第一部分：機器

第1章　英雄時代

歐內斯特·盧瑟福是科學界的偉大人物之一。他是那種駕馭時代發(fā)展的巨人，而不是順著別人的車轍亦步亦趨的盲從者。一位熟人曾對他說道：“你總是處在波峰上。”據(jù)說他是這樣回答的：“是的，畢竟是我制造了波，不是嗎？”他說話大聲，笑聲爽朗，對他那個時代里著名的“粗俗笑話”由衷地欣賞。C.P.斯諾（C.P.Snow）——盧瑟福的一個年輕的助手，曾以其小說被學術界和政府列于走廊櫥窗而贏得文學名聲——曾這樣回憶起盧瑟福勛爵：“一個體格高大而笨拙的人，高大的凸窗下沿只到他半胸位置，他有大大的藍眼睛和濕乎乎下垂的下唇。”

盧瑟福1871年出生于新西蘭，父親是一位能干的工匠，母親是鄉(xiāng)村教師。當時的新西蘭還是大英帝國的一個遙遠的海外殖民地。盧瑟福成年后成為他那個年代富于直覺的理論家和杰出的實驗物理學家。沒有人能質疑他在發(fā)掘實驗結果的意義方面的天才能力，他的實驗結果均產自他精心打造的手工設備。“盧瑟福是一個藝術家，”他以前的學生A.S.拉塞爾（A.S.Russell）這樣評價道，“他的所有實驗都帶有他的獨特風格。”

盧瑟福24歲時第一次來到劍橋大學著名的卡文迪什實驗室當研究生。那是在1895年，一個偶然的時刻，當時物理學家們都在琢磨他們的設備所表現(xiàn)出來的一種新的物理力。就在盧瑟福到來之前的一個月，德國物理學家威廉·倫琴（Wilhelm Roentgen）報告稱，某種放電產生的輻射具有很強的穿透力，它能將人的手骨成像在感光底版上。倫琴稱他的這一發(fā)現(xiàn)叫X射線。

倫琴的報告促使巴黎的物理學家亨利·貝克勒耳（Henri Becquerel）尋找X射線的其他特征。他采用的方法是將多種化學物質放在陽光下暴曬。他用一張黑紙將感光底版包裹起來，再用涂有待檢測化合物的紙蓋在其上，然后將它們放置在太陽下，曬過一段時間之后，再將它們拿回房間查看密封底版上是否有陰影出現(xiàn)。1896年2月，巴黎連續(xù)幾天是陰天，于是他將最新制備的材料——涂有鈾鹽的紙包裹著的底版——放在一個抽屜里，等待太陽再次露臉。當他給底版顯影時，發(fā)現(xiàn)底版在黑暗的抽屜里竟然自發(fā)地被鈾鹽曝光了。

不久之后，瑪麗·居里（Marie Curie）和她的丈夫皮埃爾·居里（Pierre Curie）在巴黎的他們的實驗室確認，貝克勒耳射線是由某些元素自然產生的。這些元素里包括了他們所發(fā)現(xiàn)并命名的兩種：釙（用以紀念瑪麗·居里的故鄉(xiāng)波蘭）和鐳。他們把這種現(xiàn)象稱為“放射性”。（貝克勒耳和居里夫婦因為在這一最初稱為“貝克勒耳輻射”方面的工作而分享了1903年的諾貝爾獎。）

同一時期，其他科學家也在積極探索以解開隱藏在原子內部的奧秘。卡文迪什實驗室主任J.J.湯姆孫（Joseph John Thomson）——歐內斯特·盧瑟福的導師，在1897年發(fā)現(xiàn)了電子，從而建立起原子可分割成更小的粒子——“微粒”（他這么稱呼這種粒子）——的概念。湯姆孫提出了一種原子結構模型。在這種模型中，他的這種帶負電荷的電子散布在未分割的正電荷體當中，猶如細碎的果粒散布在松軟的蛋撻當中。這個模型一經出現(xiàn)便成為著名的“葡萄干布丁”模型。它風行了14年，直到盧瑟福將它請下臺休息。

與此同時，盧瑟福也在忙著檢查“鈾輻射”，他的登臺可說是由貝克勒耳的發(fā)現(xiàn)促成的。1899年，他確定放射性可分為截然不同的兩種類型，他按放射性的穿透力將它們分為：α輻射——容易被銅、銀、鉑或玻璃吸收；β射線——貫穿力更強，能夠像陽光穿過玻璃窗一樣輕易穿過銅、鋁等輕金屬。此時盧瑟福已經搬到蒙特利爾，他獲聘麥吉爾大學的教授職位，這所大學建有當時一流的實驗室。這些實驗室由加拿大商人資助，是工業(yè)界資助科學研究的早期范例。盧瑟福有一位天資聰穎的助手，名叫弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy），他提出了“同位素”的概念，用以命名同一種元素中那些結構不同但化學性質相同的元素成分。盧瑟福認定，像鈾、釷和鐳這些重元素的放射性是由衰變產生的。所謂衰變是指一種自然發(fā)生的轉化過程。通過多步衰變——有些衰變僅持續(xù)幾分鐘，有些則歷經幾個世紀，甚至幾千年——這些重元素最后變成放射性不活潑的鉛。最終，盧瑟福確定，α射線實為失去電子的氦原子，即氦核；β射線是高能電子。這項工作使他榮獲1908年度諾貝爾化學獎。那時，他已經回到英國獲聘為曼徹斯特大學教授。

在曼徹斯特，他通過對原子結構這一核心問題的鉆研，為科學樹立了更大的里程碑。“我是在將原子看成是一個好看的硬家伙的環(huán)境中成長起來的，根據(jù)個人趣味，你可以將它看成是紅色的或灰色的。”多年后，他在談到葡萄干布丁模型時這么說道。雖然他認為原子的空間基本上是空的，而不是點綴著帶電什錦塊的均勻質量體，但此時他還不認為這是一個替代模型。與曼徹斯特大學的兩名研究生助理漢斯·蓋革（Hans Geiger）和歐內斯特·馬斯登（Ernest Marsden）一起，他開始著手尋找這樣一個替代模型，使用的工具就是α粒子。他知道，這些粒子都能被磁場偏轉，但奇怪的是，它們在通過固體物質——如薄的云母片——時偏轉得更厲害。這表明原子內部是一個電磁漩渦，而非平靜的、堅實的布丁，這種漩渦使經過它的粒子被甩出去。

盧瑟福的實驗是采用從純凈玻璃小瓶里的鐳放射出的α粒子來轟擊金箔。蓋革和馬斯登通過觀察α粒子打在涂有硫化鋅的玻璃板上所發(fā)出的閃光或閃爍來記錄α粒子的散射。該裝置顯示出盧瑟福做事特有的簡單性和風格，但執(zhí)行起來任務極其繁重。觀察者需要先坐在沒有燈光的實驗室里進行一個多小時的暗適應，然后一次只能持續(xù)觀察一分鐘，因為緊盯顯微鏡屏幕的緊張往往會產生虛幻的閃爍感，從而混淆了真實的閃爍。（蓋革由此最終發(fā)明了以他名字命名的粒子計數(shù)器，從而解救了疲勞無助的實驗者。）

實驗表明，大多數(shù)α粒子穿過金屬箔后僅有非常輕微的偏轉或沒有偏轉。但有一小部分——大約是八千分之一——出現(xiàn)大角度反彈，有的甚至被直接回彈到放射源。

盧瑟福對這一結果感到震驚。“這幾乎就像你向一張薄紙發(fā)射一枚38厘米的炮彈，結果它竟彈回來打在你身上一樣難以置信，”幾年后他這么說道，那時他已建立起核物理歷史上最珍貴的圖像。對他來說，理解這其中所發(fā)生的事情并不難，因為這一現(xiàn)象只能解釋成原子內大部分空間是空的，幾乎所有質量都集中在一個極小的、帶電的內核上。只有當α粒子碰巧直接打在這個內核上或足夠接近這個核才可能被它的電荷偏轉。盧瑟福的結論是，這個內核就是原子核。

盧瑟福的發(fā)現(xiàn)在原子物理學家的模型概念上引起了一場革命，但這并不是他最終的成就。那是在1919年，他報告了一個比1911年觀察到的薄紙反彈結果更令人吃驚的現(xiàn)象。

盧瑟福再次挪了位置，這次是去了劍橋，擔任卡文迪什實驗室主任一職。這間實驗室是在1874年建立的，第一任主任是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）。剛任命時麥克斯韋還不是那么出名，但在短短的幾年內，他發(fā)表的關于電和磁的工作使他獲得了世界范圍的聲譽，所建立的卡文迪什實驗室也跟著成為歐洲領先的科學中心。麥克斯韋建立起來的電磁概念將電和磁看成是同一個電磁現(xiàn)象的兩個方面，從而在艾薩克·牛頓爵士的經典物理學與阿爾伯特·愛因斯坦的相對論世界之間建立起橋梁，他的卡文迪什實驗室成為英國物理學實驗傳統(tǒng)的充滿生機的寶庫。

在盧瑟福掌舵期間，卡文迪什實驗室陶醉于其破舊但莊嚴的氛圍中。在機構設置上它可謂小科學的縮影。建筑物的形狀就像個L形圍攏的小庭院：長邊一側三層，頂層的山墻上開著窗子，屋檐急劇向下傾斜。大樓里有一間大實驗室和一間專供“教授”使用的小實驗室，一間存放實驗設備的房間和一個演講大廳。盧瑟福每周過來三次，給大約四十名學生講課，偶爾從上衣里面的兜里抽出幾張備課卡片來提示一下。物理學家馬克·奧利芬特（Mark Oliphant）在20世紀20年代中期從澳大利亞來到卡文迪什。他是這樣描述的：“地板上沒鋪地毯，油漆的松木大門顯得昏暗，石灰墻面色彩駁雜，慘淡的光線透過臟兮兮的玻璃從天窗射下來。”對于實驗室主任，他將盧瑟福描述為“一個高大、面色紅潤的男子，頭發(fā)稀疏，胡子倒是一大把，讓我不由得想起百貨商店和郵局的看門人”。實驗室嚴格遵守歐洲的“紳士傳統(tǒng)”，晚上六點，不管實驗是否還在進行，到點關門，一位年老的值班人員會來到實驗臺前不耐煩地瞪著還在工作的科學家，搖晃著手中的實驗室大門鑰匙提醒他時間。工作拖拉被認為是一種“壞的習慣，壞的形式，壞的科學”。

卡文迪什非常看重它昔日的光榮歷史，當年它在十分有限的資源條件下取得了偉大的進步。整個年度預算約為2000英鎊，大約相當于21世紀里的80000美元。這點錢就是在舊時代按當時的工作強度來說也可謂捉襟見肘。提高資金使用效率的訣竅全在于盧瑟福一幫助手的精明和手藝，他們能夠從簡潔優(yōu)雅的實驗裝置中提取出最大的成果。1919年的實驗就體現(xiàn)了盧瑟福團隊的這一風格。

盧瑟福在帶著詹姆斯·查德威克（James Chadwick）一起工作時，后者的實驗技能堪比盧瑟福本人，訓練他如何讓α粒子去打一系列氣態(tài)靶：氧氣、二氧化碳，甚至普通的空氣。在用一個改進了的1911年的馬斯登-蓋革密閉盒進行實驗時，他們發(fā)現(xiàn)，普通空氣會產生特別頻繁的閃爍，就是那種類似于氫原子核——質子——所產生的閃爍。盧瑟福正確地猜測到，這種現(xiàn)象與空氣中所含的80%的氮有關。

“我們必然得出結論。”他寫道，“氮原子……在與一個高速α粒子的近碰撞中被瓦解了。作為氮核的一個組成部分的氫原子被釋放出來。”這些繞口的話在科學界產生了地震，因為盧瑟福描述的這種現(xiàn)象是原子的第一次人工分裂。人們最終認識到，這個反應涉及氮原子核——由7個質子和7個中子組成——對由兩個質子和兩個中子組成的α粒子的吸收，然后放出1個質子，氮-14嬗變成同位素氧-17。但真正為科學世界開辟了一條新的路徑的是盧瑟福在文章結尾提出的觀點。“總之這個結果表明，”他寫道，“如果α粒子——或類似的彈丸——在實驗中能獲得更大的能量的話，我們就能夠打破許多較輕原子核的結構。”

換句話說，由鐳和釙自然產生的α粒子作為核探針已經物盡其用。它們已經顯得不夠強大。我們必須找出某種途徑來使彈丸具有更大的能量：人的智慧加上大自然的饋贈就能創(chuàng)造出一種新的核探針。盧瑟福為核物理學的未來制定了一個路線圖。在遙遠的地平線那端，現(xiàn)實將表明，完成獲得必要能量的任務已經超出了盧瑟福這一代人所熟知的優(yōu)雅的基礎科學的能力。

盧瑟福的發(fā)現(xiàn)在物理學領域催生了一批精英。后來J.羅伯特·奧本海默（J.Robert Oppenheimer）將這一時期描述為“一個英雄的時代”，這不僅僅是因為知識資源被集中到應對盧瑟福提出的挑戰(zhàn)，而且還在于這一工作發(fā)生在一種知識危機的背景下。物理學家們不得不面臨一系列驚人的難題，這些難題徹底撼動了他們關于自然世界的概念。在20世紀20年代的大部分時間里，他們痛苦地懷疑他們是否能夠徹底解決這些問題。

那個時代的杰出物理學家的話里總是充滿了對知識的絕望。德國物理學家馬克斯·玻恩（Max Born）——新的量子力學理論的最早信徒，在1923年寫道：“大量的矛盾可能僅僅意味著整個物理學概念系統(tǒng)必須從根本上推倒重建。”維也納理論家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli），一個集嚴謹?shù)闹R完整性與尖刻的批評于一身的人（他對一篇草率的文章的著名批判是稱它“簡直不叫錯”[1]），在1925年感嘆道，物理已變得“非常混亂”，“我希望我……從來沒聽說過它”。即使頭腦冷靜的詹姆斯·查德威克在回憶起卡文迪什的實驗時也稱它“如此絕望，簡直到目前為止都屬于煉金術時代的做法”。

盡管他們的任務異常復雜，但或許正是因為這一點，他們的工作才吸引了公眾的目光。在二十幾歲的年輕人看來，物理學帶有戲劇性的光環(huán)，甚至還有浪漫色彩。第一次世界大戰(zhàn)后的頭十年始于亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）勛爵于1919年11月在英國皇家學會和皇家天文學會聯(lián)合舉行的會議上對愛因斯坦的相對論所做出的驚人確認。倫敦《泰晤士報》歷史性地以三行標題“科學的革命/新的宇宙理論/牛頓的想法被推翻”宣布了這一結果。愛丁頓通過艱苦的宣傳活動，使得相對論及其創(chuàng)建者——阿爾伯特·愛因斯坦——成為國際生活中人盡皆知的熱詞。但這只是激發(fā)了公眾對探索自然界基本真理的好奇心，同時讓他們形成了這樣一種印象：現(xiàn)代物理學家都是無畏的人，為了收集數(shù)據(jù)敢于奔赴天涯海角，就像愛丁頓，為了見證相對論所預言的日食奇景，居然跑到遙遠的非洲普林西比島上去。

報紙編輯表現(xiàn)出對最新突破的極大興趣。科學家成了名人。1921年，瑪麗·居里帶著她的兩個女兒——艾娃（Eve）和伊蓮娜（Irène）——做了一次6周的美國之旅，這在公眾中引起了廣泛的欽佩之情。這次訪問是由瑪麗·馬丁莉·梅洛尼（Marie Mattingly Meloney）夫人發(fā)起的。她是紐約的一位社會名流，也是一家時尚雜志的老板。當她得知居里夫人的研究因缺錢買不起鐳時感到非常震驚。梅洛尼出了個點子：籌集100000美元為居里購買1克這種寶貴的礦物質（這個量差不多就是能嵌在頂針里的那一點），并邀請居里坐船來美國接受這項禮物。“居里夫人正計劃終結所有癌癥”，《紐約時報》在她到來那天早上的頭版上發(fā)布了這一消息（次日報紙又悄悄地將這條赤裸裸的斷言收回了）。居里夫人此次訪問的高潮是在白宮受到梅洛尼和包括西奧多·羅斯福的女兒愛麗絲·羅斯福·瑯沃思（Alice Roosevelt Longworth）在內的華盛頓社會名流的隆重接待。瑪麗·居里直接從總統(tǒng)沃倫·哈丁（Warren Harding）的手上接下了載有鐳的緞帶瓶，之后她用她那“蹩腳的英語”（《紐約時報》用語）表達了她的感激之情。可見即使在小科學時代也需要這樣的融資。

公眾開始相信，物理學掌握著自然世界所有現(xiàn)象的關鍵，包括化學和生物學。撰寫盧瑟福傳記的作者亞瑟·伊芙（Arthur S.Eve）寫道：“物理學家們攜最初的成功，正努力根據(jù)正電子、負電子和它們在以太中產生的效應來解釋所有的物理和化學過程。”如果他們是對的，他說：“像遺傳、記憶和智力等現(xiàn)象，以及我們的道德和宗教思想……都可以根據(jù)正、負電子和以太來解釋。”

并不是所有的物理學家都如此自信。隨著時間的推移，他們更深入地探究原子結構的復雜性，但對自然世界的認識卻增長有限。他們的困惑源于兩個相關且同樣令人費解的現(xiàn)象。一個是自然在微尺度上表現(xiàn)出的所謂波粒二象性：實驗結果顯示，光和電子的行為有時候像粒子，有時候則像波。

愛因斯坦早期關于光電效應的開創(chuàng)性工作表明，光是由一股“光量子”或粒子構成的。但他承認，如衍射、干涉和散射等行為又都屬于波的性質。他沒有調和這些相互矛盾的觀察結果，而是將這一問題提交到他的同事面前。“這是我的觀點。”1909年，他在德國薩爾茨堡召開的一次科學會議上這么宣布：“理論物理學下一階段的發(fā)展將帶給我們一種光的理論，它可以解釋為一種波與（粒子）理論相融合的理論。”

物理學家?guī)е唇鉀Q的亞原子行為之謎進入20世紀20年代中期，希望不斷積累的觀察結果能將他們引向事實真相。但情況恰恰相反：他們獲得的數(shù)據(jù)越多，似乎他們知道的就越少。“非常奇怪的情況是，越接近問題的解，”年輕有為的德國理論物理學家沃納·海森伯（Werner Heisenberg）這樣認為，“矛盾卻變得越來越嚴重。”唯一的答案似乎就像英國物理學家威廉·布拉格（William Bragg）勛爵當作玩笑提出的：“上帝在每周的一、三、五利用波動理論來解釋電磁現(xiàn)象；魔鬼則在每周的二、四、六用量子理論來解釋它。”

大概要算海森伯和他的導師，說話溫柔但邏輯嚴謹?shù)牡溔四釥査埂げ枺∟iels Bohr），最后猜中了正解。海森伯將這個認識過程比作在濃霧中看一個浮現(xiàn)的對象。他們的結論是，對于發(fā)生在量子尺度上的事件，任何人能知道的僅限于他能夠觀察到的是什么——所獲知識依賴于觀察手段。換句話說，如果一個人所用的儀器是設計用來檢測作為粒子的電子的，那么這些電子就會表現(xiàn)為粒子；如果他所用的儀器是設計用來檢測波的，那么這些電子就會以波的形式出現(xiàn)。電子作為粒子和電子作為波是同一事物的同樣有效的兩種表現(xiàn)，這里沒有矛盾，有的只是——按玻爾的話——“互補性”。

理論認識上這可算是一種突破，但互補性并沒有解決原子核所產生的反常結果。核結構成為20世紀物理學家的第二大神秘難題。

歐內斯特·盧瑟福將原子描述成一個微型太陽系：帶負電荷的電子圍繞著一個體積微小但質量巨大的帶正電的核做軌道運動，這個核由質子和帶負電荷的電子構成。這個模型的誘人的簡單性使得它成為廣為接受的真理，特別是在尼爾斯·玻爾于1913年證明了電子只能在與特定能級相關的、距核一定距離的軌道上運動之后，就更是如此。這似乎是調和了經典力學與量子力學之間的關系：前者支配軌道運動，后者決定著能級，從而決定了電子可以占據(jù)的軌道“殼層”。原子在整體上呈現(xiàn)中性：軌道電子的負電荷平衡了原子核的正電荷，原子核之所以呈正電性是因為質子數(shù)大于電子數(shù)。因此，按盧瑟福的推算，氦原子有2個軌道電子和1個由4個質子和2個電子構成的核；鐳有138個軌道電子和一個由226個質子和88個電子構成的核。

問題很快就變得明顯，這個模型產生的問題比它解決的問題還要多，而且越重的原子問題越大。到了1923年，也就是玻爾原子模型提出后的第10個年頭，物理學家們仍在質疑其普適性。玻爾模型僅適用于最簡單原子——氫——的實驗觀察，氫只有1個質子和1個電子。而對于下一個最重的原子——氦，這個模型便開始失效，所引起的反常幾乎讓馬克斯·玻恩感到絕望。

麻煩制造者是那些核內電子。沒人能解釋這么多粒子是如何被約束在核內的；或者如果有東西切入，這些高能粒子是如何能夠待得住的。玻爾本人被迫承認，他珍愛的量子力學可能不適用于所有的核，我們或許需要發(fā)展出更新穎也更讓人不知所措的機制來解釋日漸增多的實驗反常。

現(xiàn)成的解決方案盧瑟福那里就有。這位卡文迪什的元老自這個十年開始就一直在思索這個謎團，當時他認為，核內電子在強相互作用力的作用下會產生“嚴重變形”，因而它們在性質上非常不同于軌道電子。他認為，在這種情況下，電子會與質子結合形成一個不帶電的、迄今未被發(fā)現(xiàn)的復合粒子，他稱之為中子。

盧瑟福讓永遠忠實的查德威克來探索這種難以捉摸的中子。“他向我詳細地闡述了……問題的困難性，復合核如何能夠建立起來，如果可用的基本粒子只有質子和電子的話，因此現(xiàn)在需要的就是借助于中子。”查德威克多年后敘述道：“他大方地承認這純粹是猜測……除了私下討論，他很少提及這些問題。”但“他完全改變了我。”

隨著探索的進行，事情變得越發(fā)明顯：要解開核結構的神秘性，所需的探針的高能量已超出大自然提供的范圍。盧瑟福不愿意公開談論這一法則的潛在影響。鐳發(fā)射的α粒子的能量接近7.6百萬電子伏，β射線，即電子，則只有3百萬電子伏。“我們所需要的，”盧瑟福宣稱，“是這樣一種設備，它能提供10百萬伏特量級的電壓，可以安全地置于一個相當大的房間內，由幾個千瓦功率的電源驅動……我向懂技術的朋友們推薦這個有趣的問題。”

但產生盧瑟福所要求的電壓僅僅是問題的一部分，而且是最簡單的部分，大自然就能滿足這一要求，因為一個閃電的電壓就有3～200百萬伏特。這些巨大的、短暫的電壓可以成為一道亮麗的景觀，但能被利用的價值不大。問題是如何利用這個力量，如何維持它，并操縱它對原子核實施攻擊。通過電力行業(yè)常見的安排，如串聯(lián)變壓器，“能獲得的電壓似乎沒有上限”，盧瑟福聲稱，再說發(fā)電廠就能夠產生“一道幾碼長的火花，類似一個小尺度的快速連續(xù)的閃電”。但這項技術仍談不上“接近，更不用說超越放射性元素在提供高速電子和高速原子方面的作用了”。

科學家在試圖獲得所需能量的過程中常常遭遇到設備被炸成碎片，實驗室到處散落著玻璃碎片的令人沮喪的局面。有些人選擇了勇敢地面對大自然的憤怒：來自柏林大學的三名男子在阿爾卑斯山的兩座山峰之間拉了一對700碼（1碼=0.9米）長的鋼纜，等待測量雷電。當雷電到來時，他們測得的電位差高達15百萬伏特——但狂怒的雷擊將其中一人當場炸得粉身碎骨。

美國高校這時已開始分享與大企業(yè)合作的成果，并將這種協(xié)作關系正式投入到工作中去。加州理工學院接受了南加州愛迪生有限公司饋贈的禮物——一臺1百萬伏的變壓器，這樣加州理工大學就可以發(fā)展高電壓技術，愛迪生當年曾夢想，可以利用這項技術在三百英里外的科羅拉多河上建造一座大壩（即胡佛大壩）水電站，將產生的電力傳輸?shù)铰迳即墶＜又堇砉W院的物理學家們用這臺機器來產生X射線，但它遠不及盧瑟福所要求的那般緊湊——不是放進“一個相當大的房間”，而是填滿了一座面積達836平方米的三層大樓。整個樓坐落在地下很深的地基上。但就是這樣也仍然無法產生可用的高能粒子束。最后，這臺機器成為加州理工學院最著名的景觀，每逢校慶“紀念日”，校友們便要到這里來觀看它在雷鳴般的報告聲中所發(fā)出的“長長的九曲回腸般的電弧”。

在探求這一目標的過程中，最重要的人物之一是物理學家默爾·圖夫（Merle Tuve）。他決心在真空管里實現(xiàn)一次性加載1百萬伏的高壓，那么多的能量會把現(xiàn)有的真空管炸得粉碎。“我相信，我們所有人在年輕時都是極端分子。”他后來解釋說：“我們總是想去達到溫度的極限、壓力的極限、電壓的極限、真空的極限，或是其他什么的極限。”他選擇的儀器是特斯拉線圈，一種由富于遠見的物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在1890年發(fā)明的高壓變壓器。圖夫的版本是由銅繞線包裹著的一個空心的三英尺長的玻璃管構成，整個裝置浸在盛滿油的加壓缸里以抑制電火花。他和他的華盛頓卡耐基學院的同事們設法產生了1.5百萬伏甚至更高的電壓來顯示β射線的產生和偶爾出現(xiàn)的加速質子，但這臺設備顯得粗糙、古怪，而且不可控。不久，圖夫就拋棄了它，覺得它不適合做原子核研究，并詛咒它為“無法擺脫的麻煩”。

圖夫轉向求助于靜電起電機。靜電起電機是由普林斯頓大學的一位名叫羅伯特·范德格拉夫（Robert Van de Graaff）的工程師發(fā)明的。這個裝置有一個位于絕緣柱頂部的大的空心金屬球殼，球殼內有一套穿過絕緣柱自下而上連續(xù)傳動的絲織帶。在底部，直流電源通過金屬尖針向絲織帶放電，使絲織帶帶電并通過電機轉動傳送到頂部；在頂部，再通過一根與金屬球殼相連的金屬針將傳送帶上的電荷傳送到球殼上，并在殼上積累，使之最終達到合適的電壓。范德格拉夫起電機可以產生豐富的電壓和火花，從而使它成為許多好萊塢影片中瘋狂科學家必備的主要道具，但它還不足以成為盧瑟福所需的能提供“富足的”高能子彈的武器。為此圖夫和范德格拉夫一起，想方設法利用真空管和其他設備來產生所需的經過聚焦的高能帶電粒子束。最后他們終于成功了，但就在他們艱辛跋涉的時候，范德格拉夫的技術已經被另一些全新的東西超越。

這種新技術的開發(fā)者就是歐內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence），一個生長在南達科他州的一個名叫坎頓（Canton）的小鎮(zhèn)上，曾在童年與默爾·圖夫——他的同學和街對面的小伙伴——一起分享他所迷戀的電動小玩意兒的人。在物理學撞上阻礙理解原子核的這面大墻之際，歐內斯特·勞倫斯如命中注定一般開始了他的職業(yè)生涯。這道障礙令人惱怒，物理學家只能隔著這道墻遠遠盯著遠處昏暗的景觀，真相一直籠罩在薄霧中。勞倫斯像是在這堵墻上打開了一道缺口，薄霧瞬間被清除掉。同時，勞倫斯的發(fā)明還標志著科學研究從小科學形態(tài)過渡到大科學。他發(fā)明了一種切實可行的方法，可以人為地將亞原子粒子加速到足夠的能量使之打入到核內，讓物理學家看清楚核到底是由什么組成的。在他們的同事看來，盧瑟福和勞倫斯都以“歐內斯特”著稱，他們的工作都將在人類探索自然的歷史上留下劃時代的一筆。