第六十三回：王子追電子探得微觀新奧秘，數學加物理辟出力學新體系
——量子力學的創立上回說到愛因斯坦被德國法西斯勢力迫害流亡美國。從此，世界物理學研究中心便開始逐漸從歐洲向美國轉移。在這個大轉移還未全部完成以前，讓我們看看歐洲大陸的物理學家們，正在趕緊做一點什麼工作。
前幾回講的那個索爾維量子討論會，與會科學家中有一個叫莫裡斯的，此人出身公爵世家，卻酷愛科學，他在自己巴黎的住宅內還裝備了一個完善的實驗室。莫裡斯有一個弟弟，叫路易斯•德布羅意(1892－)，本是學文科的，但他很尊敬哥哥，也常來他的實驗室裡好奇地問這問那。這弟兄二人，毫無貴族子弟常有的那種浮浪之氣，整日潛心讀書，研討問題。
再說莫裡斯那天開完會從布魯塞爾剛回到巴黎，德布羅意便到家中看望哥哥，並且打聽會議上可有什麼科學新聞。莫裡斯將會上關於量子理論的爭論如此這般地講了一回，德布羅意早聽得如醉如癡。半天，他突然張口說道：“哥哥，我要跟您一起研究物理。”
“什麼？”莫裡斯大吃一驚，“你再有兩年就要拿到歷史學方面的學位，現在改行豈不前功盡棄？”
“您放心，文科學位我照樣要爭到手，但是我覺得應給自己再開闢一塊知識領地。歷史，是在人們對已經知道的甚至親身經歷過的事實進行梳理、編織；而物理則是去探尋那些早已存在卻還不為人知的事實，他對我有更大的吸引力。”
“可是現在早已不是伽利略、牛頓時代，物理學已伸入到微觀世界，每走一步就更加艱苦。而且過去的宏觀經典理論已不適應，新的理論體系還遠未建立。這時你來入伙實在冒險，也許我們這些人費盡九牛二虎之力，撈的卻是一個水中的月亮。”
“，我直覺地感到量子理論是很有希望的，我決心獻出全部精力弄清這神秘量子的真正本質。”
正是：
金衣玉食何足貴？過眼煙雲不多時。
聰明貴胄有奇志，不愛虛榮愛真知。
再說德布羅意剛下定決心開始對理論物理的研究，不久，第一次世界大戰就爆發了，他便服兵役上了前線，直到1922年他才重回哥哥的實驗室繼續中斷許久的研究。漸漸地他生成了一個大膽的思想：光波是粒子，那麼粒子是不是波呢？就是說光的波粒二象性是不是可以推廣到電子這類的粒子呢？就像當年法拉第由電變磁推想磁變電一樣，德布羅意思路一開立即拓出一片新的天地。1923年他接連發表三篇論文，提出“物質波”的新概念，他堅信大至一個行星，一塊石頭，小至一粒灰塵，一個電子，都能生成物質波。物質波有其獨特之處，它能在真空中傳播不要介質，因此不是機械波。但它又可以由不帶電的物體運動生成，因此它又不是電磁波。他還運用愛因斯坦的相對論，推出了物質波的波長公式λ＝h/mu。即波長與粒子的質量和速度的乘積成反比。他還算出中等速度的電子的波長應相當於X射線的波長。
第二年，1924年，德布羅意將自己的這個新思想寫成一篇論文《關於量子理論的研究》去考博士學位。可以說是當時物理學界一個獨一無二的新觀點，許多人看了文章都搖頭，眼看德布羅意的博士學位是毫無希望了。這時他的老師朗之萬出來說了一句話：“我雖然很難相信德布羅意的這種觀點，但是他的論文實在是才華橫溢，因此我還是同意授予他博士學位。”他總算勉強通過答辯。再說朗之萬對這件事總是不放心，也不知他的這個學生到底該算是個才子還是個瘋子，便將論文稿寄給愛因斯坦審閱。愛因斯坦真不愧為一個理論物理大師，他剛讀完文章就拍案叫絕，並立即向物理學界的幾個大人物寫信，籲請對這個新思想給予關註：“請讀一讀這篇論文吧，這可能是一個瘋子寫的，但只有瘋子才有這種膽量。它的內容很充實。看來粒子的每一個運動都伴隨著一個波場，這個波場的物理性質雖然我們現在還不清楚，但是原則上應該能夠觀察到。德布羅意幹了一件大事，另一個物理世界的那幅巨大的帷幕，已經被輕輕地掀開了一角。”
花開兩朵，各表一枝。在物理學中同一個題目常常是理論和實驗雙管齊下，稿紙上的推算和實驗室裡的測試刀槍並舉，經過一場激戰，堡壘才宣告攻克。
事有湊巧，就在愛因斯坦這話剛說過不久，和法國隔洋相望的美國出了一件事。在紐約的貝爾電話實驗室裡有一個研究人員叫戴維遜，長期以來他和助手革末在做電子轟擊金屬的實驗。這天二人正聚精會神地觀察，忽然一聲巨響，一隻盛放液態空氣的瓶子倒地炸裂。這下可糟了，實驗用的金屬靶子是置於真空條件下的，現在液態空氣立即氣化，瀰漫全室，鑽進了真空系統，那塊當靶子的鈍鋅板立即就被氧化。他們只好自認倒霉，連夜加班，將這塊鋅板換下來又是加熱，又是洗刷，費力地將鋅板表面的氧化膜去乾淨，再裝回真空容器裡。
第二天，戴維遜和革末又來到實驗室，他們將儀器安置好後又開始了那個不知重複了多少次的實驗。戴維遜板動開關將電流直向鋅板射去，一邊喊革末調整一下鋅靶的角度。革未將鋅靶輕輕轉了一個角度，戴維遜卻吃驚地喊道：“見鬼，今天怎麼連電子也學會與我繞彎子！——革末，再將鋅靶轉個角度。”
“先生，您發現了什麼？”革末一邊轉動鋅靶，一邊問道。
“您自己來看，莫非是我的眼睛出了毛病？”戴維遜說著和革末換了個位置。
“哎呀，電子束怎麼不穩定了呢？”
各位讀者，你道他們發現了什麼？原來隨著鋅板的取向變化，電子束的強度也在變化，這種現象很像一束波繞過障礙物時發生的衍射那樣，但是電子明明是粒子啊，它怎麼能有波的性質呢？戴維遜師徒兩人又將這個實驗重複了多遍，仍然如此，他們一下跌入悶葫蘆裡。要說電子也是波，這簡直就好像說人頭上長角一樣不可思議。他們就這樣百思不得其解，在悶葫蘆裡一直悶了兩年。
兩年後的夏天，戴維遜訪問英國，遇到著名的物理學家玻恩。兩人剛坐好，戴維遜就迫不及待，將那個在肚子裡憋了兩年的問題提了出來。玻恩不聽猶可，一聽戴維遜如此這般地描述，便喜不自禁，也不顧是與客人初次見面，突然在對方肩上拍了一把，大聲說道：“朋友，您已經撞開了上帝的大門。”
“難道電子真的也是一種波嗎？”
“是的，光有波粒二象性，一切物質微粒也有波粒二象性，電子也不例外。這正是歐洲大陸上近年來最新的理論。可惜這個假設還從沒有人來驗證，想不到證據卻操在你的手裡。”
“看來我們美國與這裡遠隔重洋，真是消息閉塞。我要是早一點來訪問，何至於苦悶兩年呢？快請您告訴我是誰提出了這個偉大的假設？”
“就是那個法國人德布羅意，這個人本是學文科的，半路出家投身物理。但也正因此他沒有我們同行中慣有的舊框子，所以倒捷足先登。他不但提出假設，還推出公式，能具體地求出粒子的波長呢。他的論文發表在法國科學院會議週報上和英國的《哲學雜誌》上，您可以仔細研究一下。”
這兩個科學家越談越有勁，而戴維遜心裡已在悄悄地說：只今天這一席談話我就不虛此行了。拜會過玻恩之後戴維遜已無心再到哪裡轉了，便草草結束了這次訪問。他回到美國後，重做了兩年前的實驗，果然與德布羅意的預言和計算完全一致。原來兩年前的那次液態氣瓶爆裂幫了他的大忙。他和革末對鋅板加熱、洗刷後，鋅板就變成了單晶體，而任何一種波經過晶體，都會生成強度週期性的變化現象。他們真是因禍得福。同時還有另一名英國物理學家小湯姆生，則從另一條途徑獲得一張電子衍射的照片。德布羅意理論從此得到了有力的證實。德氏因此獲得1929年的諾貝爾物理學獎金，而戴維遜和小湯姆生則共同分享了1937年的諾貝爾物理學獎金。讀者或許要問：這個小湯姆生與我們前面提到的老湯姆生是何關係？原來他們正是一父一子，老子發現了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學方面做著接力研究，一時在科學史上傳為美談。
各位讀者，容作者在這裡插幾句閒話。德布羅意和戴維遜等人證明電子是波，好像實在抽像，我們這裡只舉一個例子就可知這個理論的威力。我們平常所以能看到東西是靠光，那是平常的光作用於物體，再反射到我們眼裡。光學顯微鏡所能顯示的物體微小細部的能力，因所使用的光的波長小到什麼程度而定。因此，放大能力最強的顯微鏡便使用紫外光。這好比我們撬一塊大石頭，要用一根粗木棍，而剔牙時卻只能用一根細牙籤了。好了，現在證明電子和光一樣也是波，而且它的波長比紫外光要小幾千倍，何不用來代替光顯示物體呢？果然，人們把電子束集中在一個焦點上，射過物體，便在螢光屏上得到一個放大的圖像。1932年世界上發明第一架電子顯微鏡。1938年美國人製成了一架能放大三萬倍的電子顯微鏡，而當時最大的光學顯微鏡也只能放大2500倍，現在人們使用的電子顯微鏡已經能放大到二十萬倍以上。
好了，閒話暫且不提，我們還回到德布羅意的故事上來。這德布羅意假設一提出，當時大部分物理學家都抱著試試看的態度。其中有一個奧地利物理學家薛定鍔(1887－1961)1926年正在蘇黎世大學(就是愛因斯坦曾工作過的那所大學)任教授。有人建議他把這個假設拿到學生中去討論，他很不以為然，只是出於禮貌，才勉強答應下來。可是當他為討論準備介紹報告時，立即被德布羅意的思想抓住了。現在我們又要看到科學史上一次驚人的相似。這薛定鍔的特長是數學很好，於是他就像牛頓總結伽利略、開普勒的成果，麥克斯韋總結法拉第的成果一樣，立即用數學公式將德布羅意的思想又提高了一層，得出一個著名的“薛定鍔方程”。這個方程一公佈立即震驚物理界，它就像牛頓方程解釋宏觀世界一樣，能準確地解釋微觀世界。它清楚地證明原子的能量是量子化的；電子運動在多條軌道上，躍遷軌道時就以光的形式放出或吸收能量；電子在核外運動有著確定的角度分佈。這樣，他用數學形式辟出一個量子力學新體系。同時還有一個德國物理學家海森堡從另一角度研究量子力學，提出一個矩陣力學體系。薛定鍔用的是微積分形式，海森堡用的是代數形式，物理學早已不是人們可以眼看手摸的形狀、溫度，它現在要用更抽像的概念才能作出更準確的表述了。正像我們繪畫時為了更準確地傳神，白描反而不夠，而要用寫意。
再說這個海森堡(1901－1976)越研究越深。最後，他發現我們雖然可以在宏觀世界裡準確地觀察任何現象，而在微觀世界裡簡直作不到這一點。這好比我們用一支粗大的測海水溫度的溫度計去測一杯咖啡的熱量，溫度計一放進去，同時就要吸收掉不少熱量，所以我們根本無法測准杯子裡原來的溫度。而作為原子內的能量如此之小，任我們製成怎樣精確的儀器，也會對它有所干擾。觀察者及其儀器永是被觀察現象的一個不可分割的部分，一個孤立自在的物理現象是永不存在的。這便是“測不准原理”。我們生活在這個物理世界，身在此山中，難識廬山真面目。
量子理論現在越發展越深，當初的一個幼芽，現在已經漸漸長成一棵枝葉扶疏的大樹。於是，1930年一批物理學家們又齊集布魯塞爾召開第六屆索爾維會議。檢閱1911年第一次會議以來量子理論的發展成果。這次會議的主角已不是普朗克，而是玻爾(1885－1962)。
這玻爾是丹麥人，1911年畢業於哥本哈根大學，後追隨盧瑟福求學，1916年起就返回母校任教，並創辦了物理研究所。他將當時世界上一批有才華的青年如海森堡、泡利等都團結到自己的身邊。玻爾治學嚴謹，卻又繼承了老師盧瑟福的民主學風。他有一句名言，就是：“我從不怕在年輕人面前暴露自己的愚蠢。”在他的研究所裡一爭論起學術問題，便沒有長幼、師生之分。這種充分的學術民主，依靠集體的智慧，後來被稱為哥本哈根精神。
玻爾身體強壯，年輕時他們兄弟二人都是丹麥國家足球隊隊員，所以他後來獲諾貝爾獎金時，一家丹麥報紙曾有這樣一條幽默的大標題：足球名將玻爾獲諾貝爾物理學獎金。後來，玻爾雖已成了名人，但還時常幹一點孩子們愛幹的事情。一天晚上他和幾個學生外出歸來，街上靜悄悄的，一個學生看到銀行大樓的牆面是水泥格子拼成，就好奇地向上爬上兩層。玻爾也要逞能，說他也敢爬。當他爬到一層高時，跑來兩個警察，以為是盜賊在作案，可是走近一看，說了聲：“這不是玻爾教授嗎？”便走開了。還有一次他和幾個學生看電影，看到電影裡的惡棍和英雄比武，總是惡棍被打死。他解釋說這是因為英雄有一種自我反射，所以比惡棍動作快，學生們不服。於是他們就吵吵吱嚷地到玩具店裡買了幾支手槍，在院裡比武。結果玻爾真的將他們一個一個“打死”了。玻爾就像廬瑟福當年領導卡文迪許實驗室一樣，在哥本哈根當著孩子王，其純樸、天真可見一般。
再說第六屆索爾維會議開幕，玻爾打出第一張牌就是“測不准原理”。他闡述道：“根據這個原理，我們要想精確地測定粒子的位置，就無法測定它的速度，反過來，要想測定其速度就無法測定它的位置。”
正當與會的大部分科學家都點頭表示理解時，想不到愛因斯坦一人站起來反對：“事物是客觀具體地存在的：我不相信上帝會在隨便丟骰子，碰運氣。”
“這和你的相對論並不矛盾啊？”
“可是你在這裡否定了因果關係，我不相信世界是捉摸不定的。現在我來設計一個實驗，請您解釋。假如有一個理想的盒子，裡面有光源，在固定的時間打開一下盒上的閘門，放出一些光來。我們再稱一下盒子的重量，根據質量的變化就能算出光放出的能量。這樣，我們不就可以任意精確地測量光放出的能量、放光的時間了嗎？”
愛因斯坦真不愧為理論物理學家，他隨意就設計出一個思想實驗，一時把個玻爾問得無言以對，好端端的一個會議竟無法再開下去。
這玻爾哪能服氣，整整一晚上沒有睡覺，召集他的學生們緊急商討對策。第二天，天一亮，玻爾就去敲愛因斯坦的門，並且手裡真的捧著一個“愛因斯坦盒子”，盒子吊在彈簧秤上。他笑咪咪地說：“愛因斯坦先生，請看您的盒子，它一放出光，質量就要變化，彈簧抽動，盒子做上下運動，盒子中的鍾也在動，就是說它在引力場中的位置已經變化。而根據您的相對論，這時時鐘的速率必定也要變化。這樣您首先就得不到準確的時間。時間測不准，當然您的盒子還是逃不出我的測不准原理啊。”
愛因斯坦正因昨天的勝利甜甜的睡了一個好覺，玻爾三言兩語反教他張口結舌，無言以對了。但是愛因斯坦還是不服氣，不到一天，他又想出了一個實驗，可是以後每次設計的實驗都讓玻爾駁倒，就這樣，這場爭論一直持續了幾十年，直到愛因斯坦離開人世，他也不承認測不准原理。人們很為他第一個支持普朗克的量子論，但最後又反對量子力學感到遺憾。但是玻爾和愛因斯坦無論怎樣爭論，雙方都襟懷坦蕩，謙虛地吸取對方的意見，發展自己的理論。這與牛頓同萊布尼茨的爭論已經截然不同了。愛因斯坦稱讚玻爾說：“他無疑是當代科學領域中最偉大的發現者之一。”玻爾則深情地說：“在征服浩瀚的量子現象的鬥爭中，愛因斯坦是一位偉大的先驅者，但後來他卻遠而疑之。這是一個多麼令我們傷心的悲劇啊，從此他在孤獨中摸索前進，而我們則失去了一位領袖和旗手”。
這玻爾雖和愛因斯坦經常爭論，但是兩人友誼極深，他每次到美國的普林斯頓講學，並不住什麼旅館、飯店，而是乾脆住在愛因斯坦家裡。一來是老友多時不見，感情上很願意能多呆在一起，二來便於繼續探討問題。1939年，玻爾又來到美國，他爬上愛因斯坦的那個二層小樓，還不等氣喘平息便說：“親愛的，您知道我今天帶來什麼重大消息？”
“不過是又設想出什麼思維實驗的好例證，來證實您的測不准理論罷了。”
“不，今天已顧不上辯論理論問題，這可是實驗物理學家們幹出的大事，它可能直接關係著我們的生活，關係著政治。”
到底玻爾說出一件什麼大事，且聽下回分解。