Part. 4

1911年9月，26歲的丹麥小伙子尼爾斯·玻爾渡過英吉利海峽，踏上了不列顛的土地。年輕的玻爾不會想到，32年后，他還要再一次來到這個島上，卻是藏在一架蚊式轟炸機的彈倉里，面臨高空缺氧的考驗和隨時被丟進大海里的風險，九死一生后才到達目的地。那一次，是丘吉爾首相親自簽署命令，從納粹的手中轉移了這位原子物理界的泰山北斗，使得盟軍在原子彈的競爭方面成功地削弱了德國的優勢。這也成了玻爾一生中最富有傳奇色彩、為人所津津樂道的一段經歷。有些故事書甚至繪聲繪色地描述說，當飛行員最終打開艙門時，玻爾還茫然不覺，沉浸在專注的物理思考中物我兩忘。當然事實上玻爾并沒有這樣英勇，因為缺氧，他當時已經奄奄一息，差一點就送了命。

不過我們還是回到1911年，那時玻爾還只是一個有著遠大志向和夢想，卻默默無聞的青年。他走在劍橋的校園里，想象當年牛頓和麥克斯韋在這里走過的情形，歡欣鼓舞得像一個孩子。在草草地安定下來之后，玻爾做的第一件事情就是去拜訪大名鼎鼎的J.J．湯姆遜，后者是當時富有盛名的物理學家，卡文迪許實驗室的負責人，電子的發現者，諾貝爾獎得主。湯姆遜十分熱情地接待了玻爾，雖然玻爾的英語爛得可以，但兩人還是談了好一陣子。湯姆遜收下了玻爾的論文，并把它放在自己的辦公桌上。

一切看來都十分順利，但可憐的玻爾并不知道，在漠視學生的論文這一點上，湯姆遜是“惡名昭著”的。事實上，玻爾的論文一直被閑置在桌子上，湯姆遜根本沒有看過一個字。另有一種說法是，當時不諳世故的玻爾老實不客氣，當面指出了湯姆遜的著作《氣體中的導電》里的一些錯誤，結果惹惱了這位高傲的英國人。不管怎樣，劍橋對于玻爾來說，實在不是一個讓人激動的地方，他自己的研究也進行得不是十分順利。總而言之，除了在一個足球隊里大顯身手之外，這所舉世聞名的大學似乎沒有什么讓玻爾覺得值得一提的事。失望之下，玻爾決定尋求一些改變。一次偶然的機會，玻爾到曼徹斯特拜訪他父親的一位朋友Lorrain Smith，后者將他介紹給了剛從第一屆索爾維會議上歸來的盧瑟福。

也許是命中注定的緣分，也許是一生難求的巧合，又或許那個“巫師盛會”的魔力還沒有完全散盡。總之，玻爾和盧瑟福之間立刻就產生了神秘的化學反應。在促膝長談之后，兩人都覺得相見恨晚，盧瑟福很快就給了玻爾一個實驗室的名額，而玻爾也很快就義無反顧地離開劍橋前往曼徹斯特。這座工業城市的天空雖然受到污染，但恩內斯特·盧瑟福的名字卻使它看起來那樣地金光閃耀。

說起來，盧瑟福也是J.J．湯姆遜的學生。這位出身于新西蘭農場的科學家身上保持著農民那勤儉樸實的作風，對他的助手和學生永遠是那樣熱情和關心，提供所有力所能及的幫助。再說，玻爾選擇的時機真是再恰當不過了。1912年，那正是一個黎明的曙光就要來臨，科學新的一頁就要被書寫的年份。人們已經站在了通向原子神秘內部世界的門檻上，只等玻爾來邁出這決定性的一步了。

這個故事還要從前一個世紀說起。1897年，J.J．湯姆遜在研究陰極射線的時候，發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那里流傳下來的“原子不可分割”的理念，明確地向人們展示：原子是可以繼續分割的，它有著自己的內部結構。那么，這個結構是怎么樣的呢？湯姆遜那時完全缺乏實驗證據，他于是展開自己的想象，勾勒出這樣的圖景：原子呈球狀，帶正電荷，而帶負電荷的電子則一粒粒地“鑲嵌”在這個圓球上。這樣的一幅畫面，史稱“葡萄干布丁”模型，電子就像布丁上的葡萄干一樣。

但是，1910年，盧瑟福和他的學生們在實驗室里進行了一次名垂青史的實驗。他們用α粒子（帶正電的氦核）來轟擊一張極薄的金箔，想通過散射來確認那個“葡萄干布丁”的大小和性質。這時候，極其不可思議的現象出現了：有少數α粒子的散射角度是如此之大，以至超過90度。對這個情況，盧瑟福自己描述得非常形象：“這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊，結果這炮彈卻被反彈了回來，反而擊中了你自己一樣。”

盧瑟福發揚了亞里士多德前輩“吾愛吾師，但吾更愛真理”的優良品格，決定修改湯姆遜的葡萄干布丁模型。他認識到，α粒子被反彈回來，必定是因為它們和金箔原子中某種極為堅硬密實的核心發生了碰撞。這個核心應該是帶正電，而且集中了原子的大部分質量。但是，從α粒子只有很少一部分出現大角度散射這一情況來看，那核心占據的地方是很小的，不到原子半徑的萬分之一。

于是，盧瑟福在次年（1911）發表了他的這個新模型。在他描述的原子圖像中，有一個占據了絕大部分質量的“原子核”在原子的中心。而在這原子核的四周，帶負電的電子則沿著特定的軌道繞著它運行。這很像一個行星系統（比如太陽系），所以這個模型被理所當然地稱為“行星系統”模型。在這里，原子核就像是我們的太陽，而電子則是圍繞太陽運行的行星們。

但是，這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出，帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉，這個體系是不穩定的。根據麥克斯韋理論，兩者之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終“墜毀”在原子核上為止，整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說，就算世界如同盧瑟福描述的那樣，也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀于一旦。原子核和電子將不可避免地放出輻射并互相中和，然后把盧瑟福和他的實驗室，乃至整個英格蘭、整個地球、整個宇宙都變成一團混沌。

不過，當然了，雖然理論家們發出如此陰森恐怖的預言，太陽仍然每天照常升起，大家都活得好好的。電子依然快樂地圍繞原子打轉，沒有一點失去能量的預兆。而丹麥的年輕人尼爾斯·玻爾照樣安安全全地抵達了曼徹斯特，并開始譜寫物理史上屬于他的華麗篇章。

玻爾沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這一理論，畢竟它有著α粒子散射實驗的強力支持。相反，玻爾對電磁理論能否作用于原子這一人們從未涉足過的層面，倒是抱有相當的懷疑成分。曼徹斯特的生活顯然要比劍橋令玻爾舒心許多，雖然他和盧瑟福兩個人的性格是如此不同：后者是個急性子，永遠精力旺盛，而玻爾則像個害羞的大男孩，說一句話都顯得口齒不清，但他們顯然是絕妙的一個團隊。玻爾的天才在盧瑟福這個老板的領導下被充分地激發出來，很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。

1912年7月，玻爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文，歷史學家們后來常常把它稱作“曼徹斯特備忘錄”。玻爾在其中已經開始試圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去，以解決經典電磁力學所無法解釋的難題。但是，一切都只不過是剛剛開始而已，在那片還沒有前人涉足的處女地上，玻爾只能一步步地摸索前進。沒有人告訴他方向應該在哪里，而他的動力也不過是對盧瑟福模型的堅信和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當時對原子光譜的問題一無所知，當然也預料不到它后來對原子研究的決定性意義，不過，革命的方向已經確定，沒有什么能夠改變量子論即將嶄露頭角這個事實了。

在濃云密布的天空中，出現了一線微光。雖然后來證明那只是一顆流星，但這光芒無疑給已經僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機，一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點燃了人們手中的火炬，引導他們去尋找真正的永恒的光明。

終于，7月24日，玻爾完成了他在英國的學習，動身返回祖國丹麥。在那里，他可愛的未婚妻瑪格麗特正焦急地等待著他，而物理學的未來也即將要向他敞開心扉。在臨走前，玻爾把他的論文交給盧瑟福過目，并得到了熱切的鼓勵。只是，盧瑟福有沒有想到，這個青年將在怎樣的一個程度上改變人們對世界的終極看法呢？

是的，是的，時機已到。偉大的三部曲即將問世，而真正屬于量子的時代，也終于到來。

飯后閑話：諾貝爾獎得主的幼兒園

盧瑟福本人是一位偉大的物理學家，這是毋庸置疑的，但他同時更是一位偉大的物理導師。他以敏銳的眼光去發現人們的天才，又以偉大的人格去關懷他們，把他們的潛力挖掘出來。在盧瑟福身邊的那些助手和學生，后來絕大多數都出落得非常出色，其中更包括了為數眾多的科學大師。

我們熟悉的尼爾斯·玻爾，20世紀最偉大的物理學家之一，1922年諾貝爾物理獎得主，量子論的奠基人和象征。如本節所描述的那樣，他在曼徹斯特跟隨過盧瑟福。

保羅·狄拉克，量子論的創始人之一，同樣偉大的科學家，1933年諾貝爾物理獎得主。他的主要成就都是在劍橋卡文迪許實驗室做出的（那時盧瑟福接替了退休的J.J．湯姆遜成為這個實驗室的主任）。狄拉克獲獎的時候才31歲，他對盧瑟福說他不想領這個獎，因為他討厭在公眾中的名聲。盧瑟福勸道，如果不領獎的話，那么這個名聲可就更響了。

中子的發現者，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在曼徹斯特花了兩年時間待在盧瑟福的實驗室里。他于1935年獲得諾貝爾物理獎。

布萊克特（Patrick M.S.Blackett）在“一戰”后辭去了海軍上尉的職務，進入劍橋跟隨盧瑟福學習物理。他后來改進了威爾遜云室，并在宇宙線和核物理方面作出了巨大貢獻，為此獲得了1948年的諾貝爾物理獎。

1932年，沃爾頓（E.T.S. Walton）和考克勞夫特（John Cockcroft）在盧瑟福的卡文迪許實驗室里建造了強大的加速器，并以此來研究原子核的內部結構。這兩位盧瑟福的弟子在1951年分享了諾貝爾物理獎金。

這個名單可以繼續開下去，一直到長得令人無法想象為止：英國人索迪（Frederick Soddy）,1921年獲得諾貝爾化學獎。匈牙利人赫維西（George von Hevesy）,1943年獲得諾貝爾化學獎。德國人哈恩（Otto Hahn）, 1944年獲得諾貝爾化學獎。英國人鮑威爾（Cecil Frank Powell）,1950年獲得諾貝爾物理獎。美國人貝特（Hans Bethe）,1967年獲得諾貝爾物理獎。蘇聯人卡皮察（P.L.Kapitsa）,1978年獲得諾貝爾化學獎。

除去一些稍微疏遠的情況外，盧瑟福一生至少培養了10位諾貝爾獎得主（還不算他自己本人）。當然，在他的學生中還有一些沒有得到諾貝爾獎但同樣出色的名字，比如漢斯·蓋革（Hans Geiger，他后來以發明了蓋革計數器而著名）、亨利·莫塞萊（Henry Moseley，一個被譽為有著無限天才的年輕人，可惜死在了“一戰”的戰場上）、恩內斯特·馬斯登（Ernest Marsden，他和蓋革一起做了α粒子散射實驗，后來被封為爵士）……

盧瑟福的實驗室被后人稱為“諾貝爾獎得主的幼兒園”。他的頭像出現在新西蘭貨幣的最大面值——100新西蘭元上面，作為國家對他最崇高的敬意和紀念。