Part. 3

上次說(shuō)到，愛(ài)因斯坦提出了光量子的假說(shuō)，用來(lái)解釋光電效應(yīng)中無(wú)法用電磁理論解釋的現(xiàn)象。

然而，光量子的概念卻讓其他科學(xué)家非常不理解。見(jiàn)鬼了，光的問(wèn)題不是已經(jīng)被定性了嗎？難道光不是已經(jīng)被包括在麥克斯韋理論之內(nèi)，作為電磁波的一種被清楚地描述了嗎？這個(gè)光量子又是怎么一回事呢？

事實(shí)上，光量子是一個(gè)非常大膽的假設(shè)，它是在直接地向經(jīng)典物理體系挑戰(zhàn)。愛(ài)因斯坦本人也意識(shí)到這一點(diǎn)，在他看來(lái)，這可是他最有叛逆性的一篇論文了。在寫(xiě)給好友哈比希特（C.Habicht）的信中，愛(ài)因斯坦描述了他劃時(shí)代的四篇論文，只有在光量子上，他才用了“非常革命”的字眼，而相對(duì)論都沒(méi)有這樣的描述。

光量子和傳統(tǒng)的電磁波動(dòng)圖像顯得格格不入。它其實(shí)就是昔日微粒說(shuō)的一種翻版，假設(shè)光是離散的，由一個(gè)個(gè)小的基本單位所組成的。自托馬斯·楊的時(shí)代又已經(jīng)過(guò)去了一百年，冥冥中天道循環(huán)，當(dāng)年被打倒在地的霸主以反叛的姿態(tài)再次登上舞臺(tái)，向已經(jīng)占據(jù)了王位的波動(dòng)說(shuō)展開(kāi)挑戰(zhàn)。這兩個(gè)命中注定的對(duì)手終于要進(jìn)行一場(chǎng)最后的決戰(zhàn)，從而領(lǐng)悟到各自存在的終極意義：如果沒(méi)有了你，我獨(dú)自站在這里，又是為了什么？

不過(guò)，光量子的處境和當(dāng)年起義的波動(dòng)一樣，是非常困難和不為人所接受的。波動(dòng)如今所占據(jù)的地位，甚至要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100年前籠罩在牛頓光環(huán)下的微粒王朝。波動(dòng)的王位，是由麥克斯韋欽點(diǎn)，又有整個(gè)電磁王國(guó)作為同盟的。這場(chǎng)決戰(zhàn)，從一開(kāi)始就不再局限于光的領(lǐng)地之內(nèi)，而是整個(gè)電磁譜的性質(zhì)問(wèn)題。而我們很快將要看到，十幾年以后，戰(zhàn)爭(zhēng)將被擴(kuò)大，整個(gè)物理世界都將被卷入進(jìn)去，從而形成一場(chǎng)名副其實(shí)的世界大戰(zhàn)。

當(dāng)時(shí)，對(duì)于光量子的態(tài)度，連愛(ài)因斯坦本人都是非常謹(jǐn)慎的，更不用說(shuō)那些可敬的老派科學(xué)紳士了。一方面，這和經(jīng)典的電磁圖像不相容；另一方面，當(dāng)時(shí)關(guān)于光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有一個(gè)能夠非常明確地證實(shí)光量子的正確性。微粒的這次絕地反擊，一直要到1915年才真正引起人們的注意，而起因也是非常諷刺的：美國(guó)人密立根（R.A.Millikan）想用實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)光量子圖像是錯(cuò)誤的，但是多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，他卻啼笑皆非地發(fā)現(xiàn)，自己已經(jīng)在很大程度上證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)有說(shuō)服力地展示，在所有的情況下，光電現(xiàn)象都表現(xiàn)出量子化特征，而不是相反。

如果說(shuō)密立根的實(shí)驗(yàn)只是微粒革命軍的一次反圍剿成功，其意義還不足以說(shuō)服所有的物理學(xué)家的話，那么1923年，康普頓（Arthur H. Compton）則帶領(lǐng)這支軍隊(duì)取得了一場(chǎng)決定性的勝利，把其所潛藏著的驚人力量展現(xiàn)得一覽無(wú)余。經(jīng)此一役后，再也沒(méi)有人懷疑，起來(lái)對(duì)抗經(jīng)典波動(dòng)帝國(guó)的，原來(lái)是一支實(shí)力不相上下的正規(guī)軍。

這次戰(zhàn)役的戰(zhàn)場(chǎng)是X射線的地域?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：散射出來(lái)的X射線分成兩個(gè)部分，一部分和原來(lái)的入射射線波長(zhǎng)相同，而另一部分卻比原來(lái)的射線波長(zhǎng)要長(zhǎng)，具體的大小和散射角存在函數(shù)關(guān)系。

如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論，散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)才對(duì)。但是怎么解釋多出來(lái)的那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個(gè)破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開(kāi)朗：那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬?。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有沖量，當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來(lái)光子的能量下降，根據(jù)公式E=hν, E下降導(dǎo)致ν下降，頻率變小，便是波長(zhǎng)變大，證明完畢。

在粒子的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出波長(zhǎng)變化和散射角的關(guān)系式，和實(shí)驗(yàn)符合得絲毫不差。這是一場(chǎng)極為漂亮的殲滅戰(zhàn)，波動(dòng)的力量根本沒(méi)有任何反擊的機(jī)會(huì)便被繳了械。康普頓總結(jié)道：“現(xiàn)在，幾乎不用再懷疑倫琴射線（X射線）是一種量子現(xiàn)象了……實(shí)驗(yàn)令人信服地表明，輻射量子不僅具有能量，而且具有一定方向的沖量?！?/p>

上帝造了光，愛(ài)因斯坦指出了什么是光，而康普頓，則第一個(gè)在真正意義上“看到”了這光。

“第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”全面爆發(fā)了。卷土重來(lái)的微粒軍團(tuán)裝備了最先進(jìn)的武器：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。這兩門大炮威力無(wú)窮，令波動(dòng)守軍難以抵擋，節(jié)節(jié)敗退。但是，波動(dòng)方面軍近百年苦心經(jīng)營(yíng)的陣地畢竟不是那么容易突破的，麥克斯韋理論和整個(gè)經(jīng)典物理體系的強(qiáng)大后援使得它仍然立于不敗之地。波動(dòng)的擁護(hù)者們很快便清楚地意識(shí)到，不能再后退了，因?yàn)樯砗缶褪悄箍疲〔▌?dòng)理論的全面失守將意味著麥克斯韋電磁體系的崩潰，但至少現(xiàn)在，微粒這一雄心勃勃的計(jì)劃還難以實(shí)現(xiàn)。

波動(dòng)在穩(wěn)住了陣腳之后，迅速地重新評(píng)估了自己的力量。雖然在光電問(wèn)題上它無(wú)能為力，但當(dāng)初它賴以建國(guó)的那些王牌武器卻依然沒(méi)有生銹和失效，仍然有著強(qiáng)大的殺傷力。微粒的復(fù)興盡管來(lái)得迅猛，但終究缺乏深度，它甚至不得不依靠從波動(dòng)那里繳獲來(lái)的軍火來(lái)作戰(zhàn)。比如我們已經(jīng)看到的光電效應(yīng)，對(duì)于光量子理論的驗(yàn)證牽涉頻率和波長(zhǎng)的測(cè)定，而這卻仍然要靠光的干涉現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。波動(dòng)的立國(guó)之父托馬斯·楊，他的精神是如此偉大，以致在身后百年仍然光耀著波動(dòng)的戰(zhàn)旗，震懾一切反對(duì)力量。在每一所中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)兩道狹縫的光仍然不依不饒地顯示出明暗相間的干涉條紋來(lái)，不容置疑地向世人表明它的波動(dòng)性。菲涅爾的論文雖然已經(jīng)在圖書(shū)館里蒙上了灰塵，但任何人只要有興趣，仍然可以重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，來(lái)確認(rèn)泊松亮斑的存在。麥克斯韋芳華絕代的方程組仍然在每天給出預(yù)言，而電磁波也仍然溫順地按照那個(gè)優(yōu)美的預(yù)言以30萬(wàn)公里每秒的速度行動(dòng)，既沒(méi)有快一點(diǎn)，也沒(méi)有慢一點(diǎn)。

戰(zhàn)局很快就陷入僵持，雙方都屯兵于自己得心應(yīng)手的陣地之內(nèi)，誰(shuí)也無(wú)力去占領(lǐng)對(duì)方的地盤。光子一陷入干涉的沼澤，便顯得笨拙而無(wú)法自拔；光波一進(jìn)入光電的叢林，也變得迷茫而不知所措。粒子還是波？在人類文明達(dá)到高峰的20世紀(jì)，卻對(duì)宇宙中最古老的現(xiàn)象束手無(wú)策。

不過(guò)，還是讓我們以后再來(lái)關(guān)注微粒和波動(dòng)即將爆發(fā)的這場(chǎng)戲劇性的總決戰(zhàn)?，F(xiàn)在，按照這次旅行的時(shí)間順序安排，先讓這兩支軍隊(duì)對(duì)壘一陣子，我們暫時(shí)回到故事的主線，也就是20世紀(jì)的第一個(gè)十年那里去。自從1905年愛(ài)因斯坦提出他的光量子概念后，量子這個(gè)新生力量終于開(kāi)始被人逐漸重視，越來(lái)越多有關(guān)這一課題的論文被發(fā)表出來(lái)。普朗克的黑體公式和愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論只不過(guò)是它占領(lǐng)的兩個(gè)重要前沿陣地，而在許多其他問(wèn)題，比如晶體的晶格結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極射線的多普勒效應(yīng)，氣體分子的振動(dòng)，X射線輻射等上面，它也都很快就令人刮目相看。在這樣一種微妙的形勢(shì)下，德國(guó)物理學(xué)家能斯特（Walther Nernst）敏銳地察覺(jué)到，物理學(xué)已經(jīng)來(lái)到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。量子火山的每一次躁動(dòng)，都使得整個(gè)物理學(xué)大地在微微顫抖，似乎預(yù)示著不久后一次總爆發(fā)的來(lái)臨。也許，“量子”這個(gè)不起眼的名詞，終究注定要成為一個(gè)家喻戶曉的名字。

1910年春天，能斯特到布魯塞爾訪問(wèn)另一位化學(xué)家古德施密特（Robert Goldschmidt），并在那里邂逅了一位叫作索爾維（Ernest Solvay）的人。索爾維一直對(duì)化學(xué)和物理深感興趣，可惜當(dāng)年因病錯(cuò)過(guò)了大學(xué)。他后來(lái)發(fā)明了一種制造蘇打的新方法，并靠此發(fā)了財(cái)。雖然自己已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了投身于科學(xué)的青春年華，不過(guò)索爾維仍然對(duì)此非常關(guān)心。他向能斯特提議說(shuō)，自己可以慷慨解囊，贊助一個(gè)全球性的科學(xué)會(huì)議，讓普朗克、洛倫茲、愛(ài)因斯坦這樣出色的物理學(xué)家能夠會(huì)聚一堂，討論最前沿的科學(xué)問(wèn)題。能斯特又驚又喜：這不正是一個(gè)最好的機(jī)會(huì)，可以讓物理學(xué)家們認(rèn)真地交流一下對(duì)量子和輻射問(wèn)題的看法嗎？于是兩人一拍即合，能斯特隨即為這件事忙碌地張羅起來(lái)。

1911年10月30日，第一屆索爾維會(huì)議正式在比利時(shí)布魯塞爾召開(kāi)。24位最杰出的物理學(xué)家參加了會(huì)議，并在量子理論、氣體運(yùn)動(dòng)理論以及輻射現(xiàn)象等課題上進(jìn)行了討論。遺憾的是，會(huì)議只有短短5天，物理學(xué)家們并沒(méi)有取得任何突破性的進(jìn)展。量子究竟意味著什么？理論背后隱藏著什么？普朗克常數(shù)h究竟將把我們帶向何方？沒(méi)有人確切地知道答案。愛(ài)因斯坦在會(huì)后寫(xiě)給洛倫茲的信里說(shuō)：“‘h重癥’看上去更加病入膏肓了?！?/p>

但不可否認(rèn)的是，這仍然是量子發(fā)展史上的一次重大事件，因?yàn)榱孔訂?wèn)題終于在這次會(huì)議之后被推到了歷史的最前沿，成為時(shí)代潮頭上的一個(gè)焦點(diǎn)。人們終于發(fā)現(xiàn)，他們面對(duì)的是一個(gè)巨大的、撲朔迷離的難題。不管是光，還是熱輻射，經(jīng)典物理面對(duì)的都是一個(gè)難以逾越的困境。

在那些出席會(huì)議的人中，有一位叫作恩內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）。他也許不知道，自己回英國(guó)后很快就會(huì)遇上一位來(lái)自丹麥的青年，從而在自己的學(xué)生名單上添加一顆最耀眼的超級(jí)巨星。也沒(méi)人注意到大會(huì)的一位秘書(shū)，來(lái)自法國(guó)的莫里斯·德布羅意（Maurice de Broglie）公爵。他將把討論和報(bào)告的記錄帶回家中，而偏巧，他有一位聰明絕頂?shù)牡艿?。?duì)于愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，他更不會(huì)想到，這個(gè)所謂的“h重癥”將成為困擾他終生的最大謎題。1911年的索爾維會(huì)議僅僅是一個(gè)開(kāi)始而已，未來(lái)還會(huì)有更多的索爾維會(huì)議，在歷史上繪成一幅壯麗而雄奇的畫(huà)卷，記錄下量子論最富有傳奇色彩的那一段故事。1911年的這次會(huì)議像是一個(gè)路標(biāo)，歷史的眾多明暗伏線在這里交錯(cuò)匯聚，然后厘清出幾條主脈，浩浩蕩蕩地發(fā)展下去。愛(ài)因斯坦的朋友貝索（Michele Besso）后來(lái)把1911年的會(huì)議稱為一次“巫師盛會(huì)”，也許，這真的是量子魔法師在炫技前所念的最后的神奇咒語(yǔ)！

現(xiàn)在，各位觀眾，就讓我們把握住會(huì)議留給我們的那條線索，一起去看看量子魔法是怎樣影響了實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)——原子核和電子的。我們的歷史長(zhǎng)鏡頭從歐洲大陸轉(zhuǎn)回不列顛島，來(lái)自丹麥的王子粉墨登場(chǎng)。在他的頭上，一顆大大的火流星劃過(guò)這陰云密布的天空，雖然只是一閃即逝，但卻在地上點(diǎn)燃了燎原大火，照亮了無(wú)邊的黑暗。