Part 4

上帝掷骰子吗?:量子物理史话  作者:曹天元

上次说到,德布罗意发现电子在运行的时候,居然同时伴随着一个波。他还大胆地预言,这将使得电子在通过一个小孔或者晶体的时候,会产生一个可观测的衍射现象。也许是上帝存心要让物理学的混乱在20年代中期到达一个最高潮,这个预言很快就被戴维逊(C. J. Davisson)和革末(L. H. Germer)在美国证实了。

戴维逊出生于美国伊利诺伊州,并先后在芝加哥、普度和普林斯顿大学接受了物理教育。他曾先后师从密立根和理查德森(O. W. Richardson),都是有名的光电子理论专家。完成学业之后,戴维逊本应顺理成章地进入大学教学,但他有一个致命的缺点——口吃,这使他最终放弃了校园生涯,加入到西部电气公司的工程部去做研究工作。这个部门后来在1925年被当时AT&T的总裁吉福(Walter Gifford)所撤销,摇身一变,成为了大名鼎鼎的贝尔电话实验室(Bell Labs)。

上帝掷骰子吗?:量子物理史话
图4.8 戴维逊和革末

不过我们还是回到正题。1925年,戴维逊和他的助手革末正在这个位于纽约的实验室里进行一个实验:用电子束轰击一块金属镍(nickel)。实验要求金属的表面绝对纯净,所以戴维逊和革末把金属放在一个真空的容器里,以确保没有杂质混入其中。然而,2月5日,突然发生了一件意外,这个真空容器因为某种原因发生了爆炸,空气一拥而入,迅速地氧化了镍的表面。戴维逊和革末非常懊丧,因为通常来说发生了这样的事故后,整个装置就基本上报废了。不过这次,他们决定对其进行修补,重新净化金属表面,把实验从头来过。在当时,去除氧化层的最好办法就是对金属进行高热加温,而这正是两人所做的。

他们却并不知道,正如雅典娜暗中助推着阿尔戈英雄们的船只,幸运女神正在这个时候站在他俩的身后。容器里的金属,在高温下发生了不知不觉的变化:原本它是由许许多多块小晶体组成的,而在加热之后,整块镍融合成了几块大晶体。虽然在表面看来,两者并没有太大的不同,但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。

折腾了两个多月后,实验终于又可以继续进行了。一开始没有什么奇怪的现象出现,可是到了5月中,实验曲线突然发生了剧烈的改变!两人吓了一跳,百思不得其解,实验毫无成果地拖了1年多的时间。终于,戴维逊在这上面感到筋疲力尽,决定放松一下,和夫人一起去英国度“第二个蜜月”。他信誓旦旦地承诺说,这将比第一次蜜月还要甜蜜。

老天果然没有辜负戴维逊的期望,给了他一次异常“甜蜜”的旅行,但却是在一个非常不同的意义上。当时,正好许多科学家在牛津开会,戴维逊也顺便和他的大舅子(也就是他的老师理查德森)去凑热闹。会议由著名的德国物理学家波恩主持,他提到了戴维逊早年的一个类似的实验,并认为可以用德布罗意波来解释。德布罗意波?戴维逊还是第一次听到这个名词,他在AT&T专心搞实验,对远在欧洲发生的新革命闻所未闻。不过戴维逊立即联想到了自己最近获得的那些奇怪数据,于是把它们拿出来供大家研究。几位著名的科学家进行了热烈讨论,并认为这很可能就是德布罗意所预言过的电子衍射!戴维逊又惊又喜,在回去的途中大大地恶补了一下新的量子力学。很快,到了1927年,他就和革末通过实验精确地证明了电子的波动性:被镍块散射的电子,其行为和X射线衍射一模一样!人们终于发现,在某种情况下,电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。

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图4.9 戴维逊实验和电子衍射

更多的证据接踵而来。同样在1927年,G. P. 汤姆逊,著名的J. J. 汤姆逊的儿子,在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。实验中得到的电子的衍射图案,和X射线衍射图案相差无几,而所有的数据,也都和德布罗意的预言吻合得天衣无缝。现在没什么好怀疑的了,我们可以赌咒发誓:电子,千真万确,童叟无欺,绝对是一种波!

命中注定,戴维逊和汤姆逊将分享1937年的诺贝尔奖金,而德布罗意将先于他们8年获得这一荣誉。有意思的是,G. P. 汤姆逊的父亲,J. J. 汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝尔奖,做儿子的却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。历史有时候,实在富有太多的趣味性。

可是,让我们冷静一下,从头再好好地想一想。电子是个波?这是什么意思?我希望大家还没有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队,在玻尔原子兴盛又衰败的时候,它们仍然一直在苦苦对抗,僵持不下。1923年,德布罗意在求出他的相波之前,正好是康普顿用光子说解释了康普顿效应,从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻,因为它们突然发现,在电子这个大后方,居然出现了波动的奸细!这真叫做后院起火了。

“电子居然是个波!”这个爆炸性新闻很快就传遍了波动和微粒双方各自的阵营。刚刚还在康普顿战役中焦头烂额的波动一方这下扬眉吐气,终于可以狠狠地嘲笑一下死对头微粒。《波动日报》发表社论,宣称自己取得了决定性的胜利。它的首版套红标题气势磅礴:“微粒的反叛势力终将遭遇到他们应有的可耻结局——电子的下场就是明证。”光子的反击,在波动的眼中突然变得不值一提了,连电子这个老大哥都能搞定,还怕你小小的光子?波动的领导人甚至在各地发表了极具煽动性的演讲,不单再次声称自己在电磁领域拥有绝对的合法主权,更进一步要求统治原子和电子,乃至整个物理学。“既然德布罗意已经证明了,所有的物质其实都是物质波(即相波),微粒伪政权又有什么资格盘踞在不属于它的土地上?一切所谓的‘粒子’,都只是波的假象,而微粒学说只有一个归宿——历史的垃圾桶!”

不过这次,波动的乐观态度未免太一相情愿,它高兴得过早了。微粒方面的宣传舆论工具也没闲着,《微粒新闻》的记者采访了德布罗意,结果德布罗意说,当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点,这两种观点应当以某种方式统一,而不是始终地尖锐对立——这不利于理论的发展前景。他甚至以一种和事老的姿态提到,自己和哥哥从来都把X射线看成一种粒子与波的混合体。对于微粒来说,讲和的提议自然是无法接受的,但至少能让它松一口气的是,德布罗意没有明确地偏向波动一方,这就给它的反击留下了余地。“啊哈”,微粒的将军们嘲弄地反唇相讥道,“看哪,波动在光的问题上败得狼狈不堪,现在狗急跳墙,开始胡话连篇了。电子是个波?多可笑的论调!难道宇宙万物不都是由原子核和电子所组成的吗?这么说来,桌子也是波,椅子也是波,地球也是波,你和我都是波?Oh my God(天哪),可怜的波动到底知不知道它自己在说些什么?”

“德布罗意事变”将第三次波粒战争推向了一个高潮。电子,乃至整个物质世界现在也被拉进有关光本性的这场战争,这使得战争全面地被升级。事实上,波动这次对电子的攻击只有更加激发了粒子们的同仇敌忾之心。现在,光子、电子、α粒子,还有更多的基本粒子,他们都决定联合起来,为了“大粒子王国”的神圣保卫战而并肩奋斗。这场波粒战争,已经远远超出了光的范围,整个物理体系如今都陷于这个争论中,从而形成了一次名副其实的世界大战。现在的问题,已经不再仅仅是光到底是粒子还是波,现在的问题,是电子到底是粒子还是波,你和我到底是粒子还是波,这整个物质世界到底是粒子还是波。

波动和微粒,这两个对手的恩怨纠缠,在整整三个世纪中犬牙交错,宿命般地铺展开来,终于演变为一场决定物理学命运的大决战。

饭后闲话:父子诺贝尔

俗话说,虎父无犬子,大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。J. J. 汤姆逊的儿子G. P. 汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点,证明电子的波动性,同样获得诺贝尔奖。这样的世袭科学豪门,似乎还不是绝无仅有。

居里夫人和她的丈夫皮埃尔•居里于1903年分享诺贝尔奖(居里夫人在1911年又得了一个化学奖)。他们的女儿约里奥•居里(Irene Joliot-Curie)也在1935年和她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿,美国外交家Henry R. Labouisse,在1965年代表联合国儿童基金会(UNICEF)获得了诺贝尔和平奖。

1915年,亨利•布拉格(William Henry Bragg)和劳仑斯•布拉格(William Lawrence Bragg)父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献,分享了诺贝尔物理奖金。劳伦斯得奖时年仅25岁,是有史以来最年轻的诺贝尔物理奖得主。

我们大名鼎鼎的尼尔斯•玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的第4个儿子,埃格•玻尔(Aage Bohr)于1975年在同样的领域获奖。尼尔斯•玻尔的父亲也是一位著名的生理学家,任教于哥本哈根大学,曾被两次提名为诺贝尔医学和生理学奖得主,可惜没有成功。

卡尔•塞班(Karl Siegbahn)和凯•塞班(Kai Siegbahn)父子分别于1924年和1981年获得诺贝尔物理奖。

假如俺的老爸是大科学家,俺又会怎样呢?不过恐怕还是如现在这般浪荡江湖,寻求无拘无束的生活吧,呵呵。

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