Part. 2

上次說到，玻爾提出了他的有軌原子模型，取得了巨大的成功。許多困擾人們多時(shí)的難題在這個(gè)模型的指引下迎刃而解。在那些日子里，玻爾理論的興起似乎為整個(gè)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。不幸的是，這一虛假的泡沫式繁榮沒能持續(xù)太多的時(shí)候。舊的物理世界固然已經(jīng)在種種沖擊下變得瘡痍滿目，玻爾原子模型那倉促興建的宮殿也沒能抵擋住更猛烈的革命沖擊，不久后便在混亂中被付之一炬，只留下些斷瓦殘?jiān)浇袢展┪覀儜{吊。最初的暴雨已經(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(yù)示著更大的一場(chǎng)風(fēng)暴的來臨。

無可否認(rèn)，玻爾理論的成就是巨大的，而且非常深入人心，玻爾本人為此在1922年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。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，它仍然還是一如既往地莊嚴(yán)宣布：電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)，必定釋放出電磁輻射來。對(duì)此，玻爾也感到深深的無奈，他還沒有能力與麥克斯韋徹底決裂，義無反顧地去推翻整個(gè)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(qiáng)大哪”。作為妥協(xié)，玻爾轉(zhuǎn)頭試圖將他的原子體系和麥?zhǔn)侠碚撜{(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(dāng)我們的眼光從原子范圍逐漸放大到平常的世界時(shí)，量子效應(yīng)便逐漸消失，經(jīng)典的電磁理論得以再次取代h常數(shù)成為世界的主宰。然而，在這個(gè)過程中，無論何時(shí)，兩種體系都存在一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)狀態(tài)。這就是他在1918年發(fā)表的所謂“對(duì)應(yīng)原理”（The Correspondence Principle）。

不是所有的科學(xué)家都認(rèn)同對(duì)應(yīng)原理，甚至有人開玩笑地說，對(duì)應(yīng)原理是一根“只能在哥本哈根起作用的魔棒”。客觀地說，對(duì)應(yīng)原理本身具有著豐富的含義，直到今天還對(duì)我們有著借鑒作用，但是也無可否認(rèn)，這種與經(jīng)典體系“曖昧不清”的關(guān)系是玻爾理論的一個(gè)致命的先天不足。玻爾王朝的衰敗似乎在它誕生的那一天就注定了，因?yàn)樗龑?dǎo)的是一場(chǎng)不徹底的革命：雖然以革命者的面貌出現(xiàn)，卻最終還要依賴于傳統(tǒng)電磁理論勢(shì)力的支持。這個(gè)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(qiáng)迫附加上去的，而不是整個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)。

比如，玻爾假設(shè)，電子只能具有量子化的能級(jí)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？玻爾在這上面語焉不詳，顧左右而言他。當(dāng)然，苛刻的經(jīng)驗(yàn)主義者會(huì)爭(zhēng)辯說，電子之所以是量子化的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)觀測(cè)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(gè)理論的基本公設(shè)令人覺得不太安穩(wěn)，這個(gè)理論的前景也就不那么樂觀了。在對(duì)待玻爾量子假設(shè)的態(tài)度上，科學(xué)家無疑地聯(lián)想起了歐幾里得的第五公設(shè)（這個(gè)公設(shè)說，過線外一點(diǎn)只能有一條直線與已知直線平行。人們后來證明這個(gè)公設(shè)并不是無可爭(zhēng)議的）。無疑，它最好能夠從一些更為基本的公設(shè)所導(dǎo)出，這些更基本的公設(shè)，應(yīng)該成為整個(gè)理論的奠基石，而不僅僅是華麗的裝飾。

后來的歷史學(xué)家們?cè)谠u(píng)論玻爾的理論時(shí)，總是會(huì)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(dāng)電子圍繞著單一軌道運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它表現(xiàn)出經(jīng)典力學(xué)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(duì)應(yīng)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(qiáng)弩之末，有一些堅(jiān)固的堡壘無論如何是攻不下來了。

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(chǎng)下的塞曼效應(yīng)和電場(chǎng)下的斯塔克效應(yīng)。但是，大自然總是有無窮的變化令人頭痛。科學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)了譜線在弱磁場(chǎng)下的一種復(fù)雜分裂，稱作“反常塞曼效應(yīng)”（Anomalous Zeeman Effect）。這種現(xiàn)象要求引進(jìn)值為1/2的量子數(shù)，玻爾的理論對(duì)之無可奈何，只能一聲嘆息。這個(gè)難題困擾著許多最出色的科學(xué)家，簡(jiǎn)直令他們抓狂得寢食難安。據(jù)說，泡利在到玻爾家訪問時(shí)，就曾經(jīng)對(duì)玻爾夫人的問好回以暴躁的抱怨：“我當(dāng)然不好！我不能理解反常塞曼效應(yīng)！”還有一次，有人看見泡利一個(gè)人愁眉苦臉地坐在哥本哈根的公園里，于是上前問候。泡利哇哇大喊道：“當(dāng)然了，當(dāng)你想到反常塞曼效應(yīng)的時(shí)候，你還能高興得起來嗎？”

這個(gè)問題，一直要到泡利提出他的“不相容原理”后，才算最終解決。

另外，玻爾理論沮喪地發(fā)現(xiàn)，自己的力量?jī)H限于只有一個(gè)電子的原子模型。對(duì)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(duì)于哪怕只有兩個(gè)核外電子的普通氦原子，它就表現(xiàn)得無能為力。準(zhǔn)確來說，在所有擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上電子的模型中，玻爾理論所給出的計(jì)算結(jié)果都不啻是一場(chǎng)災(zāi)難，甚至對(duì)于一個(gè)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(qiáng)度、寬度或者偏振問題，玻爾還是只能聳聳肩，用他那大舌頭的口音說聲抱歉。

在氫分子的戰(zhàn)場(chǎng)上，玻爾理論同樣戰(zhàn)敗。

為了解決所有這些困難，玻爾、蘭德（Alfred Landé）、泡利、克喇默斯（Hendrik A. Kramers）等人做了大量努力，引進(jìn)了一個(gè)又一個(gè)新的假定，建立了一個(gè)又一個(gè)新模型，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(qiáng)還算能解決問題，并獲得了人們的普遍認(rèn)同，但它已經(jīng)像一件打滿了補(bǔ)丁的袍子，需要從根本上予以一次徹底變革。哥廷根的那幫充滿朝氣的年輕人開始拒絕這個(gè)補(bǔ)丁累累的系統(tǒng)，希望重新尋求一個(gè)更強(qiáng)大、更完美的理論，從而把量子的思想從本質(zhì)上根植到物理學(xué)里面去，以結(jié)束現(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，并做出更多的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。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(gè)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雍恕㈦娮雍土孔樱豁擁搶憹M了公式和字母的手稿承載著靈感和創(chuàng)意，交織成一個(gè)大時(shí)代到來的序幕。青山遮不住，畢竟東流去。時(shí)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(tái)中退出，消失在漫漫黃塵中，只留下一個(gè)名字讓我們時(shí)時(shí)回味。

如果把1925-1926年海森堡和薛定諤的開創(chuàng)性工作視為玻爾體系的壽終正寢的話，這個(gè)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(gè)調(diào)和經(jīng)典理論和現(xiàn)實(shí)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(jí)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中主義的路線，這使得他的原子總是帶著一種半新不舊的色彩，最終因?yàn)闊o法克服的困難而崩潰。玻爾的有軌原子放射出那樣強(qiáng)烈的光芒，卻在轉(zhuǎn)眼間劃過夜空，復(fù)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(gè)結(jié)，許一些美麗的愿望。

但是，它的偉大意義卻不因?yàn)槠涠虝旱纳腥魏瓮噬Ｊ撬诰虺隽肆孔拥牧α浚瑸槲磥淼拈_拓者鋪平了道路；是它承前啟后，有力地推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)的腳步。玻爾模型至今仍然是相當(dāng)好的近似，它的一些思想仍然為今人所借鑒和學(xué)習(xí)。它描繪的原子圖景雖然過時(shí)，卻是如此形象而生動(dòng)，直到今天仍然是大眾心中的標(biāo)準(zhǔn)樣式，甚至代表了科學(xué)的形象。比如我們應(yīng)該能夠回憶，直到20世紀(jì)80年代末，在中國的大街上還是隨處可見那個(gè)代表了“科學(xué)”的圖形：三個(gè)電子沿著橢圓軌道圍繞著原子核運(yùn)行。這個(gè)圖案到了90年代終于消失了，想來總算有人意識(shí)到了問題。

在玻爾體系內(nèi)部，也已經(jīng)蘊(yùn)藏了隨機(jī)性和確定性的矛盾。就玻爾理論而言，如何判斷一個(gè)電子在何時(shí)何地發(fā)生自動(dòng)躍遷是不可能的，它更像是一個(gè)隨機(jī)的過程。1919年，應(yīng)普朗克的邀請(qǐng)，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(xué)的三大巨頭就幾個(gè)物理問題展開了討論。玻爾認(rèn)為，電子在軌道間的躍遷似乎是不可預(yù)測(cè)的，是一個(gè)自發(fā)的隨機(jī)過程，至少從理論上沒辦法得出一個(gè)電子具體的躍遷條件。愛因斯坦大搖其頭，認(rèn)為任何物理過程都是確定和可預(yù)測(cè)的。這已經(jīng)埋下了兩人日后那場(chǎng)曠日持久爭(zhēng)論的種子。

當(dāng)然，我們可敬的尼爾斯·玻爾先生也不會(huì)因?yàn)榕f量子論的垮臺(tái)而退出物理舞臺(tái)。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(shí)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(gè)研究所的所長。他的人格魅力很快就像磁場(chǎng)一樣吸引了各地才華橫溢的年輕人，并很快把這里變成了全歐洲的一個(gè)學(xué)術(shù)中心。赫維西、弗里西（O. Frisch）、弗蘭克（J. Franck）、克喇默斯、克萊恩、泡利、狄拉克、海森堡、約爾當(dāng)、達(dá)爾文（C. Darwin）、烏侖貝克、古茲密特、莫特（N. Mott）、朗道（L. Landau）、蘭德、鮑林（L. Pauling）、蓋莫夫（G. 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)懷，并形成一種富有激情、活力、樂觀態(tài)度和進(jìn)取心的學(xué)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(gè)物理學(xué)界眼中的圣地，這個(gè)地方將深遠(yuǎn)地影響量子力學(xué)的未來，還有我們根本的世界觀和思維方式。