正式誕生的第一天的面目就顯得甚是詭異，人們尚不能明了它的規律，就提出了它的方程。彷彿沒有見到人本身，就知道了他的長相。這也說明量子力學的建立並不需要深厚的數學功底，但對沒有第一流物理思想的人來說是不可企及的。　　　　薛定諤發展這個方程看似偶然，卻也是煞費苦心。剛開始他總想把時髦的相對論引入到方程中去，但是算得的結果總是面目全非。後來他乾脆先放棄相對論，開門見山地將經典物理的方程直接轉換過來。他原本就是研究波動的大行家，什麼縱波，橫波，光波，電磁波統通不在話下，很快他就模仿著寫出了自己的方程。　　　　這個方程無疑取得了巨大的成功，很多人通過計算解釋了以前不能解釋的量子現象，甚至包括原子的發光問題。大家在數學上是不存在問題的，經典力學積攢了大量完美的公式可用。　　　　不過所有人都困惑的是，方程中的ψ究竟是什麼東西。連薛定諤自己也搞不明白，注意，這不是一時不明白，而是一世不明白，至少他的理解始終沒有得到物理學界主流的認同。　　　　有人寫過一首四行詩打趣道：" 　　　　薛定諤的普賽（指ψ），　　　　用處大的不得了，　　　　只有一事尚不明，　　　　普賽究竟為何物。" 　　　　　　　　更令人吃驚的是一個年青的日爾曼人在此同時也提出了自己的量子力學。上帝是個蹩足的導演，他要麼就不讓量子力學出台，要麼就一出來就是兩個。　　　　這時冒出來的明星，是後來被稱為"量子力學總司令"的海森堡。當海森堡十九歲那年第一次聽玻爾的學術報告就尖銳地指出幾處錯誤時，玻爾就注意到了他。　　　　海森堡出身德國一個知識分子的家庭，他的父親是慕尼黑大學的古代語言和拜占庭歷史學的教授。　　　　他自小聰穎過人，老師給他的評語是："他既能抓住事物的本質，又不放過問題的細節。"上中學時由於他認為一些基礎課程過分簡單，而轉學高等數學和物理。甚至16歲的他還幫助一個要考博士的化學系女生複習高等數學，完後用他自己的話說，不知道她懂了沒有，反正自己是徹底掌握了高等數學。　　　　他最喜歡是數學，尤其是數論。中學時就嘗試證明過費馬大定理和哥赫巴德猜想。這兩者都是流傳百年的數學難題，後者在八十年代的中國因為陳景潤的神話在民間被簡單演繹成了證明一加一如何等於二。　　　　他的鋼琴演奏地非常出色，和愛因斯坦的小提琴被認為是物理學界的一時瑜亮。　　　　 1920年，他考入慕尼黑大學，本來他是渴望求師著名的數學教授林德曼的。但是當教授不經意問起海森堡最近在看什麼書時，海森堡回答是在看一本名叫《時間，空間，物質》的書。這位教授顯然是這類玄奧的哲學是深惡痛絕的，當即警告他說："如果看這樣的書，那你在數學方面註定是沒有前途的！"海森堡悻悻地退了出來，至此他決定全心投向理論物理。　　　　這時他遇上了量子論的一個領袖人物，那個多年前和德拜打賭的那個索末菲。他是玻爾理論的大力支持者之一，玻爾的原子軌道和能級的理論經他深化後，成為更基本的索末菲量子化條件。這個工作如此乾脆漂亮，連玻爾本人亦是擊節讚歎。　　　　索末菲的眼光很是了得，他一下子就從幾界學生中找出海森堡和另一個叫泡利的新生參加他的理論物理討論班。　　　　這個泡利是後來量子力學中必不可少的人物。他被學界公認是"上帝之鞭"，因為他對物理中的各種理論幾乎有種天賦的準確判斷的能力。任何人把新理論拿到泡利面前都是簌簌發抖的，他只瞄幾眼就能找到致命的錯誤，幾個月，幾年，甚至幾十年的辛勞幾分鐘內就可能化為烏有。而且你的爭辯幾乎是無效的，很多學界名流都會寧願相信泡利這種屢驗不爽的"超能力"，而不願相信幾十個高手的聯名擔保或者複雜然而精細的公式推導。　　　　這兩個人立刻形影不離，並將這種友誼持續了終生。他們看起來是多麼的不同呀：身材纖細的海森堡總是瀟洒地穿著風衣，而肥胖的泡利總是晃動著他的碩大的腦袋。海森堡更喜歡足蹬球鞋到處旅行，泡利則愛好在昏暗的劇院里品著咖啡看歌劇。但是他們在探討學術問題時都是分外的認真，不過經常是海森堡費勁心機提出的理論被泡利談笑間否決了。　　　　一次，他們兩個人一起上測量弦振動頻率的實驗課。可是他們一邊合作著實驗，嘴裡還在不停地爭論理論問題。泡利原指望象往常一般幾句尖銳的話語就將海森堡壓得啞口無言，但這次海森堡不肯服輸，他們乾脆停下實驗好好辯論，結果到快下課時才發現實驗沒有完成。　　　　海森堡使個眼色，在兩端固定緊的弦上輕輕彈了一下，泡利馬上湊過耳朵聽了一下就寫下數據，而他們的"數據"居然矇混過了關。其實，老師也在納悶，平時這對笨手笨腳的活寶這次的結果怎麼會和標準答案一樣呢？　　　　和大多傑出的理論物理學家一樣，他們兩個的實驗水平都很遜色。最古怪的還是泡利，他的毛病是所有的儀器在他手裡一碰就壞，越是先進的越是如此，這幾乎和他永遠正確的批判本領一樣百驗百中。　　　　所以即使他成名以後，還是成為各大宼/span> 6 　　　　看來形勢是一片大好。　　　　但我們仍聽到這樣的話：　　　　 "量子力學很象這樣的一種勝利：它讓你先是笑上兩個月，然後再哭上一年。" 　　　　另一個人哀嘆道："如果真存在所謂的幾率解釋，我就絕對不能原諒自己搞過量子理論！" 　　　　第三個人在回憶錄中承認："這只是剛開始，我們逐漸進入非常痛苦的境地，神經都要崩潰了。" 　　　　第四個人（乾脆說明這是愛因斯坦，用第一，第二這樣的代稱未免太不恭敬）搖頭道："我簡直象一隻鴕鳥，為了不看到量子那醜惡的面孔，寧願把頭扎入沙堆中。" 　　　　說這些話的人都不是藉藉無名之輩，而當時公認的先鋒。說量子力學最終帶來痛苦的是玻爾的首席助手克拉姆斯，哀嘆的人就是薛定諤本人，承認緊張的人則是海森堡。　　　　這時量子力學的第一前沿轉移到玻爾的研究所來了。　　　　　　　　海森堡一到玻爾研究所就深深喜歡上那裡。所里的學術空氣的自由氣氛是前所未遇的。一群激昂的年青人有的站著，有的坐在桌子上高談闊論，而老成的玻爾規矩地坐在第一排記筆記。他一般不率先不發表言論，連他自己都認為自己的思維太慢，跟不上他們的步伐。　　　　雖然每一項的討論都是玻爾收底，然而還是有一些狂傲的學生指著這位諾貝爾獎金獲得者的鼻子大聲說他絕對不了解自己的思想。　　　　玻爾毫不介懷，因為他明白，到明天早上所有的人都會領悟到只有自己最後提出來的解決辦法才是唯一合理的。　　　　饒是如此，玻爾出名的駑鈍成為學生們茶後的談資。玻爾為了調劑學生們的生活經常自己掏錢請大家看電影。可是和玻爾看電影是頂無趣的。在滿腦子哲學思想的玻爾眼裡所謂最好的電影無非是"懶漢農場大戰"和"寂寞的守林人和印第安姑娘"之類的片子。大家看了兩遍之後就膩透了，可是玻爾看到第四遍還在向邊上的人問諸如"這個人是不是那個牧童的姐姐"，"是那個牧童開槍打死了那個想偷他姐夫牛群的印第安人么"之類的問題。　　　　大家在研究所里一般都工作的很晚，好心的玻爾囑咐茶房定時地送來咖啡，除此以外，玻爾還自告奮勇地給大家講帶有哲學意味的笑話，結果通常使得本就疲勞的人們更是哈欠連天。　　　　要麼就是找到報紙上的字謎遊戲和大家一起猜，一般人猜一會就沒了興趣，可玻爾在這件事上也很認真，常常不解不休。　　　　一天深夜，大家都睡得迷迷糊糊，驀地玻爾的腦袋從門裡伸出來，高興地向人們歡呼道，我找到了。大家頭腦中都浮現出當年的阿基米德從浴缸里裸身跑出的一幕，精神俱皆一振，但是玻爾後頭壓低聲音說的話讓所有人都哭笑不得，原來他只不過是想說那個以ich三個字母結尾的單詞原來是英國工業城市Ipswich。　　　　玩笑歸玩笑。不過研究所的每一個人從內心來講都是對玻爾都是極端尊敬的。他慈祥得象父親，隨意得象兄弟，到哪裡找的到這樣的夥伴領導呢。　　　　當時的物理學家們都有一種從天上落下的虛空之感,他們一直是踩在牛頓力學的堅實土地上的，這一次當真是天翻地覆了。　　　　最忙碌的還是玻爾那裡的人了，他們被兩種性質完全不同的量子力學攪昏了腦袋。最好還是讓兩種學說的創始人親自見一下面吧。　　　　鑒於海森堡本人就在研究所，玻爾向薛定諤本人發出了邀請信。　　　　 1926年9月，薛定諤抵達哥本哈根。很多物理學家，還有一些業外人士都跑來看熱鬧，這下就可以一證真偽了。　　　　在此之前，可以想像海森堡和薛定諤之間進行了怎樣一場口誅筆伐。海森堡說一提起無聊的薛定諤方程就感到淺薄，而薛定諤指出海森堡那種複雜的矩陣理論不過是一種賣弄，至於所謂的測不準原理簡直滑天下之大稽。　　　　海森堡原本指望找好友泡利上前助陣的，他本身就是一柄利劍。何況挑剔的泡利是從不可能同時信仰兩種理論的。可是一貫正確的泡利在審查完薛定諤的理論後，唉聲嘆氣地告訴海森堡自己委實愛莫能助。看來連泡利都快被整瘋了。　　　　但是海森堡這邊的勢力顯然是壓倒多數，研究所的兄弟們都支持他，包括威望了得的玻爾；而薛定諤是單身一人來應戰的，陪他的只有那副戴了一生的寬邊眼鏡。　　　　可是很快就發展成戲劇性的結果。薛定諤被一群人瘋狂質問了兩天兩夜，始終沒有屈服，但是雙拳難敵四腿，只好躲到旅館掛起了免戰牌。海森堡他們本以為幾天後這個倔人就會投降了。可是經過薛定諤幾天在旅館裡徹夜不眠的計算後，他憑藉紮實的數學功底居然證明了兩種表述居然是等價的。他和海森堡兩個人就象用兩個民族的語言描繪一件事而已。　　　　海森堡和一幫支持者大大地泄氣了，而薛定諤則趾高氣揚地出入討論會，竭力地向大家推廣他的新理論。　　　　很快另一個里程碑似的喜訊傳來，玻恩，海森堡的老師在哥廷根大學提出了著名的幾率解釋。　　　　他找到長期困繞人們的ψ的根本意義，那就是ψ絕對值的平方代表了在空間那一點，那個時刻電子出現的幾率，僅此而已。　　　　這篇幾百字的短文使他獲得1954年諾貝爾物理獎，可是這個觀點意義極為深刻，可以說是整個量子力學的核心。　　　　薛定諤當然不能接受這個觀點，他向來認為ψ是一種實在的物質波，和電磁波沒有什麼區別，而電子就在波上起伏，就象坐在馬鞍上的騎手一般。　　　　他本指望趁此聲威正旺之際將玻爾研究所的人一舉制服。但是長期沉默的玻爾終於獅子般地站了出來，他一直在尋找對ψ的合理解釋，現在玻恩的理論一出來，他心裡就起了朦朧的念頭：量子力學終於要出世了！！　　　　他認定當務之急就是要說服薛定諤接受幾率觀點。這下薛定諤可是要吃苦頭了，因為玻爾的"痴"是出了名的。　　　　儘管薛定諤曾經毫不畏懼地和一幫激動的年青人大聲論戰，但這一次僅玻爾一人就把他整得服服帖帖，他不用什麼尖刻的言語，也沒有頗具說服力的實驗，更沒有特別完美的數學理論，一切還來不及準備，但他整天一見到薛定諤就絮叨地說個不停，不管是吃飯，還是散步。　　　　研究所里的人都在猜測，這次玻爾是八成找到方向了。他對那些五花八門的新理論向來是不置可否的，但是這次顯然是動真的了。玻爾這個人的物理直覺之強當世無匹，雖然他向來反應遲鈍，但是他認準的東西一般都是絕對正確的，即使包括泡利在內的所有人都反對。　　　　薛定諤不得已只好故技重演，稱病遁入旅館，這幾天真是把教授累壞了，他很快墜入夢鄉。沒過多久他就聽見窗戶外面有異響，薛定諤大驚失色準備大喊有賊，可是剛開燈就看見玻爾那聞名的大鼻子緊緊地貼在玻璃上，天知道他那肥胖的身軀是怎麼爬上二層樓的。　　　　沒等玻爾開口說話，薛定諤那聲在歷史上留名的牢騷震動了全樓："要是早知道我的理論會變成今天這個樣子，還不如當初就不發現它呢！" 　　　　玻爾儘管在窗外凍得直哆嗦，但還是慢條斯理地回答道："先生可千萬別泄氣，全人類都會感謝你在量子力學上的貢獻呢！" 　　　　第二天的結果是打著噴嚏的玻爾和雙目紅腫的薛定諤雙雙攜手走進了餐館。大家都認為兩人要和解了，不禁都鬆了口氣。連一直綳著臉的泡利也稍展了一下眉頭，要是事情再不解決自己真的要瘋掉啦。兩派宗師一但攜手，量子力學徹底建立就指日可待了。　　　　薛定諤咽下最後一塊乳酪，細心地擦凈了嘴上的油漬，緩緩說道，今天我就要回去了。玻爾一愣，以為對方終於屈服了，正準備開口誠心邀他加盟研究所時，卻聽薛定諤冷冷地道：你們的幾率觀點我是怎麼也接受不了的，雖然我也說服不了你們。多謝你們這幾天的款待。　　　　言畢，教授就捲起皮箱，扶正了眼鏡，頭也不回地邁步走了出去，夕陽在他身後划下斜斜的影子，只留下玻爾還在那裡張大了嘴發獃。 7 　　　　研究所的人沉默了好幾天，用海森堡後來的話說，當時真的都絕望了，他們都明白既然說服不了薛定諤，那就別指望說服其他更多的人。　　　　更何況他們自己的理論還尚成不了體系，漏洞之多就更別提了。而且他們就僅有的一點苗頭來看，量子力學這個即將誕生的嬰兒簡直就是畸形。它所展現的世界就簡直是歪曲而不可理喻的。　　　　一次海森堡和玻爾一起默默地散步了很久，突然海森堡說道："難道整個世界本來就是如此荒誕不經的么？" 　　　　玻爾先是搖頭，又重重地點了兩下。　　　　　　　　整個研究所的人進入最緊要的關頭。飯固然是經常忘了吃，人們常常走路都是搖搖晃晃的，說話也是前言不搭後語。按照海森堡的回憶，人們縱使跌倒在地都不會忙著爬起來，而寧願就這樣躺著思考幾個小時。　　　　不過，人們在苦悶之中總是要找些歡樂的，玻爾本人就是十分開朗達觀的人。這時人們在也不再挑剔他的笑話無趣了，玻爾也常常說，我們探討的事物實在太嚴肅了，嚴肅到只能和它開開玩笑。　　　　大腹便便的泡利總是奇蹟般地發揮他的妙用，這當然不僅是他那鋒銳的思想，而更是在研究所內一號丑角的身份。每當海森堡一本正經地在黑板上講述他的最新思想時，牆角處就出現尖利的反駁聲。於是在眾人的驚愕中，身著寬大袍衫的泡利粉墨登場，他總是愛引征浮士德里的詩句來闡明自己的看法。看上去他更象是歌德筆下那個靈魂出賣給魔鬼了的哲人，只不過胖得有些匪夷所思。　　　　有時苦無出路的人們心中竟然升起這樣的念頭：如果真的能獲得對量子力學真正的詮釋，縱使把靈魂出賣給靡菲斯特也是不妨的。　　　　幾次人們隱隱找到希望，但泡利毫不費力地就戳破了。漸漸泡利成了人民公敵。一次，當來自俄國年輕的波拉柴科在黑板上津津有味地講述他的新想法時，泡利龐大的身影出現在門口。可憐的小夥子立時緘口不言，泡利不緊不慢地在屋裡踱來踱去，幾次他都以為泡利要從牆後消失卻都又轉了回來。　　　　事後滿頭大汗的波拉柴科在晚餐上向人們敘述自己的險情，大家紛紛點頭，均是心有戚戚焉。　　　　慢慢地事情有了轉機，這還是最先由海森堡突破的。他的著眼點是那個荒誕的測不準原理。　　　　讓大家相信這樣的一個理論當真勉為其難，如果在微觀體系里連最基本的物理量都測不準，還要我們這些物理學家幹什麼。更何況這個原理引申出的東西更是聞所未聞，它指出我們不管測量什麼東西，是永遠不能測出真正的結果的，這和測量人本身的主觀因素有關。　　　　物理學自誕生以來就是純粹客觀的，當年為了把唯心主義從物理學中趕出去，從哥白尼到牛頓，一代代偉人付出多少心血，更有布魯諾甚至把生命都丟在了宗教裁判所。難道一切都還要重新找回來？　　　　只有玻爾從心裡支持海森堡的理論。但是海森堡一時也找不來證據，一直就這麼僵持著。　　　　這段時間拌嘴最多的莫過於海森堡和泡利這兩員幹將了。雖說僅是學術上的探討，但是都是年輕的小夥子，爭來爭去總會上火的。泡利的言語又是出了名的尖刻，一次竟然翻起了海森堡的老底，說他在博士答辯時連顯微鏡的構造這類簡單的問題都回答不上來。　　　　海森堡突然沉默了。　　　　泡利臉一紅，知道這次說過了分，正想低頭認個錯。哪知海森堡頭也不回就朝圖書館奔去，邊跑邊喊："泡利，這是我們兩個拌嘴這麼多年來你說的最有價值的話了！。" 　　　　當晚的討論會氣氛沉悶，幾乎每天都有新想法的海森堡一直坐在最後默默地想著什麼，大家的發言也是無精打彩，玻爾看看手錶正準備宣布散會。　　　　這時海森堡突然站了起來，"且慢，先生們，我有話說。" 　　　　他徑直走到黑板跟前寫上"測不準"幾個字，大家本來都是精神一振，但是見此又皆萎頓了下去，海森堡在這塊黑板上不知把這幾個字寫過多少遍了，接下去不說也知道，無非是花樣繁多的公式推導，然後很快被泡利的法眼尋出破綻了事。　　　　可是這次海森堡在字下面畫了一個大大的顯微鏡，沒等大家反應過來，他就侃侃而談：　　　　假設一個抽去所有東西的真空的房間，我們用一個放大倍數極大的顯微鏡觀察一束光入射進來的情況。　　　　如果光撞到電子上會出現什麼情況呢？我們觀察電子是需要光才能看見的，如果我們觀察到電子的真實位置，那麼它一定會在光的撞擊下搖擺不定，也就是說我們無法測定它的速度。　　　　為了減少光的影響，我們特意用頻率較低的光，這樣電子就會晃動的好一些，可以精確測量它的速度，但是頻率變低導致光的波動性見強，我們看到電子的位置在光的衍射之下模糊不清。　　　　總之我們是絕對不能同時測准電子的位置和速度的，設備再先進也不行，不光位置和速度是測不準的，時間和能量也滿足這個奇妙的關係。　　　　然後海森堡又用複雜的幾乎可怕的數學對自己的"實驗"結論進行了證實，他的理論可以計算出電子在空間任意一點的幾率。　　　　連同泡利在內，大家都被海森堡的套拳打昏了頭。但是這個"思想實驗"無疑是精巧完美的，頗具說服力。泡利垂下頭想起幾小時前的情形，啞然失笑，想不到自己最有力的批判卻是來自那最尖刻的話語。　　　　量子力學的中心思想既然被牢牢地揪住，那麼整個理論的成熟就為期不遠了。　　　　最後集大成的是玻爾，他不僅整理了研究所里的全部成果，而且更深刻地提出了著名的互補原理。　　　　世界上的真理都是有兩面的，只有把這兩個性質截然不同的面結合起來看，我們才能真正認識到這個事物的全部，單看任意一面都是不夠的。　　　　玻爾把量子力學的根基建立在自己的互補哲學上，這引起的軒然大波卻是是始料未及。在玻爾的哲學裡，我們對這個世界的認識只能是幾率性的，也就是說，我們只能預言任何一個事件發生的幾率，而不能百分之百地準確斷言，這決不是我們的理論不夠發展或者實驗條件不成熟的緣故。　　　　還記得拉普拉斯在拿破崙面前的豪言壯語嗎？陛下，只要給夠了宇宙的初始條件和邊界條件，我一定能夠計算出宇宙任何一點任何一個時刻發生著什麼事情。　　　　這是多麼完美的一個目標呀。古今多少物理學上的勇士跋艱涉險，目標就是獲得對這個世界的確定性的完美詮釋，儘管路途險狹，但是光明的前景始終召喚著人們。然而玻爾將這美好夢想一舉砸滅。　　　　難道我們始終還是在逆天行事，上帝的秘密終究不可破解？這對絕大多數物理學家來說，如同是玷污了他們的神祗不可饒恕。　　　　玻爾他們費勁心力也沒能說服薛定諤，但是總算將他"攆"出哥本哈根，因為他也實在提不出什麼有力的反證。　　　　不過玻爾也不算徹底地成功，他們雖然趕走了一隻小豹，但迎來了另一隻雄師，那就是愛因斯坦。　　　　愛因斯坦對哥本哈根那幫人自始至終都是持反對意見的，甚至是深惡痛絕的。　　　　從來沒有一種理論象量子力學一般出世如此艱難，而且躺在嬰兒床上就面臨著被扼殺的命運。　　　　 --------------------------------------------------------------------------------8 　　　　最後出場這個人物也頗有傳奇色彩，他的名字叫做狄拉克。　　　　當二十年代初，這個英國小夥子獲得布里斯托爾電氣工程學位後正準備雄心勃勃地找份工作時，卻發現自己失業了。當時正值全球經濟危機猖狂蔓延的時候，別說是個他一個剛出道的學生，就是連很多腰纏萬貫的老闆，也通常在一夜間變得家徒四壁。　　　　他不得不向劍橋大學的聖約翰學院請求一個博士學位，原指望躲過這幾年大蕭條的風頭的，可是他一旦轉入物理學的研究，就發現自己難以自拔。　　　　狄拉克本身就是一個孤僻寡言的人，在大學裡最喜歡的事情就是在沉思默想。他基本上沒有別的愛好，這和量子力學的其他建立者大有不同。　　　　玻爾生就是個運動健將，海森堡的鋼琴更是出神入化，泡利雖為人滑稽，但是對歌德的作品極有研究，德布羅意本身就有文學碩士學位，薛定諤不僅善於作詩，而且在生物學上也造詣頗深。而狄拉克只能對著書本和公式發獃。他在學校里唯一參加過的協會名字叫做"ψ協會"，是由物理愛好者組成的，但是他也沒想到物理終究會成為一生的職業。　　　　他深厚的數學功底，敏捷的才思都是學界公認的。一次在哥本哈根的物理學會議上，一個名叫西名的日本物理學家作報告。他不厭其煩地在黑板上列排了無數複雜的公式，連素以數學見長的玻爾都看花了眼。　　　　人們沉悶地聽了半天，突然狄拉克站起來，指出最後導出的公式中括弧里的第四項符號應為負號。西名大吃一驚，難道他事先推導過么，可是這個公式是自己第一次展示呀。狄拉克很肯定地說，一定錯了，你剛才在某個地方弄錯了符號，而且是一共用錯了奇數次。　　　　事後一查當真如此。　　　　但是他本人自認為最重要的發現卻成了最大的笑柄。那還是在他和一位教授太太閑談的過程中他一直盯著女士打毛衣的手。夫人抬起手來很驚訝的問，博士，您又有什麼新發現么？他半天不言語，然後一拍大腿叫道，我找到了另外一種織毛衣倒著用針的方法。當夫人迷惑地看他用手比畫了半天的之後，禁不住大笑起來，原來"順織"和"反織"是婦女中流傳幾百年的織法。　　　　狄拉克早期最重要的貢獻是提出"狄拉克方程"，它第一次把量子力學和狹義相對論統一了起來。不過這個方程導出一個很大的問題，就是在數學上預言出還存在一個和我們這個世界完全相反的"負"世界，在這個負的世界裡，所有的物質都具有負的質量和負的能量。　　　　更奇怪的是在那個世界裡如果我們想把物體朝前推，則必須向後使勁。來年各個兩個物體如果撞到一起，不僅不會各自彈開，反而會以更快的速度一起向前奔去。　　　　而且這些性質怪異的反物質不僅僅是存在於宇宙某個不為人知的角落裡，而是就充斥於這個世界的每一角落。按照狄拉克的說法，我們所在世界的所謂真空都是整整齊齊地布滿了反物質的組成元素之一--正電子海，這就是所謂的狄拉克海。　　　　剛開始大家誰都沒有把它當回事，這不過是狄拉克為他的理論所虛擬的假象而已。然而在1931年，美國物理學家安德爾森在研究宇宙射線中的高能離子束，為了測得電子的運動速度，他把電子引入一個強磁場中，結果電子一半順時針旋轉，一半逆時針旋轉。這兩類電子性質完全相反，如果碰在一起就會瞬時湮滅成光。　　　　後來人們在能量極高的加速器中還觀察到反質子，反中子，如此一來反物質的要素就找全了。但是我們至今也不能在宇宙中確認哪個地方存在反物質，如果有的話，它和我們這個空間接觸的邊緣一定會發生驚心動魄的大爆炸。試想正反物質一旦碰在一起就會是質量就會象一減一等於零一般滅於無形的，根據愛因斯坦的公式" "釋放出的能量委實可怖。　　　　但是現在宇宙中還沒有發現這種爆炸，可能我們的觀測範圍是不夠的，要麼就是上帝是個偏心眼，他沒能創造出和真實世界等量的反物質來，不過這與千百年年來人們所習慣並依賴的對稱美是格格不入的。　　　　另外狄拉克方程的副產品是推演出電子的自旋。就象地球圍繞太陽旋轉的同時自身也在旋轉，電子本身也在象一個陀螺一樣飛轉。最早在1925年由烏倫貝克和高德斯密特提出的這一觀點，他們當時都不過是二十齣頭的小夥子。當他們的導師外出度假時，兩人在一起合計如何作點讓老師驚喜的工作，找來找去最後落到了電子的自旋上。他們忙了幾天終於將稿子寫好，並寄給了一本物理學期刊。　　　　然而導師回來耐心地聽完二人的報告後，冷冷地說，你們的想法未免太過天真，難道沒有想過如果電子有那麼大的自旋的話，那它的邊緣上物質的運動速度就會超過光速了么？　　　　二人恍然大悟，準備追回稿件，但是雜誌社回話已經出版了。兩人只能尷尬地對笑一下。　　　　誰也沒把這兩人的工作當回事，可當胖子泡利懶懶地坐在躺椅上，隨意瀏覽到這篇文章時，登時慌著從椅子上跳了下來，原來他這幾天一直在為自己的"泡利不相容原理"苦惱，這篇文章幫了大忙。　　　　所謂"泡利不相容原理"是泡利研究電子運動時提出的一條神秘的定理：兩個運動狀態完全一樣的電子是不能處於同一軌道。如果電子彷彿在一條條軌道上飛奔的汽車，按照泡利這位大肚子交警的規定，一條軌道上是不允許跑兩輛小車的。可是偏偏有的電子不守交通規則，照樣兩輛車擠在一起。泡利急得抓耳撓腮也沒有辦法。　　　　現在就好說了，因為電子有自旋，當然就有順時針轉的和逆時針轉的，顯然跑在同一軌道上的電子旋轉方向是不一樣的，這樣一來這兩個電子就算不上是狀態完全相同，跑在一起也是不妨的。泡利的原理又得以自圓其說。　　　　泡利就得意洋洋地在研究所的一次會議上努力闡述他的理論，可是泡利平時就"積怨"過深，而且那些人稍加分析就可以找到電子自旋的弊病。所以無論泡利怎麼舌戰群儒，都絲毫不佔上風。　　　　後來泡利乾脆從風衣口袋裡掏出一個兒童玩的陀螺，在講台上轉了起來，努起嘴道，絕對沒錯，電子就是這個樣子的。　　　　接著包括玻爾在內的一群聰明人都圍在講台上對著陀螺指指點點，有人用照相機記錄下這個珍貴的鏡頭，至今照片還保存在玻爾研究所里。　　　　上面可以清楚地看到泡利腆著肚子兀自爭個不停，海森堡雙目斜睨，一副不屑的神情，而玻爾則一如既往瞪圓了雙眼陷入深思。　　　　歷史證明泡利是對的，我們不能簡單地把電子簡單看成轉動的實體，而自旋更是電子本身所固有的一種性質，就象它的電荷，質量一樣。　　　　從那個時代到今天又是七八十年過去了，很多風行一時的理論早已煙消雲散，又有很多原被認為亘古不變的真理亦未得善終，但是泡利的不相容原理卻始終站穩了腳跟。無怪泡利一直把自己的不相容原理看成是生平的得意之作。　　　　到狄拉克這裡自然就把自旋概念從方程里引進來了，至此電子自旋之爭才算是告以段落。　　　　狄拉克後來獲得劍橋大學的盧卡斯教授的席位，這是牛頓當年設立並終身擔任的，僅此一點就可以想像狄拉克在英國物理學界泰山北斗般的地位。　　　　量子力學最後在他手裡終於被極為美妙地形式化，成為一套邏輯清晰，結構縝密的一套體系。他的那本經典著作《量子力學原理》更是對後世產生極為深遠的影響。他寫的書最大的特點是簡明深奧，要求讀的人必須全神貫注。　　　　當後世的學生們能以最為迅捷明了的方式掌握量子力學時，實在是應該感謝這位大宗師的。

物理學與物理學家們(8)——夸克與十一月革命 "夸克……夸克……夸克……" 　　　　三隻海鳥伸直脖子，　　　　一齊沖著紳士馬克。　　　　但除了三聲夸克，　　　　馬克一無所得，　　　　 …… 　　　　喬伊斯《芬尼根徹夜祭》　　　　　　　　尼爾斯?玻爾率眾完成量子力學之後，全世界的物理學家都彷彿卸下了重擔。顯然，自然界最後的規律也找到了，接下去就是如何運用的問題，物理學的終結似乎又是指日可待。　　　　連最為悲觀的泡利，在寫與友人的信中也曾提到："自此我們夜晚就能安然入睡，留下的不過只是數學上的問題，我本人打算再干兩年物理之後，就去從事生物學或者撰寫回憶錄，很難想像物理還能剩下什麼激動人心的東西。" 　　　　到了1932年，人們更是舒了一口氣，查德威克發現中子，很多認為量子力學無法解決的現象又得以自圓其說。原子核的結構人們到此一清二楚，所有的微觀粒子不過就是帶正電的質子，不帶電的中子和帶負電的電子，和早就為人所知的光子。質子和中子質量相仿，而電子的質量是他們的幾千分之一。　　　　大物理學家狄拉克精妙的方程又展示給人們一個奇妙的"反物質"世界。緊跟著安德森的實驗確認了小電子的孿生兄弟"正電子"，人們一陣驚嘆之後也就沉寂了下去。說來說去，整個世界還不是由這幾種粒子構成？還能有什麼奧秘呢？　　　　最早提出質疑的是一位日本物理學家，他的名字叫做湯川秀樹。　　　　日本自從1853年被美國軍艦強迫開放經商口岸之後，就認識到"科學"的重要性，並馬上延請了一位法國人和一位英國人來作教授物理，以至很長一段時間內國內的物理學還分為"法國派"和"英國派"。明治維新之後，大批的留學生求學歐陸，西方人看到他們通常以一種狂熱的武士道精神來學物理，又是吃驚，又是好笑。誰也不曾意識到這種精神其後可能帶來的危險。　　　　到1907年湯川秀樹出生的時候，日本的物理學就已經頗具規模。最令日本人自豪的一點是，湯川秀樹，獲得諾貝爾獎的東方第一人，所受的教育全部是在日本國內完成的。　　　　其實在很大程度上，湯川秀樹成績的取得是靠自學。他在學校里更喜歡的是和另一位頭腦敏銳的年青人，朝永振一郎，一齊討論深奧的數學和物理學問題。後來，朝永振一郎在理化研究院擔任研究員，曾因對量子電動力學的研究獲得諾貝爾獎；而湯川秀樹一直在大阪大學執掌教席，直到1948年受聘美國普林斯頓高等研究院的客座教授。　　　　在1935年，湯川就在對原子核的研究中提出一個新理論--介子理論。此時人們已經發現原子核內質子和中子能夠緊緊結合在一起，一定是一種既不屬於引力，也不屬於電磁力的第三種力在起作用。這種力的性質人們只能簡稱它為強相互作用，因為力道之強相比引力或者電磁力簡直不可同日而語，但對於細節的一些問題卻沒人能說的清楚。　　　　湯川是仿照電磁理論來建立他的介子理論的。原子核與電子的電磁力作用有光子產生，同理質子和中子間的作用力也應該有一種類似光子的媒介，這就是介子。這種想法事後人們覺得似乎很是自然，但湯川是想到這一點的第一人，而這離盧瑟福提出原子的核結構已經十多年了。　　　　這種扮演媒介角色的粒子很快在湯川的論文中暴露無疑。他通過簡單的估算預言出這種介子的質量是電子質量的200倍。這篇短小的論文是發表在國內的日文雜誌上，當時物理學界的高手們誰都不會注意這個東方小國的研究成果的。湯川曾經拿著文章找到當時在日本講學的玻爾，孰料玻爾看了一眼就向這位矮小的東方人反問道："怎麼，湯川先生，你難道想說我們這個世界還有別的粒子？" 　　　　當時所有的人都迷醉於物質那種簡單然而完美的結構，連玻爾也不例外。　　　　兩年之後，英國的安德森和尼德邁耶在宇宙射線中突然發現一種前所未見的新粒子，而且質量正好是電子質量的207倍。消息發表出來時，整個日本都轟動了。　　　　然而不久就有人在實驗中證實這種粒子質量上雖然與湯川預言的相仿，但性質上來說絕對不可能是介子。湯川接道消息後當時就如墜雲霧中。　　　　這是上帝的一個惡作劇，預言好的偏就發現不了，不知名的卻不知就從哪裡就會突然冒出來。　　　　幸好出身卡文迪許實驗室的鮑威爾在海拔2800多米的高山上用核乳膠探測的方法在宇宙射線中真正發現了介子的軌跡，湯川至此方鬆了口氣。　　　　這位鮑威爾先生的乳膠照相法一下子風靡物理學界，幾乎全球每個實驗室都擁有類似的裝置，自此新粒子的發現就層出不窮。　　　　不過總的來說在千萬條宇宙射線中觀測到新粒子的幾率還是很小的，而且要從亂七八糟的軌跡線中找出幾條陌生的，單就這一點來說一個訓練有素的科學家未必及得過一個記性甚好，心思又細的普通婦女。　　　　後來各個實驗室里乾脆僱傭成千上萬的婦女來幫忙。戰後歐洲一片廢墟，失業率居高不下，這倒給很多人提供了寶貴的飯碗。由此我們也可以大致明白，經濟最為衰敗的義大利，何以一下子成為世界新粒子的發現中心。　　　　湯川的想法最大的受益者倒並不一定是鮑威爾先生，儘管他由於π介子的發現而榮獲1950年的諾貝爾獎，而應該是那個有著"量子工程師"美譽的費米。　　　　這次費米將他在物理上的另一半天才發揮得淋漓盡致。他類比湯川的模式建立起了一套完美的β衰變理論，解釋了中子如何衰變成為質子，而在衰變過程中電子和另一種名叫中微子的神秘粒子又是如何起了類似介子一般媒介作用。　　　　中微子是所有微觀粒子中最奇異的一個，至今它的性質還有很多不為人所知。比方說它的質量，直到去年日本科學家才勉強測出質量的上限，大約比排行第二輕的電子還要輕上一千倍。至此人們仍不能咬定中微子就象光子一般，質量一定就是零，這涉及到我們對整個宇宙空間的一些基本認識。　　　　最早從理論上斷定中微子存在的就是大名鼎鼎的泡利。原先β衰變是一個很撓頭的問題，因為衰變前後能量不守恆！所有的人都膽戰心驚，經過這些年的風風雨雨之後，何以又產生如此駭人的變故？倒是泡利慧眼獨具，他馬上指出一定是一種未被人發現的粒子帶走了損失的能量。而且他還神妙地預測出了中微子的各種性質，比如質量接近於零，不帶電荷，自旋是1/2，滿足著名的泡利不相容原理。　　　　最後一條性質使得泡利尤為得意，因為此時泡利已經把他那著名的不相容原理擴展到所有自旋為1/2的粒子，包括質子，中子，電子等等。這裡的自旋不妨聯想一下飛速旋轉的陀螺，但實際上自旋已經和質量，電荷一起成為描述一個粒子的基本性質。　　　　儘管泡利對他的見解自視甚高，但很多物理學家並不買帳，反對的最是厲害的是海森堡，但是在理論和實驗兩片陣地上都頗有一席之地的費米堅定地站在泡利一邊，自然他被泡利視作多年罕遇的知音。　　　　跟著費米發展的一套理論將β衰變中所有的矛盾一掃而空，甚至以本世紀九十年代的目光來看費米的理論，仍是完若美玉，無瑕可剔。而在1956年美國洛斯阿拉莫斯實驗室的兩位物理學家終於在核反應堆中將中微子找到，更是將費米的設想牢牢釘實。　　　　而費米在發展他的學說的過程中，又出人意料地尋到一種新的作用力，這種力的大小界於電磁力和強相互作用力之間，被稱作弱相互作用力。　　　　自此自然界在我們面前展示了四種基本的相互作用，引力，電磁力，強相互作用力，弱相互作用力。人類從蒙昧混沌到一隻砸到牛頓頭上的蘋果而戲劇般引出的萬有引力，足足跨度幾千年，然後又過了幾百年才找到電磁力，而在二十世紀不到幾十年的時間內突然兩種古怪的作用力又橫空出世。拋開偶然的因素不說，由此亦可足見物理學發展的迅猛態勢。　　　　說這後兩種力性質古怪，是因為人們根本找不到合適的公式來描述，也許是用於描述它們的數學遠超人類目前所能理解的水平；而引力和電磁力相比來說，物理學家幾乎所有的預言都是應驗不爽。　　在實驗上飛速發展的同時，另一種新興的理論也在趨於成熟，為粒子物理提供了強有力的工具。這就是在量子力學基礎上建立的量子場論。　　　　原先的量子力學倒不是有什麼致命的錯誤，只不過在處理各種相互作用的時候實在有些力不從心。而我們知道，所有的相互作用反映在場中，如果把場也量子化，很多問題就迎刃而解了。　　　　類似的想法還在量子力學剛誕生的時候就由海森堡和泡利提出來了，他們處理的是最簡單的電磁場，而且當時解決一些問題。等到美國的奧本海默插手量子場論的時候，麻煩就來了。他經過精心的計算指出如果按場論的處理方法電子的質量和電荷就會大到難以想像的地步。　　　　有人提出重整化的觀點，認為電子總是被虛光子和虛電子--正電子對包圍，真正計算時無窮大的結果就會相消。但是任誰稍看一眼籌劃的方案都是目瞪口呆，計算量之大實非人力所能及。不少人都認為場論風光的日子看來是到頭了。　　　　但是隨著二戰中微波技術的發展，實驗中又發現了氫原子的光譜仍有極小的分裂，是稱"蘭姆位移"。這迫切需要場論的精確解釋，所以各路理論物理大師們都不得不硬著頭皮披掛上陣。　　　　其實最早提出重整化概念的外斯科夫經過巧妙的化簡曾得出和實驗相近的結果。他得意洋洋地把他的想法介紹給另外兩位大師，費曼和施溫格，這兩人分頭回去重複外斯科夫的計算，但都他的結果有所偏差，更令外斯科夫發愁的是，他們的計算結果偏偏完全一致。外斯科夫意冷心灰之下將他的理論全盤放棄，他沒有想到自己的結果實際上是完全正確的。一時間的缺乏自信，竟使他喪失了得諾貝爾獎的機會。　　　　 1948年在賓西法尼亞州舉辦一次物理學會，這幾乎是理論物理學界自1927年索爾維會議之後聲勢最大的一次聚會，包括玻爾在內的一大批極負名望的大師都前來出席。　　　　不過這一次會議倒是都讓一批後起之秀風光佔盡，一代新人催舊人，這是不爭的規律。　　　　首先發言的是施溫格教授。他面無表情地出現在黑板前，左手捏著薄薄的幾頁講義，右手攢滿一大把粉筆。　　　　儘管施溫格教授宣稱這是他再三簡化之後的結果，熟悉他的人都暗中叫苦不迭，為自己吃不上午飯擔憂起來。施溫格教授是出了名的書獃子，自小就是在類似修道院的環境下長大，從來不看數學和物理之外的書籍，話也不輕易說，除非是學術上的問題。他的天才人所共知，18歲就畢業於哥倫比亞大學，21歲獲得博士學位，29歲就成為哈佛大學最年輕的教授。　　　　他最擅長的就是推演各種複雜的形式理論，屬於費米極為反感的"經院物理派"的代表。但誰也不能否認這位冷似磐石的教士先生數學達到極高的水平，在當時的物理學界來說只怕無人可及。　　　　年青的時候施溫格醉心於量子力學的完備性考證，他曾和愛因斯坦年並肩作戰，一起為尋找量子力學幾率解釋背後更深層的東西。他提出來的"隱變數"理論試圖把量子力學還原到決定論中，這曾激起軒然大波，雖然大部分物理學家對此嗤之以鼻，但是大家對他顯露出超凡的數學才華還是衷心欽佩的。　　　　聽他的講演幾乎是每個人都極不情願的事情，施溫格的理論很少展示鮮明的物理思想，而都是大段數學公式的堆砌，不管你怎麼全心全意也很難當場領會他的思想。可是在施溫格看來，當今的物理學已經發展到非以繁複的數學公式來解決問題不可的地步，那些概念清晰，數學明了的東西早就被人挖掘一空，剩下的都是堅硬的頑石。　　　　施溫格話語不多，他大部分時間是在黑板上寫他的公式。每寫完一整版，他就停下來，端起桌上的咖啡慢慢品上一口，木然的眼光透過厚厚的鏡片將聽眾們掃視一遍。到後來桌上滿滿一大瓶水都讓他喝了個精光，而講演的時間也將近是預定的四倍。　　　　大家真是不能明白這位先生怎麼就能從幾頁講義推演出如此豐富的內容，要知道其中有多少眼花繚亂的公式，符號，定理，而他居然能記得清清楚楚，一絲不亂。　　　　施溫格還尚意猶未盡，下面的人卻都坐不住了，開始他們還能馬虎跟上，後來就彷彿鄉下人聽一群沙龍里的藝術家高談後現代主義，簡直是不明所以。　　　　最後玻爾站了起來，說道："首先我們應該為施溫格先生高超的數學手段喝彩，他真正讓人大開眼界。"說到這裡玻爾瞥了一眼施溫格，這位紳士僵硬的臉龐上居然擠出了一絲笑容，不用說因為他為自己的那套數學有人理解而大感欣慰。　　　　 "然而"，玻爾話鋒一轉，"對於我們學物理的人來說，簡潔就是美，這是一個永恆的真理。所以我認為一定有某些更清晰的理論隱藏在後，也許這才是我們應該努力的目標。" 　　　　施溫格愣在當場，手裡的粉筆微微搖動，不知道是否還應繼續講下去，但臉上平靜得一如往昔，根本看不出有失望，惋惜或者不服的神色。　　　　全場頓時一片靜寂，突然一個中等身材的年青人走上講台，還未說話就開始笑起來："先生們，我來講幾句好么？" 　　　　大家先是一愣，然後也都跟著哈哈大笑，因為這個年青人飛快地將施溫格先生的大篇公式擦個精光之後，卻象幼兒園的頑童一般在上面畫了一些希奇古怪的圖案。　　　　有人就當場喊出聲來："別鬧了，費曼先生！" 　　古往今來的大物理學家脾性各異，有的謙虛謹抑如愛因斯坦，有的大智若愚如玻爾，有的古板如施溫格，有的高傲如泡利，但從未有人能象費曼一般如此天馬行空，放浪不羈。　　　　他是歷史上第一個被美術系的人請去畫裸體畫的物理學家，而他也曾幾次偷偷打開裝有原子彈機密文件的保險柜，留下幾句警告性的話語之後悄然退出，害得幾位情報部門的高官都引咎辭職。他既可以和愛因斯坦，玻爾那些曠世學者一起討論最高深的學術問題，也可以混跡到賭館，舞廳等一些場合和賭徒，舞女聊得熱火朝天。　　　　理查德?費曼是一個典型的美國人，如同迪斯尼樂園走出來的米老鼠，他最大的目的彷彿就是給人們帶來歡樂，所以無論他走到哪裡，都是笑聲不斷。　　　　費曼自小就是一個不拘小節，異想天開的神童。還在讀中學的時候就以聰明絕頂但惡作劇不斷而聞名全校。他在學數學的時候完全採用的是自己一套獨特的公式，比如畫一隻兔子代表x等，有時候連老師看到他別出心裁創造出來的一些記號都是忍俊不禁。費曼的解題過程雖然沒人能夠理解，但是答案一貫準確無誤，這曾使他得意過很長時間。　　　　中學畢業後他就讀於著名的麻省理工學院。這所大學原本是以培養掌握實用技術的工程師主旨，曾經要求每一個學生必須製作一個實用而且精美的工藝品才能畢業。費曼雖然就讀的是物理系，但他顯然在那裡如魚得水，很多小花招，包括幾分鐘內打開保險柜，在同學面前表演神秘的"心算"，在樂隊里大敲架子鼓等等都是在那裡學會的。　　　　費曼向來不喜歡別人把他看成知識分子，而寧願被看成一個普通的男子漢。他一聽到別人談到詩歌，文學或者藝術之類高雅的字眼的時候，就連忙躲到一邊。在他心裡，也許只有膀大腰圓的鋼鐵工人，吹著口哨的西部牛仔，粗聲粗氣的美國大兵才夠得上男子漢三字。　　　　戰爭期間費曼穿上嚮往已久的軍裝參加了秘密的曼哈頓工程。可想而知紀律森嚴的基地和飛揚跳脫的費曼是多麼的不相適。他也曾不知輕重地開過幾次玩笑，但被長官黑著臉訓斥之後就老實下來。　　　　枯燥的生活使這位年青人悶悶不樂。一次，大數學家馮?諾伊曼看到他沒精打採的樣子，就問他究竟怎麼了。　　　　這位諾伊曼先生可是一位了不起的人物，他不僅是電子計算機的發明人之一，而且為完善量子力學的數學體系亦出過大力。費曼一向對他很是欽佩，就向他傾訴了自己的煩惱。　　　　諾伊曼微笑地拍著他的肩膀道："何必自尋煩惱呢，你根本沒有必要擔負這麼多的責任，最重要的是開心，不光讓你自己，也讓周圍人。" 　　　　費曼的臉上立時笑容重現，他把這幾句話牢牢記了一輩子。　　　　閑暇的時候，費曼經常給同事們表演驚人的"心算"，其實費曼焉有這等本事，他只不過把幾個基本常數記熟後簡單地進行一些加減乘除罷了。大家被他的本領唬得都是一愣一愣，惟獨同屋的維格納，也是一位出色的理論物理學家，始終不動聲色。　　費曼決心露一手給他瞧瞧，有一次維格納外出的時候他故意把實驗室里的計算機線路掐斷。等他回來的時候，費曼弄了些複雜的計算任務裝作漫不經心的樣子交給他，自然費曼早就把答案背得滾瓜爛熟。　　　　維格納稍看了一眼就算起來。費曼在門外正想像維格納求助自己時假裝一陣心算後報出答案的得意情形，誰知道沒過幾分鐘維格納就推門走了出來，給出的結果居然和費曼掌握的完全一致。少么？" 　　　　"11083.06。"維格納頭也不回地走了。　　　　　　　　費曼驚訝地叫起來："計算機不是壞了么？" 　　　　維格納抬起頭，更吃驚地道："你是的說寫字檯邊的那一台么，上個月就出問題了，不過對我來說影響不大，我一向是用腦子和筆的。" 　　　　費曼最後絕望地喊道："你能一口答出5.5的5.5 次方是多　　　　自此費曼再也不輕易表演心算了，他把心思更多地花在如何打開保險柜上面來。　　　　當時很多關於原子彈的秘密文件都放在總部的保險柜里，而管理員是一個傲慢自大，幾次給費曼難堪的上尉。費曼連夜潛進辦公室里去，開保險柜他是老手了，僅憑轉動數碼盤的咔咔聲他就能大致判斷密碼是什麼，不幾分鐘就能把櫃門弄開，並在櫃中顯眼的地方留下字條，上書"鬼精靈到此一游"，"我是納粹"，"看來管理員的智商並不怎麼高呀"之類的話語。他一想到第二天管理員當著將軍的面打開保險柜時的尷尬場景就禁不住好笑。　　　　不久後將軍居然親自找到他，開門見山就問道："費曼，聽說你很擅長開保險柜。" 　　　　費曼嚇得腿都哆嗦了。　　　　然而將軍並不在意，繼續說道："我屋裡的這個保險柜密碼忘掉了，你能幫著打開么？" 　　　　 "當然可以。"費曼總算定下心來。　　　　他誇張地要了兩柄鐵鎚，三把鋼鋸，然後請將軍和門外圍觀的人稍作迴避。費曼把門關上後，稍轉了幾下數碼盤，就把櫃門打開，在其餘的時間裡，他就用鎚子和鋸子把櫃門毀得稀爛，聲響之大幾乎整棟大樓的人都聽得見。　　　　將軍很滿意費曼的傑作，但沒過幾天他就命令所有大樓里的保險柜必須重新換過。　　　　新保險柜裝上之後，費曼無論怎麼也試不出密碼了，這使他大為光火。不料健忘的將軍又一次把密碼忘掉，不用說又把專家費曼請來，不過專家這次也無能為力，將軍只好從生產廠家那邊請來技術人員。　　　　一個中年人叼著煙捲全副武裝地走了進去，過了將近一個小時他才晃晃悠悠出來，保險柜開了。費曼馬上把他請到酒吧里，他知道那些明晃晃的十八般兵器都不過是虛張聲勢，這位老兄倒也是直人快語，幾杯啤酒下肚，就告訴他全部秘密，原來每批保險柜出廠的時候都有一個內定密碼，而將軍他們居然懶得連這個密碼都不換。　　　　費曼肚裡暗暗好笑，從此保險柜的失密事件又是層出不窮，很多至今仍在美國國家安全局的檔案上記錄在冊。　　　　　　　　最令費曼吃驚的是一次他在酒吧里和舞女的談天。有個濃妝艷抹的女郎盯了他半天，突然說道："您大概是位物理學家費曼吧。" 　　　　這是費曼第一次在此種場合被人識破身份，表情有些不自然起來。　　　　那位舞女不依不饒，繼續說道："您應該認識蓋爾曼先生，或者施溫格先生吧！" 　　　　費曼險些把嘴中的酒水一口噴出來，蓋爾曼也是一位出名的物理學家，跟自己關係再熟不過，他也喜歡來這種地方自己倒是從無耳聞，至於她如何識得從不露頭的老夫子施溫格，簡直就是匪夷所思。　　　　更令費曼吃驚的這位女子居然把他們幾人最近的工作說了個大概，雖然有些專業術語用得不夠準確。　　　　費曼哪裡還有心思跟她閑聊，連忙借故告辭，邊走還邊心有餘悸地想，這個世界怎麼變得連我都快認不出來啦？退到門口，才看見那位舞女的座位上放著一本最新的《時代周刊》，蓋爾曼，施溫格和自己的相片位於封面最醒目的位置上，不用說裡面有更詳細的介紹。　　　　原來如此，費曼擦擦頭上的汗。不光在生活上，即便物理學上的費曼在大部分人眼中都是只知道瞎胡鬧的狂人。但是他們都看走了眼，費曼算得上是整個時代最機智的物理學家。　　　　他對量子力學的原先的表示方法極為不滿，乾脆自創了一套路徑積分的方案，很多人初看幾乎笑掉大牙，但後來證明，這是和薛定諤的波動方程，海森堡的矩陣力學鼎足而三的重要表述，量子場論找到了一個突破口。　　　　當費曼處理到重整化問題時，開始也是被駭人聽聞的計算量嚇得半死。但他又想起了小時侯的花招，一條直線就代表一長串公式，一條波浪線又代表另外一串，如此一來計算倒是大為簡化，只是公式變得有些慘不忍睹，他可不管這些，只要有用就行，這是美國人典型的實用主義的作風。　　　　多虧費曼找到了圖解的辦法，即使在今天，所有物理系的學生一看到課本上有施溫格名字的地方就煩厭倍增，因為這意味著後面不知還要緊跟多少費解的公式，而看到費曼時則大多喜笑顏開，簡單地寫寫畫畫就解決很多麻煩的問題，單就這一點來說費曼對後世學子就算得上惠澤無窮。　　　　　　　　但在那次大會上，儘管費曼陪盡小心在黑板上畫著一個又一個迷人的圖案，台下眾人仍是神色不善，尤其玻爾一直鐵青著臉。到後來，玻爾又一次忍不住站了起來，不客氣地道："費曼先生，我的建議是您應該重新進學校好好重修量子力學。" 　　　　這次會議不歡而散，但此後人們逐漸發現施溫格和費曼的方法都可以用來處理場論里一些最複雜的問題，尤其費曼的圖解法更是堪稱經典。慢慢電磁場的各類問題全部迎刃而解，場論在電磁場中的分支量子電動力學(QED)成為迄今為止最精確的理論。　　　　精確到何種地步呢？電子的磁矩，原先單純用量子力學來算偏差極大，而經過量子電動力學的修正，實驗和理論的誤差被控制在100億分之一的範圍內，而且顯然誤差的問題還是出現在實驗那邊。人類直到今天，還沒有一種理論能象量子電動力學一般如此精確地預言自然界。　　　　　　　　看來施溫格和費曼當之無愧是量子場論中收復河山的人物，但事情到這裡沒完，遠在日本的湯川秀樹的好友朝永振一郎也曾發表文章闡述了自己對量子電動力學的基本看法，他的路數雖然複雜不堪但與前面二人全然不同，由於戰爭期間訊息的阻隔，當美國的同行們知道後，已經是1949年了。　　　　所有的人看到朝永振一郎的文章後都面面相覷，一下子出來三種不同的解釋，看起來又都說的通，究竟是怎麼回事呢？　　　　這個世界上當真奇才代出，美國的戴遜居然完美地證明出這三種理論完全等價。他只怕是當時世界上唯一能夠徹底弄通這三種理論的人。界於玻爾始終頑強的反對，這三人直到1965年玻爾逝世後才分享了當年的諾貝爾物理獎，戴遜在給他們每個人發的祝賀電報上只有兩個字，"終於"。　　　　當施溫格接到祝賀他的諾貝爾獎的電話時，他正在給研究生講課。他在電話里只是簡單地說了聲"知道了，謝謝。"，然後回到課堂繼續他那些複雜公式的推演。不料研究生們也同時知道了這個喜訊，他們再也按捺不住喜悅的心情，一個個跑出去籌辦慶祝晚會去了，只有施溫格一個人孤單地站在講台上，認真地在黑板上寫上最後一個公式的最後一個字母。　　　　當費曼接到電話時，他反問了對方一個做夢也想不到的問題"聽說在諾貝爾獎領完獎後，必須雙手捧著獎章，眼光平視著國王一步步倒退著走回自己的位子上，真是這樣么？如果一不小心摔倒那多難堪呢？"為此費曼還特地在學生面前反覆演練，突然費曼又發奇想，如果我在領獎的時候象青蛙一般一邊倒退著蹦回座位上，一邊嘴裡呱呱地叫個不停豈不更妙？　　　　他在學生助威的爆笑聲中企圖改練蛙跳，幸好消息傳來領獎人完全可以轉過身走回自己的座位上，要不然這位科學頑童只怕真要演出一場轟動天下的鬧劇了。　　儘管新粒子的數目不斷增加，但人們對此仍不滿意。因為所有的新粒子都只是在宇宙射線中找到的，物理學家們不得不把笨重的實驗儀器一次又一次搬到高山上去，因為在那裡宇宙射線受到的阻礙才稍微小一些。在大部分情況下，人們揉搓著山風刮裂的臉膛，依舊無所收穫，尤其是宇宙射線中的新粒子幾乎被發現殆盡之後。　　　　所有人的夢想是能直接在舒適的實驗室里能夠一邊品著咖啡，一邊觀測新粒子的誕生，而這個夢想直到勞倫斯先生的加速器誕生之後才真正實現。　　　　歐內斯特?勞倫斯，祖籍挪威，但他本人倒是充分具備了冒險開拓，一往直前的美利堅精神。美國誕生的物理學家一般都有這樣的特點：很少有人大談玄妙的哲學思辯之類的問題，清晰實用一貫是他們研究的主旨，這可能與美國人率真的天性有關。　　　　從嚴格意義上來說，勞倫斯更象是一位發明家，一位堪與愛迪生相媲美的大發明家。而他在公眾輿論中藉藉無名，無非是他發明的加速器對普通人的生活來說影響甚微，但在物理學界來說，很難再有比這更重大的貢獻了。如果把人們對粒子世界的探知比喻成一場戰爭的話，勞倫斯教授無疑是那個發明了槍炮的人。　　　　在他所在的伯克利輻射實驗室中，彙集了一大批核物理和粒子物理學的精英，人們在理論問題上經常可以和這位威嚴的領導發生激烈的辯論，但在技術工作的細節上從沒有人會班門弄斧。勞倫斯先生根本不聘用專業的維修工，事實上也很難找到比他更精熟加速器的各個構件的人。一旦出了故障，他會親自帶著鉗子和螺絲刀爬上高大的加速器，每一顆螺釘，每一根電線都細細查過。　　　　他的觀點一貫是只有想不出的，沒有做不到的，所要付出的只須是埋頭苦幹和靈活的頭腦。　　　　靈活的頭腦有時比埋頭苦幹更起作用，回旋加速器的發明便是一例。當時造加速器的最大目的就是讓粒子獲得更大的速度，從而具有更大的能量，在激烈的碰撞中就可能出現一些新粒子。而讓帶電粒子加速，唯一的辦法是將粒子置於電場里。如此一來，電場兩端的電壓須得極高（幾十萬伏甚至更高），加速管的長度也必須極長（幾十米以上）。　　　　單是高電壓倒也罷了，這幾十米長的真空加速管的造價就讓人目瞪口呆，更何況那時的真空技術遠談不上完備。而勞倫斯另闢蹊徑，他將加速管作成圓餅型，利用粒子在磁場中的偏轉輕易地就把各類粒子加速到極大的能量，而所需的電壓僅是市電即可（220伏），圓盤的半徑也不過是一米左右。　　　　自此各國之間就掀起了一場高能加速器之戰，在整個二十世紀的後五十年，唯一能和核武器及空間科學上激烈競爭相媲美便是加速器的競爭，而這方面政府投入的金錢比起前兩者來說一點也不見得少。　　　　每個國家都有她引以自豪的巨型加速器，這幾乎成為一個國家的科技象徵，美國有費米國立加速器實驗室和斯坦福的直線加速器，歐洲有大名鼎鼎的歐洲核子研究中心(CERN)，中國有高能物理研究所的正負電子對撞機。　　　　只須鳥瞰一下費米國立加速器實驗室便知其規模。整個加速器的半徑已經是1公里，在中心矗立的是一棟16層的雙塔型控制台。若說整個實驗室完全是堆建在金錢上的一點也不過分。鋪設管道的表面層鍍的都是貴重金屬，而長大幾公里的粗大管道全部抽為真空，單就耗電量而言，就不下一個繁華的大都市。　　　　即便如此，地球上最優秀的實驗室里引出來的粒子最高能量也不過是幾十千兆電子伏特，比起宇宙射線中測到的最高能量一萬億億電子伏特差得仍是極遠。　　　　物理學家們竭盡全力在實驗室里模仿宇宙誕生時的粒子狀態。按照宇宙大爆炸理論，整個宇宙大約是200多億年以前由一個點突然爆炸膨脹而成，那個時候整個宇宙的能量（包括質量）都集中在那個點上，那裡的粒子能量之高更是遠非一般人所能想像。　　　　到了二十世紀，物理學本身已經起了極大的變化。單憑一時心血來潮就個人組建一個實驗室的時代已經遠遠過去了，即使是幾個好心慈善家的捐款也無濟於事，只有政府能夠提供如此之巨的資金。而且就政府而言，他也是嘗到甜頭的，比如二戰期間的曼哈頓工程。只有財力充沛的國家才有資格領導物理學的發展，這也是不爭的事實，然而即使是天下首富的美國也為動輒幾十億的投資傷透腦筋，唯一能夠遏止加速器的發展勢頭的就是金錢。　　如此眾多高能加速器的建立並沒有使所有的物理學家高興起來，當然不是發現的粒子太少了，恰恰相反，是太多了，如果說五十年代以前的實驗室尚能算是新粒子的博物館，那麼幾年之後簡直就是難民營，前後一共有900多種"基本"粒子脫穎而出，那些認定自然界由很少一些基本元素組成的物理學家們各個大跌眼鏡。　　　　從某種意義上來說，五十年代的粒子物理學家更象18世紀的化學家，他們當年也是在為尋找各種物質的組成元素而大費周章。　　　　擺在物理學家面前的首要問題就是如何將千奇百怪的新粒子中找到某種秩序。當然首先是按質量排隊，質子，中子，以及比它們還重的各類超子被統一划為重子，電子，中微子，μ子歸為輕子，質量介於二者之間的如π介子，K介子之類被稱為介子。　　　　這些粒子還可以再分下去么？哲學家倒是口氣篤定，物質當然是無限可分的。如果還能再分下去的話，自然首先應該從重子和介子著手，它們過重的質量早就引起人們的懷疑。　　　　還在1949年，還在攻讀博士學位的楊振寧和他的導師費米就發表過一篇題為《介子是基本粒子么》的論文，他們建議π介子是由中子，質子和它們的反粒子組成，它們結合在一起的時候，絕大部分的質量都轉為能量存儲在介子內部，這倒可以勉強解釋介子的質量何以只是質子或中子質量的十分之一。但是一時找不到實驗證據，人們只能姑妄聽之。　　　　　　　　首先找到突破口的是美國物理學家蓋爾曼，他是世界公認的粒子物理中權威中的權威。在1966年伯克利召開的國際粒子物理大會上，來自世界各地的粒子物理學家會聚一堂。那時的粒子物理已經發展得規模初具，大家都覺得很有必要就這些年的發展作些報告，在這種有具有重要意義的大會上哪怕只發表五分鐘的講演都會榮耀終身的。有人拿出紙筆將兩個半小時的報告會細細分成十分鐘一段，但是即便如此各國來賓仍是你爭我奪，各不相讓。最後一人提議道："你們也別爭了，乾脆都讓蓋爾曼一個人講就行了。" 　　　　所有在場的人無一提出異議。　　　　最後還是蓋爾曼帶著自信的微笑講滿了全場。　　　　蓋爾曼首先把楊--米爾斯理論拓展到強相互作用中去，藉助群論的一個重要分支--李群很快找到了粒子的八重法分類方案。在他的理論構架中，任何粒子必定屬於八類表示方法中的一種。　　　　蓋爾曼本人是最擅長給各種新理論起名字的，這可能與他父親是位語言學家有關。蓋爾曼小時侯各科成績極為優異，但他寧願一個人躲在屋裡啃讀那些發黃的語言書籍而不願去教室。他最大的願望是掌握十五門以上的語言，而不是在物理學上有所建樹，這個願望直到他學通了斯瓦希里語後才算大功告成。　　　　他起的八正法這個名字就是源於佛教中八種免除人生痛苦的勸說。有人說他在宣揚東方神秘主義，對此他非常憤慨，物理學可是絕對不會跟任何形式的神秘主義扯上關係的。　　　　八正法的分類非常成功，蓋爾曼據此預言出一個新粒子--Ω粒子，不久美國布魯克海文國家實驗室就證實了他的預言。能如此成功地預言新粒子，在物理學史上還是第一次。自此，粒子物理翻開了新的篇章。　　　　學界被這顆耀眼的新星弄得眼花繚亂，很多人都加快了研究步伐，惟恐被蓋爾曼後來居上。無論是哪個國家的粒子物理學聚會上，人們在一起第一個話題就是"你們誰知道蓋爾曼最近在幹些什麼嗎？" 　　　　但是沒過多久這句話又變成"可憐的蓋爾曼走入死胡同了。" 　　　　這位蓋爾曼先生的確走入了死胡同，他在企圖尋找粒子更為基本的結構時苦陷泥潭，因為他隱約發現這類更基本的結構具有極為奇異的性質，比如說，分數電荷。自本世紀初湯姆遜發現電子，人們都是公認電量最小的單位就是電子攜帶的基本電荷，可是現在居然有人認為還存在電量是電子電荷三分之一一類的結構，豈不讓人笑歪了嘴巴。　　　　蓋爾曼首先把他的新理論通知正在大洋彼岸講學的導師外斯科夫。外斯科夫剛聽他說了幾句就打斷道："這可是越洋電話，我們不要把錢花在此類無聊的遊戲上好不好？" 　　　　但實驗物理學家中倒是颳起了一陣旋風，他們都發了狂一般在加速器和宇宙射線中尋找帶有三分之一基本電荷的古怪粒子，人人心中都清楚如果找出來無疑是獲得諾貝爾獎的題材。有人猜想可能在早期的宇宙中存在這種粒子，於是又考察高山的岩石，海底的地層，地面的隕石甚至從月球上帶回來的岩石樣本上卻仍一無所獲。當真是上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見。　　　　最後蓋爾曼又突然站出來宣稱這類基本結構被永遠禁錮在粒子的內部，是不可能觀測到的。全世界的實驗家無不心中暗罵，單憑他的幾句不知深淺的話就耗去了大量的錢財和精力，而理論家聚在一起的第一句話又變成"看來這次蓋爾曼先生真的要進瘋人院了。" 　　　　可此時的蓋爾曼埋頭於他的辦公室中，聽不到外面的怨聲怨語了。在他的論文中，他創造性地引入了這種比強子和介子更基本的結構。經過幾個不眠之夜，他居然把幾百種千奇百怪的粒子用三個更基本的單元象拼七巧板一般拼了出來。可想而知他的心中多麼激動，這可是與當年門捷列夫的元素周期律相媲美的發現呀，至於理論物理學家們的不屑一顧，實驗物理學家們的衝天怨氣都一邊歇著吧。　　　　蓋爾曼本身就是一個離經叛道的人，要不然也不會和科學頑童費曼成為至交好友。　　　　最後的工作又是蓋爾曼的拿手好戲，給這三個古怪的新單元命名。他靜下心來一想，這些可憐的小傢伙還未出生就倍遭世人的冷眼，乾脆來個惡作劇，就叫它為夸克(quark)吧。他讀過喬伊斯的意識流小說《芬尼根徹夜祭》，喬伊斯的小說向來晦澀難懂，變態得無以復加，他不但隨手引用各種語言中最偏僻的俚語，甚至把單詞里字母的順序都顛倒得亂七八糟，但只怕正是這一點才大合精通語言學的蓋爾曼的胃口。　　　　在那本書中有一段馬克先生的詩行：　　　　 "夸克……夸克……夸克……" 　　　　三隻海鳥伸直脖子，　　　　一齊沖著紳士馬克。　　　　但除了三聲夸克，　　　　馬克一無所得，" 　　　　夸克是蘇格蘭一種野鴨的叫聲，稱得上是鳥類研究專家的蓋爾曼對此是再熟悉不過了。一種叫作上夸克，一種叫做下夸克，另一種叫奇異夸克。質子就是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。　　　　每種夸克都有自己的"顏色"和"味道"，這次蓋爾曼大概是幽默到頭了，怎麼聽起來這些夸克都象是餐桌上的布丁。　　　　全部重子和介子的基本結構都找到了，至於那些電子之類的輕子它們本身就沒有更基本的單元。蓋爾曼認定夸克只有三種，倒不是全無根據，因為當時發現的輕子一共就三類，電子，μ子，中微子。　　　　自然界存在一種神秘而又和諧的對應關係。　　　　不久實驗方面傳來令人震驚的消息：第四種輕子，與μ子相關的中微子被找到，以前的那種中微子則僅是電子性中微子。格拉肖，一位紅髮的理論物理學教授，馬上意識到一定還有第四類夸克與之相對應。　　　　如果說蓋爾曼先生的夸克理論已經是空中樓閣的話，格拉肖則更是企圖在這晃晃欲墜的樓閣上再加蓋一層。　　　　格拉肖得蒙施溫格教授的真傳，施溫格先生經常在第一天的課上莫名其妙地在黑板上寫下一大堆公式，學生們在底下抄得不亦樂乎，但在第二天和學生見面說的第一句話是："對不起，上節課我推導的公式全部錯了。"不過格拉肖最是欣賞老師這種坦誠的風格。　　　　他將第四種夸克的英文名稱"charm",意思是有魔力的，中國的物理學家王竹溪教授將之譯為粲夸克，不但音近，而且意同，信，達，雅三美俱備。　　　　這種夸克倒也真算得上魔力非凡，1964年格拉肖就提出來預想，十年之內都沒有任何人找到這種夸克組成的粒子。　　　　在所有此類粒子中結構最簡單就是由正反粲夸克組成的介子。格拉肖一直對此寄有厚望。但到了1974年，在美國波士頓的東北大學舉辦的一次介子專家的例會上，忍了十年之久的格拉肖再也受不住了，他與所有與會的人都打了個古怪的賭，在明年的下一次例會上只能出現以下三種情況：　　　　其一，粲夸克依舊發現不了，那麼格拉肖當眾把自己的帽子吃下去。　　　　其二，粲夸克被在座的介子專家發現，那麼大家一起開香檳慶賀。　　　　其三，粲夸克被外行的物理學家發現，那麼所有在座的介子專家都要把自己的帽子吃掉。　　　　就在當年的11月，在布魯克海文國家實驗室的美籍華人丁肇中以及斯坦福直線加速器實驗室的里希特同時找到了這種介子，粲夸克的存在被證實了，這就是轟動物理學界的11月革命。夸克再也不是可笑的玩偶，而是真正的物理實在。　　　　在第二年舉辦的介子會議上，格拉肖得意洋洋地看著那些介子專家們，因為無論是丁肇中還是里希特都應該算是介子物理的外行，他正在疑惑這些彬彬有禮的紳士們怎麼實踐他們的諾言，突然就止不住哈哈大笑起來，因為服務員給他們每人端上一盤糖果，就是形狀象墨西哥草帽的那一種。　　　　隨著輕子數目增加到六個，相應的夸克也增加到六個，新增的成員一個叫頂夸克，一個叫底夸克。1977年就找到了底夸克，當然是皆大歡喜，頂夸克就費事多了，直到1995年才由費米實驗室的工作人員找到，實驗測量的各項性質與與理論預言地奇蹟般吻合。　　　　到今天為止，粒子物理學界共認的就是如下的標準模型。　　　　組成世間萬物的基本粒子一共有三代：每一代都由兩個夸克和兩個輕子組成，而且一代比一代重。列表如下：　　　　　　　　第一代（輕）第二代（稍重）第三代（重）　　　　夸克上夸克，　　　　下夸克粲夸克，　　　　奇異夸克頂夸克，　　　　底夸克　　　　輕子電子，　　　　電子性中微子 μ子，　　　　μ子性中微子 τ子，　　　　τ子性中微子　　　　　　　　標準模型的最後一個預言是超重的希格斯粒子的存在，如果它被找到，無疑又是大大前進了一步。但是一場無妄之災降臨到正是雄心勃勃的粒子物理學家的頭上，1993年他們滿懷希望的20TeV×20TeV超導質子對撞機意外被政府中止了，兩千多名高能物理專家和工程技術人員面臨失業，餘波影響之下，很多著名實驗室的科研經費也遭縮減。大概美國政府也終於吃不消動輒上百億美元的巨額資金了，而民意測驗表明百分之八十以上的老百姓都堅決反對白宮把錢投入到這場無聊的消耗中，要知道一億美元就能為幾萬失業工人提供豐厚的救濟金。　　　　實際上更多的理論家倒是希望標準模型大難臨頭，最好證明希格斯粒子根本不存在才好。因為標準模型本身也是繁瑣之極，它的基本組成少說也有61個之多，其中正反粒子48個，規範粒子（例如光子，傳遞夸克間作用力的各種膠子）12個，希格斯粒子1個，有無第四代還尚在未知之數。　　　　物理學向來是以簡潔為美，這個模型看起來就這麼令人生厭到不如推倒之後重新來過，但奇怪的是迄今為止還沒有發現與標準模型相矛盾的地方，除了尚待確認的希格斯粒子之外。　　　　理論家們的工作本身也遠稱不上完善，當夸克模型建立之後他們迫不及待地把在電磁場中大發神威的量子場論運用到夸克的強相互作用上去，這就是名噪一時的QCD，量子色動力學。但是它可不象它的兄弟量子電動力學那般出色，各種預言能說准百分之五十那就算是出奇的成功。歸根到底還是強相互作用實在太複雜了，在這最緊要的關頭上帝終於出手蒙上了人類的眼睛。

物理學與物理學家們(9)——低溫下的奇蹟 --凝聚態物理的發展　　 1962年1月7日，一輛救護車呼嘯著奔駛在蘇聯南部的高速公路上，幾分鐘之前有位莽撞的醉漢將一輛伏爾加轎車撞出路基，車上的一位中年人當時就是不省人事。　　新聞界對此事僅僅略微提及，但整個蘇聯的物理學界都被深深震動了，蘇聯的知名物理學家幾乎全部都聚集到醫院裡，有的人甚至連夜乘飛機從遙遠的西伯利亞趕來。冬日的嚴寒並沒有把所有的人都驅趕到屋內，有人在醫院門外苦守了一夜，長廊上一排排的燭光搖曳不定，這是古斯拉夫人的習俗，如果燭光能保持一夜不滅，那麼病重的人一定會得到康復。　　豈至蘇聯，全世界的物理學家都行動起來，已經步入垂老之年並且久病纏身的學界領袖玻爾親自安排了第一流的醫生遠赴莫斯科，這在針鋒相對的冷戰期間是極為罕見的　　這位幸運的傷者昏迷了整整四十天後，終於能夠開始說"謝謝"。但是他那第一流物理學家的頭腦終究是鈍化了，即便如此，當年的諾貝爾物理獎仍是由他榮獲，甚至諾貝爾獎基金會考慮到他的身體原因，第一次打破慣例由瑞典駐蘇大使代為宣發。　　他的名字叫做列夫?達維多維奇?朗道。他在凝聚態物理中的貢獻，彷彿玻爾於量子力學。　　　　眾所周知，複雜的物質形態可以分為三類：氣態，液態，固態。凝聚態就是指後面兩者，與粒子物理和核物理不同，它深刻地影響著我們生活的方方面面，從各種常見的金屬，合金到新型的半導體，超導材料，從玻璃，陶瓷到各種聚合物和複合材料，從光學晶體到各種各種液晶材料都是屬於這一範疇。凝聚態物理本身也成為近幾十年來發展最為迅速，門類最為繁複的物理學的重要分支。　　凝聚態物理根源於固體物理。早在19世紀，人們就對固體中的晶體結構就頗有研究。晶體在我們這個世界滿眼皆是，漫天飛舞的雪花，常見的食鹽，晶瑩璀璨的水晶都是晶體，它們之間的共同特徵就是都有著排列齊整的微觀結構，這在物理學上被稱之為點陣。　　 1848年，法國物理學家布喇菲就成功地導出了晶體空間的14種排列方式，對應著32種對稱類型，囊括了所有的2000多種晶體。這是在物理學上第一次運用了群的觀念。事實上二十世紀的物理學最重要的物理理論只有兩個字，一個是"群"，一個是"場"，不管在粒子物理，還是在凝聚態物理中都是如此。　　 1912年德國的勞厄發現了X射線在晶體上的衍射，這不光在固體物理髮展史上的一個里程碑，而且在人類的發展歷程中都值得大書一筆。因為人類自此可以通過衍射的花紋觀察到微觀物質的結構，在1953年英國的生化學家克里克和沃森通過X射線的衍射推導出著名的DNA雙螺旋結構，揭開了生物的遺傳之謎。　　緊接著英國物理學家布拉格，湯姆遜的學生，制出了世界上第一台X射線譜儀，一大批優秀的青年物理學家聚在他門下，包括曾經幫助玻爾驗證舊量子論的莫塞萊，他們通過X射線探知了各種複雜的結構，並且整理出一成套規範的操作流程，為此布拉格獲得1915年的諾貝爾物理獎。　　當30年代末盧瑟福謝世之後，布拉格就接任了卡文迪許實驗室主任，這是一個倍受注目的席位。前任盧瑟福曾經率領著實驗室中的年青人在核物理的研究上取得過突破性進展，當時在世界上都是聲名赫赫。但布拉格一旦接手，他卻把工作重心轉移到固體物理中。很多人對這般輕易地放棄核物理研究的前沿陣地感到不可理解，布拉格微笑地向他們解釋道，在核物理上我們英國人已經教會別人怎麼做了，接下去也該幹些別的了。　　他還大膽支持一些邊緣物理學的研究，比如藉助X光對蛋白質和DNA等生物大分子結構的探測，利用戰後英國空軍廢棄的雷達改造成射電望遠鏡，這都是後來獲得諾貝爾獎的課題。　　一些人對研究所不再搞核物理與粒子物理大失所望，但布拉格無疑是極有遠見的人物，英國維多利亞時代的全盛時的風光已經過去，現如今一步步在走下坡路，在需要大筆資金投注的高能物理上英國是無法與經濟發達的美國競爭的，倒不如利用手中的設備另外開闢一些新的領域。　　在布拉格的卓越領導下，他們開展了廣義晶體學，電子晶格成象技術，掃描顯微鏡等研究，並為今天的如日中天的材料科學的發展奠定了基礎。凝聚態物理的另一個源頭就是低溫物理。早在1823年，著名的實驗物理學家法拉第在一次氯氣實驗中就偶然發現密封的試管壁上出現暗綠色的斑點，他試圖把試管拔下來，結果發生了爆炸，雙眼都被炸傷。但他也猛然省悟到那綠色的斑點一定就是液化的氯氣，只要加大壓強，任何氣體都會液化的，而液化的溫度通常是極低的，這為人類製造低溫創造了條件。　　到1845年的時候，法拉第就已經幾乎全部液化了所有的液體，並且製造出一系列低溫庫，最低溫度達到過-110c，但奇怪的是有六種氣體始終液化不了，它們是氧氣，氮氣，氫氣，一氧化碳，二氧化氮和甲烷。　　法拉第之後，人們完善了各項低溫設備，並且採取逐級降溫和定壓氣體膨脹的方法把這最後六種氣體也得以液化。1895年英國的化學家從礦石中分離出一種新元素氦氣，如果能把它液化必然又能使溫度更加接近絕對零度。　　當在荷蘭萊頓大學物理實驗室擔任主任的昂納斯聽到這個消息時，他滿有理由相信這個能液化氦氣的第一人一定是自己。　　從1882年`昂納斯剛接手實驗室的那一天起，就決定把把實驗室的全部研究方向確定為低溫物理。經他十多年的苦心經營之後，該實驗室已經在低溫方面已經是首屈一指。而他本人也是公認的低溫物理的權威。　　昂納斯也是歷史上明了如何創立現代意義上的實驗室的第一人。很早他就在萊頓創立了一所技工學校，專門培養儀器製造工人和玻璃吹制工人，他們都為低溫實驗室的發展作出過巨大的貢獻。實驗還有一個困難就是氦氣太貴，而昂納斯頗有生意人那種精明的頭腦，他通過兄弟的私人關係，直接從礦場買到廉價而純凈的氦，單這一點來說，其他實驗室都是望塵莫及。　　條件如此之好，但這一努力下來也是直到1908年7月10日晚上9點才獲成功。世界上最難液化的氦氣終於俯首稱臣，獲得的低溫也達到創記錄的4K(-269)。昂納斯終於獲得了當之無愧的"絕對零度"先生的稱號，1913年他憑此獲得諾貝爾物理獎。　　隨著低溫的獲得，昂納斯發現了一些不可思議的現象。　　我們知道，一般金屬的電阻都會隨著溫度的降低而減小，因為金屬的導電性全部是由其中的自由電子帶來的，在一般的條件下，自由電子會朝各個方向運動，從而產生電阻。溫度降低之後，這些電子被"穩固"住一些，自然就會規矩多了，電阻也會小了許多。　　當時關於低溫電阻流行的說法是當溫度最終接近0K時，電子就會完全凍結在金屬上，再也不能擔負傳遞電流的任務，從而就會變成無窮大。這種想法是極合邏輯的，但是這不過是經典物理的延伸，考慮到量子效應的話就遠非如此了。　　昂納斯的初衷是想找到一個溫度的臨界點，過該點之後，電阻將會急劇攀升，這也是很有意義的事情。誰知道溫度降低之後，電阻不但遲遲不見回升，臨界點倒是找到了，但過了以後電阻陡然下降。　　為了確認超導態下的金屬電阻究竟小到什麼程度，昂納斯設計了一個巧妙的實驗，他降低溫度，把一個閉合的鋁製線圈置於超導態，然後撤去磁場，觀察產生的感生電流。結果幾個小時下去，未見電流有絲毫衰減的跡象，別說幾個小時，只怕就算再過幾百萬年也未必衰減得完。　　昂納斯在論文中這樣驚訝地記述道："在3K附近，金屬的電阻就降低到百萬分之三歐姆以下，這幾乎就是0，至少找不到和0的差異。"這也是人類第一次觀察到著名的超導電性。　　一下子很多人的注意力都被吸引到超導電性方面來了，這是一項極有應用前景的課題。誰都知道，全球每年單是耗損在導線電阻上的能量就是天文數字，如果常溫下的導線是超導體的話，這些能耗就會減小到零，而且會大大增加各種材料的使用壽命，當真是前途不可限量。　　但是常溫下的超導材料，即使在今天還是一個遙遠的夢想。當時萊頓實驗室的工作人員拼盡全力，找到的最高超導溫度也不過是10K。　　具有高臨界溫度的超導材料不能單憑實驗就能解決的，因為超導電性的機理尚不明曉。當時的量子力學還未出世，人們怎麼也想像不到，超導現象就是一種宏觀的量子效應。一直到1933年，長期苦無進展的超導物理才爆出另一個驚人的發現，低溫下的超導體是具有完全抗磁性的，這是著名的邁斯納效應。　　這麼多年以來人們只是被超導體的導電性所吸引，居然沒人注意到超導體的磁性，也算是奇事一樁。彷彿一卷畫圖，人們僅掀開一角，就被作者浩瀚的手筆所吸引，大發議論之餘卻沒人想到繼續攤開觀賞下去。　　何況當時的超導物理學家的頭腦還是受經典物理思想的束縛，很自然的想法便是，隨著溫度降低進入超導態，磁場也被凍結到物體內部。　　但當邁斯納剛接觸到超導體的磁學性質時，就覺得事情未必那麼簡單，他和奧克森費爾合作了一個實驗，並於1933年10月發表了一篇簡短的論文，這是超導物理學中一篇劃時代的文獻。　　瓦爾特?邁斯納出生在德國柏林，原先攻讀的專業是機械製造，後來改學物理，並成為超導物理的一位先驅人物。　　象他那樣出身工科的物理學家，往往更能注意到一些不為人所注意的細節。而邁斯納更能從這些細瑣的碎片中想像得到更深的物理內涵，實在是高人一籌。　　邁斯納效應的發現，更使人們對超導體的本質有了更深刻的認識，並為理論物理學家對超導物理機制的解釋奠定了堅實的基礎。　　　　最早對超導電性作出解釋的德國的弗里茨?倫敦和海因茨?倫敦兄弟二人。　　　　兄弟二人都是第一等的物理學家，而且一個精通理論，一個擅長實驗，這在物理學史上倒是頗為罕見的。　　哥哥F倫敦原先所學的專業是哲學，21歲時寫出的論文《論純粹理論認識的形式條件》就曾受大哲學家羅素等人的交口稱讚，後來他師從於索末菲和薛定諤，深得二人真傳。　　無疑他的研究工作帶有很重的哲學色彩，這也使他看問題比一般人都看得深遠，有的直到很多年後回過頭再看才能體會到他的遠見。比如說，他當年就預言出生物有機體成為超導體的可能性，這直到八十年代尋找高溫超導的熱潮中才被被人證實。　　 F倫敦也是把量子力學引入超導物理的第一人。玻爾對他的評價是，倫敦雖然沒能趕上參與量子力學的創建工作，但他運用量子力學作出了這個時代最出色的工作。　　他很早就提出一個驚人的預言：超導體不管體積多大，都可以看成一個大分子，量子力學的各種效應在這等宏觀物體上也是盡顯無遺。由此的推論是穿過超導環的磁通量必須是量子化的，就象玻爾在原子物理中對電子波函數的約定一般，這些在當時都是聳人聽聞的怪理論，但都在十餘年後的實驗中被證實。　　弟弟海因茨?倫敦深受哥哥的影響，善於把用精妙的理論和複雜的實驗手段完美地結合起來。　　大凡物理理論，一般來說分為兩類，一種是微觀理論，就是從本質上對物理現象進行解釋，一種是唯象理論，就是在更深入地了解微觀機理之前，用一些簡單有效的模型來作出解釋。大多情況下，唯象理論是微觀理論的必由之路。　　倫敦兄弟提出的唯象理論是：在超導體中存在兩類電子，一部分和普通導體的電子並無差別，另一類則與超導性相關，它們在運動時是不受任何阻礙的。在1935年他們發表的論文《超導體的電磁學方程》中，就根據這樣簡單的假設成功地說明了邁斯納效應。　　他們跟著提出著名的倫敦方程：這在超導物理中的地位如同經典電磁學中的邁克斯偉方程，或者量子力學中的薛定諤方程，如此精妙的方程建立在簡單的唯象模型上，倒也是個奇蹟。　　據此他們給出重要的預言：超導電流只是在超導體的表面極薄的一層內（厚度大約是萬分之一厘米）存在，不久後他們的預言得到證實。　　鑒於倫敦兄弟的巨大成就，從1960年開始，倫敦獎每兩年就在國際低溫會議上頒發一次，該獎項至今是低溫領域中的最高榮譽。　　超導理論中更引起人們關注的是超流現象。早在1911年昂納斯將氦氣液化之後，就發現這種液體與其他普通的流體性質截然不同。如果把液氦裝進一個小燒杯，它就會沿著燒杯壁慢慢朝上爬，直至溢出。如果你插入一個毛細管，甚至還會形成噴泉。　　但是所有的理論物理學家都對此一籌莫展，直到40年代蘇聯的朗道提出著名的二流體理論，翻開凝聚態物理新的一頁。　　朗道於1808年出生於俄國裏海附近的石油城巴庫，他不僅是蘇聯最偉大的物理學家，即使放眼全球，他也是一位不可多得的物理學全才。　　朗道自小身體瘦弱，再加上他本身是猶太人，免不了在學校里受同學們的欺負，但他生就傲性，旁人若是有一句話傷到了自己，便會拍案而起，拳腳相向，就算終因力氣不支被人痛毆，也始終不肯屈服。　　他的脾氣固然是出奇得大，學習成績卻也是出奇得好，但老師課堂上的講述是從來不聽的，在朗道眼中世界上配作他老師的只怕沒有幾人。老師們自然是不喜這個不知天高地厚的孩子，朗道也樂於被漠視，他倒可以藉此鑽研自己的數學。別的孩子還在為幾何，代數而絞盡腦汁的時候，他已經能做微積分的運算了。　　在13歲的時候，他就中學畢業，但馬上被父親送到一所經濟專科學校。他對經濟類的東西一點也不感興趣，於是再三爭取之下，第二年就轉學到巴庫大學。　　朗道是整所大學年紀最小的學生，卻偏偏同時攻讀數學和化學兩個專業，而且以全優的成績畢業。然後他轉到列寧格勒大學繼續學業，在那裡他遇上了蘇聯幾位最有名望的物理學家，象約飛，弗侖開爾，和幾位知己好友，象卡皮查，迦莫夫。　　當時的物理學正醞釀著風暴，量子力學也初現端倪，朗道決定了自己終身奮鬥的方向--理論物理。　　 1929年的時候朗道費勁周折，獲准出國，他自然先來到求賢若渴的玻爾研究所。當時那裡是明星聚會，而朗道展現的才氣連玻爾也是讚嘆不已，要不是他晚來了幾年，一定可以在量子力學的創立過程中大有作為的。但朗道的傲慢自負也令大家暗暗搖頭。　　一次，愛因斯坦來作報告，完後主持人請大家提出問題。朗道第一個站起來，語驚四座："愛因斯坦先生講的東西也許不是那麼愚蠢，但是他給出的第二個方程絕對不能由原始條件推理`而來，應該加上一條新的假設……" 　　周圍的人都無不聳動，自從愛因斯坦成名以來，天下只怕還沒人敢以這種口吻和他講過話倒是愛因斯坦歪頭沉思一會後，微微一笑道："年青人，你說的很有道理。諸位大可以把我今天講的全部忘掉。" 　　在玻爾的討論班上，他一度是最具活力的人物，沒有他的話討論班的很多成果都要不免大打折扣。而胖子泡利在研究所縱橫多年之後終於遇到了對手，只要他們二人一爭辯起來那也不是一兩個小時能說的清，道得明的。　　朗道在這裡卻也找到了終身景仰的人，那就是玻爾。這倒不是因為玻爾為人謙遜，待下親厚，朗道對個人品性一節向來瞧得極淡，但玻爾那種能地從紛繁的現象中抽象出物理本質的直覺，令他大為折服。在外人面前他一般不提自己的授業導師，卻每每自稱是玻爾的弟子，雖然他僅在玻爾研究所工作了四個月。　　其實，玻爾的嫡傳弟子雖然為數不少，但繼承他那種驚人的直覺本領卻只被朗道繼承了下來。當朗道在40年代面對液氦的超流這等難題時，就也能象玻爾當年面對同樣複雜的原子結構問題一般，單憑直覺就找到一條其他人想也不敢想的路子，若說有多麼嚴密的邏輯推理倒也談不上，但這條路卻是唯一正確的。　　他在實驗基礎還很不充分的背景下，就提出著名的元激發假設：超流液體有一個臨界的流動速度，當它低於此速度時可以無阻礙的任意流動，高時則會受阻。這個臨界速度就跟容器壁和液體相互作用時激發的最小能量有關。這個最小能量就是元激發。　　在這裡朗道第一個在凝聚態物理中引入了聲子的概念來說明元激發。所謂聲子，就是液體聲波場的量子。　　到今天，元激發已經成為整個凝聚態物理最基本的概念，人們不僅找到了聲子，旋子，准粒子，還有極化子，磁子，孤立子，相子等等。在各種不同的系統中尋找各種元激發已經是凝聚態物理的首要任務。　　當然朗道對物理學的貢獻遠不僅於此。在他五十歲壽辰的時候，世界各地的物理學家紛紛送來了賀禮，但他的同事們送來的禮品最是合他的心意。　　那是兩塊青石板，上面刻寫的是朗道在物理學中作出來的十項重要貢獻：量子力學的密度矩陣和統計物理，自由電子的抗磁性量子理論，二極相變，鐵磁鐵的磁疇理論，原子核物理的概率問題，液氦的超流，基本粒子的電荷約束，費米液體的量子理論，弱相互作用中的複合反演理論。　　這就是著名的"朗道十誡"，模式是仿照聖經中摩西代天主說出的十條戒律。摩西是遠古時代的以色列人傑出的領袖，他曾率眾歷盡千辛走出埃及，在蘇聯物理學家的心目中，只怕唯有朗道才有摩西那般天賦的氣魄和才幹。　　朗道對物理學的貢獻還遠不止這些，譬如重要的元激發概念就未能入選，但僅這十條就可見朗道涉足的領域遍布凝聚態物理，粒子物理，核物理這些物理學的重要分支，就這一點來說整個二十世紀也就只有楊振寧和費曼能相媲美。　　朗道也深深影響了蘇聯物理學界的一代學風。他自己的數學功底極為紮實，卻較少在成果中顯現，因他走的是玻爾的路子，更喜用簡單但深刻的物理模型來說明問題。　　但他對學生數學的要求竟是極嚴，凡他門下的弟子，每人都要準備上一大摞厚厚的本子，象小學生一般工工整整地作上幾千道繁難的數學題。臨畢業之前，還須經過他親自出題考核。這些考題涉及到理論物理學的方方面面，其中的數學已經困難到誇張的地步，偏偏還不許查書，題量又是極大，很多人一看到卷子就被嚇得面無人色。　　在朗道幾十年的執教生涯，總共也只有四十餘人闖過此關，這四十餘人後來都是蘇聯物理學界的中堅力量。所有學物理的人莫不視朗道的考試為畏途，一個新名詞"朗道位壘"應運而生，這是借用物理學的一個術語，只有那些能量極高的粒子才能穿過"位壘"到達一個新的區域。　　朗道對他的弟子教導極是悉心，但許多人還是很難掌握他那種跨度極大的推理方法。對於一種複雜的物理現象，朗道看一眼就能"蒙"出公式，旁人卻大多如墜雲里霧中。　　後來朗道在黑板上方懸掛了一幅油畫，上面畫的是藍天白雲之下，一牧人悠閑地吹著風笛，羊群則低著頭恬靜地吃草。大家怎麼也不懂這是什麼意思，直到畢業聚會上，一個學生才怯怯地向朗道提出這個問題，朗道莞爾一笑："那吹風笛的牧人么，是我，那羊群么，自然就是你們，我上課講的東西反正你們也理解不了，不就象這羊群一般么？"學生赧然退下。　　不管朗道如何狂狷倨傲，目中無人，每一個學生卻都是對他極為尊敬。朗道自己親自撰寫過一整套理論物理學，雖然帶有俄國人特有的繁瑣，但若能潛下心讀完，物理學的功底也會打得極牢。這套教材已經成為理論物理的標準教材，朗道的學生在此上都是受益匪淺。　　朗道分外地強調數學，這初看上去似乎過於羅嗦，甚至會模糊了物理的本質，但這正是朗道高明的地方，直覺和悟性只怕當真是神人天授，教是萬萬教不出的，倒不如老老實實扎好根基，他日逢遇機緣，大有作為也是情理之中。　　蘇聯的理論物理學家大多師承朗道，風格和美國，西歐的大是不同，西方的那些研究人員大可以在咖啡館裡面暢所欲言，捕捉片刻的靈感，而蘇聯的同行們往往拘於一室，皓首窮經，但幾十年下來，倒是蘇聯方面的成果勝上一籌，只不過當時美蘇對峙，蘇聯方面很多重要的論文只是在國內發表一下了事，從不拿到國際上和西方的物理學家交流，是以很多理論都被掛上了歐美人的頭銜，但蘇聯人的在物理學上的實力都是有口皆碑的。　　朗道雖然事業輝煌，一生卻是磨難重重，小時侯幾次重病都差點讓他見了上帝，年輕時遊歷歐洲回來後又莫名其妙地背上間諜的罪名，險些被終身流放在西伯利亞，在好友的全力幫助之下總算洗脫罪名，結果回到內地後又與當時的學界權威因脾性不合而屢遭排擠，及至名望日升的時候，卻遭遇車禍，使他再也不能從事理論物理的工作。　　 1962年卧病在床的朗道得知自己被授予諾貝爾物理獎，倒是大出他意料之外，諾貝爾獎一向為西方所把持，一個蘇聯人要想折桂那是難上加難，何況他生性高傲，國外的那些大家和他大多交情泛泛，言語之中只怕還得罪過不少人，但他沒有想到，也正是這些人沒有計較民族和個人的偏見，仗理直言，將他送上了諾貝爾獎的領獎台。　　作為一個普通人朗道的生命又延續了幾年，無疑最後的日子對朗道來說是極為痛苦的，生理上的病痛倒還在其次，不能繼續在心愛的物理學中跋涉才是最讓他不能忍受的，但他在外人面前顯得很是輕鬆瀟洒，逝世之前面對眾多神色憂戚的學生和朋友最後說的一句話是："老天待我真是不薄，我這一生總是萬事順利。" 超導問題的微觀解釋很早就有人開始尋找了，當時倫敦兄弟和朗道的唯象理論已經頗為成功，但很多人還是對這種不是基於量子力學的模型理論不滿意，一大批物理學大師都曾涉足這一領域，包括玻恩，海森堡，布洛赫，朗道，費曼等等，但是幾十年來進展甚是緩慢，這幾乎成了整個理論物理學的恥辱，而美國人約翰?巴丁卻勇敢地肩負起這一重任。　　巴丁先生在超導物理和半導體物理中都是承前啟後的人物，他出身著名的貝爾實驗室，在1947年就和布拉頓，肖克利合作制出人類歷史上第一個晶體管，在當時雖然沒人理會他們的發明，但隨著時間的推移人人都認識到晶體管的重要性，沒有它可以說就沒有整個信息時代，因此他們三人分享了1956年的諾貝爾物理獎。　　發現晶體管之後後巴丁並沒有停止腳步，卻毅然向超導物理中的第一難題發動了進攻。在1950年春天，美國國家標準局的邁克斯偉等人公布了超導物理的另一項發現--同位素效應，即物體的超導溫度乃是與同位素的質量相關，質量越輕，轉變溫度便越高。　　巴丁是一邊用用早餐一邊聽到秘書念到這一消息的，當時他就放下刀叉愣愣地呆住，然後連外套都沒批上就拔腿奔向實驗室。他馬上意識到超導物體的轉變溫度如果和原子質量相關的話，那麼超導電性多少是和電子--聲子相互作用相關的。　　巴丁的心頭一陣狂喜，難道上帝又一次垂青了自己？但他著手計算了幾天之後，不免大失所望，此種理論僅僅考慮了電子--聲子的相互作用，卻沒有處理電子之間的庫侖力的作用，這是一記大大的漏招。一旦把庫侖作用也包括在內，卻也未免麻煩的一塌糊塗。　　心情沮喪之餘，巴丁卻突然想到量子場論對於處理此類繁瑣的電磁作用問題極是對路，何不找場論專家來幫忙？他首先想到的便是楊振寧，不過楊振寧當時正全心於粒子物理的研究，他推薦的是號稱"東部量子技師"的庫珀。　　庫珀倒是不負眾望，很快運用嫻熟的場論技巧解決了很多難題，並提出庫珀電子對的概念，緊接著巴丁手下的研究生施里弗奇兵突出，居然找出了超導體的基態波函數。三人大喜過望，一番急攻之下，就得出著名的BCS理論，這是取自他們三人名字的第一字母。　　牛刀小試，超導的各種奇妙現象無不迎刃`而解，甚至還可以從BCS中直接推出倫敦方程，京茨堡--朗道方程等諸多唯象理論，他們三人因此同獲1972年諾貝爾物理獎。　　巴丁從而成了歷史上唯一同獲兩次諾貝爾物理獎的傳奇性人物，這一點連愛因斯坦，玻爾這等頂尖人物都沒有做到。本來諾貝爾獎的評審委員會為開此先例也是大為躊躇，但BCS理論實在太重要了，它被譽為自量子論誕生以來，對整個理論物理最有貢獻的理論之一，所以巴丁再次榮膺桂冠。　　凝聚態物理和粒子物理的研究此時也是大大靠近了一步，BCS理論本身固然是借用了場論的概念，但它反過來也為粒子物理開闢了新的視野。後來楊振寧等人又在凝聚態物理中引入了場論中的重正化的作法，也解決了一大批長期懸而未決的問題。　　微觀理論建立之後，凝聚態物理的專家們的注意力大多集中在高溫超導上，人人心中都清楚，就社會轟動效應而言，高溫超導是受控熱核聚變反應之後物理學最重要的問題。　　 1980年法國物理學家熱羅姆等人首次發現了倫敦當年預言的有機物超導體，其超導溫度上了一個台階，自此全球掀起了一股超導熱，德國的柏諾茲和瑞士的繆勒另闢蹊徑，從金屬氧化物Ba-La-Cu-O中找到了溫度高達32K的超導體。　　消息剛傳到美國的時候，很少有人相信柏諾茲和繆勒的成果，只有加洲大學的華裔物理學家朱經武相信在金屬氧化物中大有可為，他研究了種類繁多的氧化物，終於找到了Y-Ba-Cu-O，超導溫度一下驟升到90K，這也是人類第一次在液氮溫區實現超導轉變。　　幾乎與此同時，中國科學院物理研究所的趙忠賢利用同樣的氧化物把超導溫度又提高到100K，一度引起了世界各國的關注。　　此後各種高溫超導材料層出不窮，但是想把超導溫度提高到室溫(300K)，短期之內還難以辦到。這歸根到底還是因為高溫超導的機理尚不明曉，BCS理論在超低溫的領域裡雖是得心應手，溫度升高之後卻也遇到了極大的麻煩。　　安德森等人在BCS的框架之上又提出強耦合模型，這是動力學上一個典型的對稱性殘缺的例子，到今天為止可能是最有希望解釋高溫超導的理論。而在粒子物理中，對稱性的殘缺也是首要關注的問題，這關係到若隱若現的希格絲粒子是否存在。　　在上帝之手的神秘指引下，物理學家們殊途同歸，重新聚在了一起。

德布羅意:一頁紙多一點的博士論文

一

故事發生在二十世紀初的法國。　　

巴黎。

一樣的延續著千百年的燈紅酒綠，香榭麗舍大道上散發著繁華和曖昧，紅磨坊里瀰漫著躁動與彷徨。

而在此時的巴黎，有一個年輕人，名字叫做德布羅意（De　Broglie），從他的名字當中可以看出這是一個貴族，事實上德布羅意的父親正是法國的一個伯爵，並且是正是一位當權的內閣部長。這樣一個不愁吃不愁穿只是成天愁著如何打發時光的花花公子自然要找一個能消耗精力的東西來磨蹭掉那些無聊的日子（其實象他這樣的花花公子大約都會面臨這樣的問題）德布羅意則找到了一個很酷的「事業」——研究中世紀史。據說是因為中世紀史中有著很多神秘的東西吸引著這位年輕人。

時間一轉就到了1919，這是一個科學界急劇動蕩動著的年代。就在這一年，德布羅意突然移情別戀對物理產生了興趣，尤其是感興趣於當時正流行的量子論。　　

具體來說就是感興趣於一個在當時很酷的觀點：光具有粒子性。　　

這一觀點早在十幾年前由普朗克提出，而後被愛因斯坦用來解釋了光電效應，但即便如此，也非常不見容於物理學界各大門派。德布羅意倒並不見得對這一觀點的物理思想有多了解，也許他的理解也僅僅就是理解到這個觀點是在說「波就是粒子」。或許是一時衝動，或許是因為年輕而擺酷，德布羅意來到了一派宗師朗之萬門下讀研究生。　　

從此，德布羅意走出了一道足以讓讓任何傳奇都黯然失色的人生軌跡。

二　　　　

歷史上德布羅意到底花了多少精力去讀他的研究生也許已經很難說清，事實上德布羅意在他的5年研究生生涯中幾乎是一事無成。事實上也可以想像，一個此前對物理一竅不通的中世紀史愛好者很難真正的在物理上去做些什麼。

白駒過隙般的五年轉眼就過去了，德布羅意開始要為他的博士論文發愁了。其實德布羅意大約只是明白普朗克愛因斯坦那幫傢伙一直在說什麼波就是粒子,（事實上對於普朗克大約不能用「一直」二字，此時的普朗克已經完全拋棄自己當初的量子假設，又回到了經典的就框架。）而真正其中包含的物理，他能理解多少大約只有上帝清楚。

五年的盡頭，也就是在1924，德布羅意終於提交了自己的博士論文。他的博士論文只有一頁紙多一點，不過可以猜想這一頁多一點的一份論文大約已經讓德布羅意很頭疼了，只可惜當時沒有槍手可以雇來幫忙寫博士論文。

他的博士論文只是說了一個猜想，既然波可以是粒子，那麼反過來粒子也可以是波。

而進一步德布羅意提出波的波矢和角頻率與粒子動量和能量的關係是：　　　　　　動量＝普朗克常數／波矢　　　　　　能量＝普朗克常數＊角頻率　　　　　　這就是他的論文里提出的兩個公式而這兩個公式的提出也完全是因為在愛因斯坦解釋光電效應的時候提出光子的動量和能量與光的參數滿足這一關係。　　　　

可以想像這樣一個博士論文會得到怎樣的回應。　　

在對論文是否通過的投票之前，德布羅意的老闆朗之萬就事先得知論文評審委員會的六位教授中有三位已明確表態會投反對票。　　

本來在歐洲，一個學生苦讀數年都拿不到學位是件很正常的事情，時至今日的歐洲也依然如此。何況德布羅意本來就是這麼一個來混日子的的花花公子。　　

然而這次偏偏又有些不一樣——德布羅意的父親又是一位權高望眾的內閣部長，而德布羅意在此廝混五年最後連一個Ph.D都沒拿到，雙方面子上自然也有些掛不住。　　

情急之中，朗之萬往他的一個好朋友那裡寄了一封信。　　

當初的朗之萬是不是礙於情面想幫德布羅意混得一個PhD已不得而知，然而事實上，這一封信卻改變了科學發展的軌跡。　　　　三

這封信的收信人是愛因斯坦。

信的內容大致如下：

　　尊敬的愛因斯坦閣下：

在我這裡有一位研究生，已經攻讀了五年的博士學位，如今即將畢業，在他提交的畢業論文中有一些新的想法………………

　　請對他的論文作出您的評價。

　　另外順便向您提及，該研究生的父親是弊國的一位伯爵，內閣的＊＊部長，若您……，將來您來法國定會受到隆重的接待。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　朗之萬

在信中，大約朗之萬的潛台詞似乎就是如果您不肯給個面子，呵呵，以後就甭來法國了。不知是出於知趣呢，還是出於當年自己的離經叛道而產生的惺惺相惜，愛因斯坦很客氣回了一封信，大意是該論文里有一些很新很有趣的思想云云。

此時的愛因斯坦雖不屬於任何名門望派，卻已獨步於江湖，頗有威望。有了愛因斯坦的這一封信，評審委員會的幾位教授也不好再多說些什麼了。

於是，皆大歡喜。

浪蕩子弟德布羅意就這樣「攻讀」下了他的PhD（博士）。

而按照當時歐洲的學術傳統，朗之萬則將德布羅意的博士論文印成若干份分寄到了歐洲各大學的物理系。

大約所有人都以為事情會就此了結，多少年以後德布羅意那篇「很新很有趣」博士論文也就被埋藏到了檔案堆里了。

德布羅意大約也就從此以一個PhD的身份繼續自己的浪蕩生活。但歷史總是喜歡用偶然來開一些玩笑，而這種玩笑中往往也就順帶著改變了許多人的命運。

在朗之萬寄出的博士論文中，有一份來到了維也納大學。

四

1926年初。

維也納。

當時在維也納大學主持物理學術活動的教授是德拜，他收到這份博士論文後，將它交給了他的組裡面一位已經年屆中年的講師。　　

這位講師接到的任務是在兩周後的seminar（學術例會）上將該博士論講一下。

這位「老」講師大約早已適應了他現在這種不知算是平庸還是算是平靜的生活，可以想像，一個已到不惑之年而仍然只在講師的位置上晃蕩的人，其學術前途自然是朦朧而晦暗。而大約也正因為這位講師的這種地位才使得它可以獲得這個任務，因為德拜將任務交給這位講師時的理由正是「你現在研究的問題不很重要，不如給我們講講德布羅意的論文吧」。

這位講師的名字叫做——薛定諤（Schrodinger）

在接下來的兩周里，薛定諤仔細的讀了一下德布羅意的「博士論文」，其實從內容上來講也許根本就用不上「仔細」二字，德布羅意的這篇論文只不過一頁紙多一點，通篇提出的式子也不過就兩個而已，並且其原型是已經在愛因斯坦發表的論文中出現過的。

然而論文里說的話卻讓薛定諤一頭霧水，薛定諤只知道德布羅意大講了一通「波即粒子，粒子即波」，除此之外則是「兩個黃鸝鳴翠柳「——不知所云。

兩周之後，薛定諤硬著頭皮把這篇論文的內容在seminar上講了一下，講者不懂，聽者自然也是雲里霧裡，而老闆德拜則做了一個客氣的評價：

「這個年輕人的觀點還是有些新穎的東西的，雖然顯得很孩子氣，當然也許他需要更深入一步，比如既然提到波的概念，那麼總該有一個波動方程吧」

多年以後有人問德拜是否後悔自己當初作出的這一個評論，德拜自我解嘲的說「你不覺得這是一個很好的評論嗎？」

並且，德拜建議薛定諤做一做這個工作，在兩周以後的seminar上再講一下。

兩周以後。

薛定諤再次在seminar上講解德布羅意的論文，並且為德布羅意的「波」找了一個波動方程。

這個方程就是「薛定諤方程」！

當然，一開始德布羅意的那篇論文就已經認為是垃圾，而從垃圾產生出來的自然也不會離垃圾太遠，於是沒人真正把這個硬生生給德布羅意的「波」套上的方程當一回事，甚至還有人順口編了一首打油詩諷刺薛定諤的方程：

歐文用他的psi，計算起來真靈通：但psi真正代表什麼，沒人能夠說得清。（歐文就是薛定諤，psi是薛定諤波動方程中的一個變數）

故事的情節好像又一次的要歸於平庸了，然而平庸偏偏有時候就成了奇蹟的理由。

大約正是薛定諤的「平庸」使得它對自己的這個波動方程的平庸有些心有不甘，他決定再在這個方程中撞一撞運氣。

五

上面講到的情節放到當時的大環境中來看就好像是湖水下的一場大地震——從湖面上看來卻是風平浪靜。

下面請允許我暫時停止對「老」講師薛定諤的追蹤，而回過頭來看一看這兩年發生物理學界這個大湖表面的風浪。

此前，玻爾由普朗克和愛因斯坦的理論的啟發提出了著名的「三部曲」，解釋了氫光譜，在這十幾年的發展當中，由玻爾掌門的哥本哈根學派已然是量子理論界的「少林武當」。

1925，玻爾的得意弟子海森堡提出了著名的矩陣力學，進一步拋棄經典概念，揭示量子圖像，精確的解釋了許多現象，已經成為哥本哈根學派的鎮門之寶——量子屆的「屠龍寶刀」。不過在當時懂矩陣的物理學家沒有幾個，所以矩陣力學的影響力仍然有限。事實上就是海森堡本人也並不懂「矩陣」，而只是在他的理論出爐之後哥本哈根學派的另一位弟子玻恩告訴海森堡他用的東西在數學中就是矩陣。

再回過頭來再關注一下我們那個生活風平浪靜的老講師薛定諤在幹些什麼——我指的是在薛定諤講解他的波動方程之後的兩個星期里。

事實上此時的他正浸在溫柔鄉中——帶著他的情婦在維也納的某個滑雪場滑雪。不知道是宜人的風景還是身邊的溫香軟玉，總之是冥冥之中有某種東西，給了薛定諤一個靈感，而就是這一個靈感，改變了物理學發展的軌跡。

薛定諤從他的方程中得出了玻爾的氫原子理論！

六　　　　

倚天一出，天下大驚。

從此誰也不敢再把薛定諤的波動方程當成nonsense（扯淡）了。

哥本哈根學派的掌門人玻爾更是大為驚詫，於是將薛定諤請到哥本哈根，詳細切磋量子之精妙。然而讓玻爾遺憾的是，在十天的漫長「切磋」中，兩個人根本都不懂對方在說些什麼。在一場讓兩個人都疲憊不堪卻又毫無結果的「哥本哈根論劍」之後，薛定諤回到了維也納，

薛定諤回到了維也納之後仍然繼續做了一工作，他證明了海森堡的矩陣力學和他的波動方程表述的量子論其實只是不同的描述方式。

從此「倚天」「屠龍」合而為一。

此後，薛定諤雖也試圖從更基本的假設出發導出更基本的方程，但終究沒有成功，而不久，他也對這個失去了興趣，轉而去研究「生命是什麼」。

歷史則繼續著演義他的歷史喜劇。

德布羅意，薛定諤都在這場喜劇中成為諾獎得主而名垂青史。

尾聲

其實在這一段讓人啼笑皆非的歷史當中，上帝還是保留了某種公正的。薛定諤得出它的波動方程僅在海森堡的矩陣力學的的誕生一年之後，倘若上帝把這個玩笑開得更大一點，讓薛定諤在1925年之前就導出薛定諤方程，那恐怕矩陣力學就根本不可能誕生了（波動方程也就是偏微分方程的理論是為大多數物理學家所熟悉的，而矩陣在當時則沒有多少人懂）。如此則此前在量子領域已辛苦奮鬥了十幾年的哥本哈根學派就真要吐血了！

薛定諤方程雖然搞出了這麼一個波動方程，卻並不能真正理解這個方程精髓之處，而對它的方程給出了一個錯誤的解釋——也許命中注定不該屬於他的東西終究就不會讓他得到。對薛定諤方程的正確解釋是有哥本哈根學派的玻恩作出的。（當然玻恩的解釋也讓物理界另一位大師——愛因斯坦極為震怒，至死也念念不忘「上帝不會用擲色子來決定這個世界的」，此為後話）。

更基本的量子力學方程，也就是薛定諤試圖獲得但終究無力企及的的基本理論，則是由根本哈根學派的另一位少壯派弟子——狄拉克導出的，而狄拉克則最終領袖群倫，建起了了量子力學的神殿。