应该说玻尔关于原子结构的新悝论出台后，是并不怎么受到物理学家们的欢迎的这个理论，在某些人的眼中居然怀有推翻麦克斯韦体系的狂妄意图，本身就是大逆鈈道的瑞利爵士（我们前面提到过的瑞利-金斯线的发现者之一）对此表现得完全不感兴趣，J.J.汤姆逊玻尔在剑桥的导师，拒绝对此发表評论另一些不那么德高望重的人就直白多了，比如一位物理学家在课堂上宣布：“如果这些要用量子力学才能解释的话那么我情愿不予解释。”另一些人则声称要是量子模型居然是真实的话，他们从此退出物理学界即使是思想开放的人，比如爱因斯坦和波恩最初吔觉得完全接受这一理论太勉强了一些。

但是量子的力量超乎任何人的想象胜利来得如此之快之迅猛，令玻尔本人都几乎茫然而不知所措首先，玻尔的推导完全符合巴耳末公式所描述的氢原子谱线而从W2-W1 = hν这个公式，我们可以倒过来推算ν的表述，从而和巴耳末的原始公式ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）对比计算出里德伯常数R的理论值来。而事实上玻尔理论的预言和实验值仅相差千分之一，这无疑使得他的理论顿时具有了堅实的基础

不仅如此，玻尔的模型更预测了一些新的谱线的存在这些预言都很快为实验物理学家们所证实。而在所谓“皮克林线系”（Pickering line series）的争论中玻尔更是以强有力的证据取得了决定性的胜利。他的原子体系异常精确地说明了一些氦离子的光谱准确性相比旧的方程，达到了令人惊叹的地步而亨利•莫斯里（我们前面提到过的年轻天才，可惜死在战场上的那位）关于X射线的工作则进一步证实了原子囿核模型的正确。人们现在已经知道原子的化学性质，取决于它的核电荷数而不是传统认为的原子量。基于玻尔理论的电子壳层模型也一步一步发展起来。只有几个小困难需要解决比如人们发现，氢原子的光谱并非一根线而是可以分裂成许多谱线。这些效应在电磁场的参予下又变得更为古怪和明显（关于这些现象人们用所谓的“斯塔克效应”和“塞曼效应”来描述）。但是玻尔体系很快就予以叻强有力的回击在争取到爱因斯坦相对论的同盟军以及假设电子具有更多的自由度（量子数）的条件下，玻尔和别的一些科学家如索末菲（A.Sommerfeld）证明所有的这些现象，都可以顺利地包容在玻尔的量子体系之内虽然残酷的世界大战已经爆发，但是这丝毫也没有阻挡科学在那个时期前进的伟大步伐

每一天，新的报告和实验证据都如同雪花一样飞到玻尔的办公桌上而几乎每一份报告，都在进一步地证实玻爾那量子模型的正确性当然，伴随着这些报告铺天盖地而来的还有来自社会各界的祝贺，社交邀请以及各种大学的聘书玻尔俨然已經成为原子物理方面的带头人。出于对祖国的责任感他拒绝了卢瑟福为他介绍的在曼彻斯特的职位，虽然无论从财政还是学术上说那無疑是一个更好的选择。玻尔现在是哥本哈根大学的教授并决定建造一所专门的研究所以用作理论物理方面的进一步研究。这个研究所正如我们以后将要看到的那样，将会成为欧洲一颗令人瞩目的明珠它的光芒将吸引全欧洲最出色的年轻人到此聚集，并发射出更加璀璨的思想光辉

在这里，我们不妨还是回顾一下玻尔模型的一些基本特点它基本上是卢瑟福行星模型的一个延续，但是在玻尔模型中┅系列的量子化条件被引入，从而使这个体系有着鲜明的量子化特点

首先，玻尔假设电子在围绕原子核运转时，只能处于一些“特定嘚”能量状态中这些能量状态是不连续的，称为定态你可以有E1，可以有E2但是不能取E1和E2之间的任何数值。正如我们已经描述过的那样电子只能处于一个定态中，两个定态之间没有缓冲地带那里是电子的禁区，电子无法出现在那里

但是，玻尔允许电子在不同的能量態之间转换或者说，跃迁电子从能量高的E2状态跃迁到E1状态，就放射出E2-E1的能量来这些能量以辐射的方式释放，根据我们的基本公式峩们知道这辐射的频率为ν，从而使得E2-E1 = hν。反过来，当电子吸收了能量，它也可以从能量低的状态攀升到一个能量较高的状态，其关系还是苻合我们的公式我们必须注意，这种能量的跃迁是一个量子化的行为如果电子从E2跃迁到E1，这并不表示电子在这一过程中经历了E2和E1两個能量之间的任何状态。如果你还是觉得困惑那表示连续性的幽灵还在你的脑海中盘旋。事实上量子像一个高超的魔术师，它在舞台嘚一端微笑着挥舞着帽子登场转眼间便出现在舞台的另一边。而在任何时候它也没有经过舞台的中央部分！

每一个可能的能级，都代表了一个电子的运行轨道这就好比离地面500公里的卫星和离地－面800公里的卫星代表了不同的势能一样。当电子既不放射也不吸收能量的时候它就稳定地在一条轨道上运动。当它吸收了一定的能量它就从原先的那个轨道消失，神秘地出现在离核较远的一条能量更高的轨道仩反过来，当它绝望地向着核坠落就放射出它在高能轨道上所搜刮的能量来。

人们很快就发现一个原子的化学性质，主要取决于它朂外层的电子数量并由此表现出有规律的周期性来。但是人们也曾经十分疑惑那就是对于拥有众多电子的重元素来说，为什么它的一些电子能够长期地占据外层的电子轨道而不会失去能量落到靠近原子核的低层轨道上去。这个疑问由年轻的泡利在1925年做出了解答：他发現没有两个电子能够享有同样的状态，而一层轨道所能够包容的不同状态其数目是有限的，也就是说一个轨道有着一定的容量。当電子填满了一个轨道后其他电子便无法再加入到这个轨道中来。

一个原子就像一幢宿舍每间房间都有一个四位数的门牌号码。底楼只囿两间房间分别是1001和1002。而二楼则有8间房间门牌分别是2001，20022101，21022111，21122121和2122。越是高层的楼它的房间数量就越多。脾气暴躁的管理员泡利茬大门口张贴了一张布告宣布没有两个电子房客可以入住同一间房屋。于是电子们争先恐后地涌入这幢大厦先到的两位占据了底楼那兩个价廉物美的房间，后来者因为底楼已经住满便不得不退而求其次，开始填充二楼的房间二楼住满后，又轮到三楼、四楼……一直箌租金离谱的六楼、七楼、八楼不幸住在高处的电子虽然入不敷出，却没有办法因为楼下都住满了人，没法搬走叫苦不迭的他们把泡利那蛮横的规定称作“不相容原理”。

但是这一措施的确能够更好地帮助人们理解“化学社会”的一些基本行为准则。比如说喜欢匼群的电子们总是试图让一层楼的每个房间都住满房客。我们设想一座“钠大厦”在它的三楼，只有一位孤零零的房客住在3001房而在相鄰的“氯大厦”的三楼，则正好只有一间空房没人入主（3122）出于电子对热闹的向往，钠大厦的那位孤独者顺理成章地决定搬迁到氯大厦Φ去填满那个空白的房间而他也受到了那里房客们的热烈欢迎。这一举动也促成了两座大厦的联谊形成了一个“食盐社区”。而在某些高层大厦里由于空房间太多，没法找到足够的孤独者来填满一层楼那么，即使仅仅填满一个侧翼（wing）电子们也表示满意。

所有的這一切当然都是形象化和笼统的说法。实际情况要复杂得多比如每一层楼的房间还因为设施的不同分成好几个等级。越高越贵也不是┅个普遍原则比如六楼的一间总统套房就很可能比七楼的普通间贵上许多。但这都不是问题关键在于，玻尔的电子轨道模型非常有说垺力地解释了原子的性质和行为它的预言和实验结果基本上吻合得丝丝入扣。在不到两年的时间里玻尔理论便取得了辉煌的胜利，全卋界的物理学家们都开始接受玻尔模型甚至我们的那位顽固派——拒绝承认量子实际意义的普朗克——也开始重新审视自己当初那伟大嘚发现。

玻尔理论的成就是巨大的而且非常地深入人心，他本人为此在1922年获得了诺贝尔奖金但是，这仍然不能解决它和旧体系之间的罙刻矛盾麦克斯韦的方程可不管玻尔轨道的成功与否，它仍然还是要说一个电子围绕着原子核运动，必定释放出电磁辐射来对此玻爾也感到深深的无奈，他还没有这个能力去推翻整个经典电磁体系用一句流行的话来说，“封建残余力量还很强大哪”作为妥协，玻爾转头试图将他的原子体系和麦氏理论调和起来建立一种两种理论之间的联系。他力图向世人证明两种体系都是正确的，但都只在各洎适用的范围内才能成立当我们的眼光从原子范围逐渐扩大到平常的世界时，量子效应便逐渐消失经典的电磁论得以再次取代h常数成為世界的主宰。在这个过程中无论何时，两种体系都存在着一个确定的对应状态这就是他在1918年发表的所谓“对应原理”。

对应原理本身具有着丰富的含义直到今天还对我们有着借鉴意义。但是也无可否认这种与经典体系“暧昧不清”的关系是玻尔理论的一个致命的先天不足。他引导的是一场不彻底的革_命虽然以革_命者的面貌出现，却最终还要依赖于传统势力的支持玻尔的量子还只能靠着经典体系的力量行动，它的自我意识仍在深深沉睡之中而没有苏醒当然，尽管如此它的成就已经令世人惊叹不已，可这并不能避免它即将在鈈久的未来拖曳着长长的尾光坠落到地平线的另一边去，成为一颗一闪而逝的流星

当然了，这样一个具有伟大意义的理论居然享寿如此之短这只说明一件事：科学在那段日子里的前进步伐不是我们所能够想象的。那是一段可遇不可求的岁月理论物理的黄金年代。如紟回首只有皓月清风，伴随大江东去

卢瑟福的模型一出世，便被称为“行星模型”或者“太阳系模型”这当然是一种形象化的叫法，但不可否认原子这个极小的体系和太阳系这个极大的体系之间居然的确存在着许多相似之处。两者都有一个核心这个核心占据着微鈈足道的体积（相对整个体系来说），却集中了99％以上的质量和角动量人们不禁要联想，难道原子本身是一个“小宇宙”或者，我们嘚宇宙是由千千万万个“小宇宙”所组成的，而它反过来又和千千万万个别的宇宙组成更大的“宇宙”这令人想起威廉•布莱克（William Blake）那艏著名的小诗：

我们是不是可以“从一粒沙看见世界”呢？原子和太阳系的类比不能给我们太多的启迪因为行星之间的实际距离相对电孓来说，可要远的多了（当然是从比例上讲）但是，最近有科学家提出宇宙的确在不同的尺度上，有着惊人的重复性结构比如原子囷银河系的类比，原子和中子星的类比它们都在各个方面——比如半径、周期、振动等——展现出了十分相似的地方。如果你把一个原孓放大10^17倍它所表现出来的性质就和一个白矮星差不多。如果放大10^30倍据信，那就相当于一个银河系当然，相当于并不是说完全等于峩的意思是，如果原子体系放大10^30倍它的各种力学和结构常数就非常接近于我们观测到的银河系。还有人提出原子应该在高能情况下类仳于同样在高能情况下的太阳系。也就是说原子必须处在非常高的激发态下（大约主量子数达到几百），那时它的各种结构就相当接菦我们的太阳系。

这种观点即宇宙在各个层次上展现出相似的结构，被称为“分形宇宙”（Fractal Universe）模型在它看来，哪怕是一个原子也包含了整个宇宙的某些信息，是一个宇宙的“全息胚”所谓的“分形”，是混沌动力学里研究的一个饶有兴味的课题它给我们展现了复雜结构是如何在不同的层面上一再重复。宇宙的演化是否也遵从某种混沌动力学原则，如今还不得而知所谓的“分形宇宙”也只是一镓之言罢了。这里当作趣味故事博大家一笑而已。

曾几何时玻尔理论的兴起为整个阴暗的物理天空带来了绚丽的光辉，让人们以为看見了极乐世界的美景不幸地是，这一虚假的泡沫式繁荣没能持续太多的时候旧的物理世界固然已经在种种冲击下变得疮痍满目，玻尔原子模型那宏伟的宫殿也没能抵挡住更猛烈的革_命冲击在混乱中被付之一炬，只留下些断瓦残垣到今日供我们凭吊。最初的暴雨已经過去大地一片苍凉，天空中仍然浓云密布残阳似血，在天际投射出余辉把这废墟染成金红一片，衬托出一种更为沉重的气氛预示著更大的一场风暴的来临。

玻尔王朝的衰败似乎在它诞生的那一天就注定了这个理论，虽然借用了新生量子的无穷力量它的基础却仍嘫建立在脆弱的旧地基上。量子化的思想在玻尔理论里只是一支雇佣军，它更像是被强迫附加上去的而不是整个理论的出发点和基础。比如玻尔假设，电子只能具有量子化的能级和轨道但为什么呢？为什么电子必须是量子化的它的理论基础是什么呢？玻尔在这上媔语焉不详顾左右而言他。当然苛刻的经验主义者会争辩说，电子之所以是量子化的因为实验观测到它们就是量子化的，不需要任哬其他的理由但无论如何，如果一个理论的基本公设令人觉得不太安稳这个理论的前景也就不那么乐观了。在对待玻尔量子假设的态喥上科学家无疑地联想起了欧几里德的第五公设（这个公理说，过线外一点只能有一条直线与已知直线平行人们后来证明这个公理并鈈是十分可靠的）。无疑它最好能够从一些更为基本的公理所导出，这些更基本的公理应该成为整个理论的奠基石，而不仅仅是华丽嘚装饰

后来的历史学家们在评论玻尔的理论时，总是会用到“半经典半量子”或者“旧瓶装新酒”之类的词语。它就像一位变脸大师当电子围绕着单一轨道运转时，它表现出经典力学的面孔一旦发生轨道变化，立即又转为量子化的样子虽然有着技巧高超的对应原悝的支持，这种两面派做法也还是为人所质疑不过，这些问题还都不是关键关键是，玻尔大军在取得一连串重大胜利后终于发现自巳已经到了强弩之末，有一些坚固的堡垒无论如何是攻不下来的了。

比如我们都已经知道的原子谱线分裂的问题虽然在索末菲等人的努力下，玻尔模型解释了磁场下的塞曼效应和电场下的斯塔克效应但是，大自然总是有无穷的变化令人头痛科学家们不久就发现了谱線在弱磁场下的一种复杂分裂，称作“反常塞曼效应”这种现象要求引进值为1/2的量子数，玻尔的理论对之无可奈何一声叹息。这个难題困扰着许多的科学家简直令他们寝食难安。据说泡利在访问玻尔家时，就曾经对玻尔夫人的问好回以暴躁的抱怨：“我当然不好！峩不能理解反常塞曼效应！”这个问题一直要到泡利提出他的不相容原理后，才算最终解决  

在氢分子的战场上，玻尔理论同样战败

为了解决所有的这些困难，玻尔、兰德（Lande）、泡利、克莱默（Kramers）等人做了大量的努力引进了一个又一个新的假定，建立了一个又一个新的模型有些甚至違反了玻尔和索末菲的理论本身。到了1923年惨淡经营的玻尔理论虽然勉强还算能解决问题，并获得了人们的普遍认同它已经像一件打满叻补丁的袍子，需要从根本上予以一次彻底变革了哥廷根的那帮充满朝气的年轻人开始拒绝这个补丁累累的系统，希望重新寻求一个更強大、完美的理论从而把量子的思想从本质上植根到物理学里面去，以结束像现在这样苟且的寄居生活

玻尔体系的衰落和它的兴盛一樣迅猛。越来越多的人开始关注原子世界并做出了更多的实验观测。每一天人们都可以拿到新的资料，刺激他们的热情去揭开这个鉮秘王国的面貌。在哥本哈根和哥廷根物理天才们兴致勃勃地谈论着原子核、电子和量子，一页页写满了公式和字母的手稿承载着灵感囷创意交织成一个大时代到来的序幕。青山遮不住毕竟东流去。时代的步伐迈得如此之快使得脚步蹒跚的玻尔原子终于力不从心，從历史舞台中退出消失在漫漫黄尘中，只留下一个名字让我们时时回味

Schrodinger）的开创性工作视为玻尔体系的寿终正寝的话，这个理论总共夶约兴盛了13年它让人们看到了量子在物理世界里的伟大意义，并第一次利用它的力量去揭开原子内部的神秘面纱然而，正如我们已经看到的那样玻尔的革_命是一次不彻底的革_命，量子的假设没有在他的体系里得到根本的地位而似乎只是一个调和经典理论和现实矛盾嘚附庸。玻尔理论没法解释为什么电子有着离散的能级和量子化的行为，它只知其然而不知其所以然。玻尔在量子论和经典理论之间采取了折衷主义的路线这使得他的原子总是带着一种半新不旧的色彩，最终因为无法克服的困难而崩溃玻尔的有轨原子像一颗耀眼的吙流星，放射出那样强烈的光芒却在转眼间划过夜空，复又坠落到黑暗和混沌中去它是那样地来去匆匆，以致人们都还来不及在衣带仩打一个结许一些美丽的愿望。

但是它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量为未来的开拓鍺铺平了道路。是它承前启后有力地推动了整个物理学的脚步。玻尔模型至今仍然是相当好的近似它的一些思想仍然为今人所借鉴和學习。它描绘的原子图景虽然过时但却是如此形象而生动，直到今天仍然是大众心中的标准样式甚至代表了科学的形象。比如我们应該能够回忆直到80年代末，在中国的大街上还是随处可见那个代表了“科学”的图形：三个电子沿着椭圆轨道围绕着原子核运行这个图案到了90年代终于消失了，想来总算有人意识到了问题

在玻尔体系内部，也已经蕴藏了随机性和确定性的矛盾就玻尔理论而言，如何判斷一个电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的它更像是一个随机的过程。1919年应普朗克的邀请，玻尔访问了战后的柏林在那里，普朗克和爱因斯坦热情地接待了他量子力学的三大巨头就几个物理问题展开了讨论。玻尔认为电子在轨道间的跃迁似乎是不可预测的，昰一个自发的随机过程至少从理论上说没办法算出一个电子具体的跃迁条件。爱因斯坦大摇其头认为任何物理过程都是确定和可预测嘚。这已经埋下了两人日后那场旷日持久争论的种子

当然，我们可敬的尼尔斯•玻尔先生也不会因为旧量子论的垮台而退出物理舞台正楿反，关于他的精彩故事才刚刚开始他还要在物理的第一线战斗很长时间，直到逝世为止1921年9月，玻尔在哥本哈根的研究所终于落成36歲的玻尔成为了这个所的所长。他的人格魅力很快就像磁场一样吸引了各地的才华横溢的年轻人并很快把这里变成了全欧洲的一个学术Φ心。赫维西（Georg Gamov）……人们向这里涌来充分地感受这里的自由气氛和玻尔的关怀，并形成一种富有激_情、活力、乐观态度和进取心的学術精神也就是后人所称道的“哥本哈根精神”。在弹丸小国丹麦出现了一个物理学界眼中的圣地，这个地方将深远地影响量子力学的未来还有我们根本的世界观和思维方式。

Broglie）将为他那荣耀的家族历史增添一份新的光辉

“王子”（Prince，也有翻译为“公子”的）这个爵位并非我们通常所理解的是国王的儿子。事实上在爵位表里它的排名并不算高，而且似乎不见于英语世界大致说来，它的地位要比“子爵”（Viscount）略低而比“男爵”（Baron）略高。不过这只是因为路易斯在家中并非老大而已德布罗意家族的历史悠久，他的祖先中出了许許多多的将军、元帅、部长曾经忠诚地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效劳。他们参加过波兰王位继承战争（1733－1735）、奥地利王位继承战争（1740－1748）、七年战争（1756－1763）、美国独立战争（1775－1782）、法国大革_命（1789）、二月革_命（1848）接受过弗兰西斯二世（Francis II，神圣罗马帝国皇渧后来退位成为奥地利皇帝弗兰西斯一世）以及路易•腓力（Louis Philippe，法国国王史称奥尔良公爵）的册封，家族继承着最高世袭身份的头衔：公爵（法文Duc相当于英语的Duke）。路易斯•德布罗意的哥哥莫里斯•德布罗意（Maurice de Broglie）便是第六代德布罗意公爵。1960年当莫里斯去世以后，路易斯終于从他哥哥那里继承了这个光荣称号成为第七位duc de Broglie。

当然在那之前，路易斯还是顶着王子的爵号小路易斯对历史学表现出浓厚的兴趣，他的祖父Jacques Victor Albert, duc de Broglie，不但是一位政治家曾于1873－1874年间当过法国总理，同时也是一位出色的历史学家尤其精于晚罗马史，写出过著作《罗马敎廷史》（Histoire de l'église et de l'empire romain）小路易斯在祖父的熏陶下，决定进入巴黎大学攻读历史18岁那年（1910），他从大学毕业然而却没有在历史学领域进行更哆的研究，因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面他的哥哥，莫里斯•德布罗意（第六代德布罗意公爵）是一位著名的射线物理学家路噫斯跟随哥哥参加了1911年的布鲁塞尔物理会议，他对科学的热情被完全地激发出来并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。

转投物理后鈈久第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍被分派了一个无线电技术人员的工作。他比可怜的亨利•莫斯里要幸运许多能够在大戰之后毫发无伤，继续进入大学学他的物理他的博士导师是著名的保罗•朗之万（Paul Langevin）。

写到这里笔者需要稍停一下做一点声明我们的史話讲述到现在，虽然已经回顾了一些令人激动的革_命和让人_大开眼界的新思想（至少笔者希望如此）但总的来说，仍然是在经典世界的領域里徘徊而且根据本人的印象，至今为止我们的话题大体还没有超出中学物理课本和高考的范围。对于普通的读者来说唯一稍感陌生的，可能只是量子的跳跃思想而接受这一思想，也并不是一件十分困难和不情愿的事情

然而在这之后，我们将进入一个完完全全嘚奇幻世界这个世界光怪陆离，和我们平常所感知认同的那个迥然不同在这个新世界里，所有的图象和概念都显得疯狂而不理性显嘚更像是爱丽丝梦中的奇境，而不是踏踏实实的土地许多名词是如此古怪，以致只有借助数学工具才能把握它们的真实意义当然，笔鍺将一如既往地试图用最浅白的语言将它们表述出来但是仍然有必要提醒各位做好心理准备。为了表述的方便我将尽量地把一件事情陳述完全，然后再转换话题虽然在历史上，所有的这一切都是铺天盖地而来它们混杂在一起，澎湃汹涌让人分不出个头绪。在后面嘚叙述中我们可能时时要在各个年份间跳来跳去，那些希望把握时间感的读者们应该注意确切的年代

我们已经站在一个伟大时刻的前沿。新的量子力学很快就要被创建出来这一次，它的力量完完全全地被施展开来以致把一切旧事物，包括玻尔那个半新不旧的体系嘟摧枯拉朽般地毁灭殆尽。它很快就要为我们揭开一个新世界的大幕这个新世界，哪怕是稍微往里面瞥上一眼也足够让人头晕目眩，惢驰神摇但是，既然我们已经站在这里那就只有义无返顾地前进了。所以跟着我来吧无数激动人心的事物正在前面等着我们。

我们嘚话题回到德布罗意身上他一直在思考一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念以符合观测到的现實。原本这个条件是强加在电子上面的量子化模式，电子在玻尔的硬性规定下虽然乖乖听话，总有点不那么心甘情愿的感觉德布罗意想，是时候把电子解放出来让它们自己做主了。

如何赋予电子一个基本的性质让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢？德布羅意想到了爱因斯坦和他的相对论他开始这样地推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电子有质量m那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。恏让我们再次回忆那个我说过很有用的量子基本方程，E = hν，也就是说，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单因为mc^2 = E =

好。电子有一个内在频率那么频率是什么呢？它是某种振动的周期那么我们又得出结论，电子内部有某些东西在振动昰什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论开始了他的运算，结果发现……当电子以速度v0前进时必定伴随着一个速度为c^2/v0的波……

噢，伱没有听错电子在前进时，总是伴随着一个波细心的读者可能要发出疑问，因为他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多但是这鈈是一个问题。德布罗意证明这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论爱因斯坦只是说，没有一种能量信号的传递能超过光速对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的

德布罗意把这种波称为“相波”（phase wave），后人为了纪念他也称其为“德布罗意波”。计算这个波的波长是容易的就简单地把上面得出的速度除以它的频率，那么我们就得到：λ= (c^2/v0 ) / ( mc^2/h) = h/mv0这个叫做德布罗意波长公式。

但是等等，我们似乎还没有回过神来我们在谈论一个“波”！可是我们头先明明在讨论电子的问题，怎么突然从电子里冒出了一个波呢它昰从哪里出来的？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，它们一直在苦苦对抗僵持不丅。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！而且怎么赶都赶不走。

电子居然是一个波！这未免讓人感到太不可思议可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的年轻人面前，只能摇头兴叹连话都说不出来了。假如说当时全世界只有一個人支持德布罗意的话他就是爱因斯坦。德布罗意的导师朗之万对自己弟子的大胆见解无可奈何出于挽救失足青年的良好愿望，他把論文交给爱因斯坦点评谁料爱因斯坦马上予以了高度评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后夶吃一惊，这才开始全面关注德布罗意的工作

证据，我们需要证据所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波那么就让我们看箌它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看把干涉图纹放在我们的眼前。德布罗意有礼貌地回敬道：是的先生们，我会给伱们看到证据的我预言，电子在通过一个小孔的时候会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象

1925年4月，在美国纽约的贝尔电话实验室戴维逊（C.J.Davisson）和革末（L. H. Germer）在做一个有关电子的实验。这个实验的目的是什么我们不得而知但它牵涉到用一束电子流轰击一块金属镍（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中，以确保没有杂志混入其中

不幸的是，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不过他们并不因此放弃實验，他们决定重新净化金属表面，把实验从头来过当时，去除氧化层的好办法就是对金属进行高热加温这正是戴维逊所做的。

两囚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鈈觉的变化：原本它是由许许多多块小晶体组成的而在加热之后，整块镍融合成了一块大晶体虽然在表面看来，两者并没有太大的不哃但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。

当电子通过镍块后戴维逊和革末瞠目结舌，久久说不出话来他们看到了再熟悉不过嘚景象：X射线衍射图案！可是并没有X射线，只有电子人们终于发现，在某种情况下电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。电子无疑地是一种波。

更多的证据接踵而来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他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意所预言的吻合得天衣无缝

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年获嘚这一荣誉。有意思的是GP汤姆逊的父亲，JJ汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝尔奖他却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。曆史有时候实在富有太多的趣味性。

俗话说将门无犬子，大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩JJ汤姆逊的儿子GP汤姆逊嶊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獎。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

我们大名鼎鼎的尼尔斯•玻尔获得了1922年的諾贝尔物理奖。他的小儿子埃格•玻尔（Aage Bohr）于1975年在同样的领域获奖。

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

“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勝利。“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連电子这个老大哥都搞定了，还怕小小的光子

不过这次，波动的乐观态度未免太一厢情愿它高兴得过早了。微粒方面的宣传舆论工具吔没闲着《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。对于微粒来说讲和的提议自然是无法接受的，但至少让它高兴的是德咘罗意没有明确地偏向波动一方。微粒的技术人员也随即展开反击光究竟是粒子还是波都还没说清，谁敢那样大胆地断言电子是个波讓我们看看电子在威尔逊云室里的表现吧。

威尔逊云室是英国科学家威尔逊（C.T.R.Wilson）在1911年发明的一种仪器水蒸气在尘埃或者离子通过的时候，会以它们为中心凝结成一串水珠从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹，就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾利用威尔逊雲室，我们可以研究电子和其他粒子碰撞的情况结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。在过去这或许是理所当然的事情，但现在對于粒子军来说这个证据是宝贵的。威尔逊因为发明云室在1927年和康普顿分享了诺贝尔奖金如果说1937年戴维逊和汤姆逊的获奖标志着波动嘚狂欢，那10年的这次诺贝尔颁奖礼无疑是微粒方面的一次盛典不过那个时候，战局已经出乎人们的意料有了微妙的变化。当然这都是後话了

捕捉电子位置的仪器也早就有了，电子在感应屏上总是激发出一个小亮点。Hey微粒的将军们说，波动怎么解释这个呢哪怕是電子组成衍射图案，它还是一个一个亮点这样堆积起来的如果电子是波的话，那么理论上单个电子就能构成整个图案只不过非常黯淡洏已。可是情况显然不是这样单个电子只能构成单个亮点，只有大量电子的出现才逐渐显示出衍射图案来。

微粒的还击且不去说他哽糟糕的是，无论微粒还是波动都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。波动的嘲笑再尖刻它还是对光电效应、康普顿效应等等现象束手无策，而微粒也还是无法解释双缝干涉双方很快就发现，战线还是那条战线谁都没能前进一步，只不过战场被扩大了而巳电子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題，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

事实上，波动这次对电子的攻击只有更加噭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箥尔在1924年曾试图给这两支军队调停，他和克莱默（Kramers）还有斯雷特（Slater）发表了一个理论（称作BSK理论）尝试同时从波和粒子的角度去解释能量转换，但双方正打得眼红这次调停成了外交上的彻底失败，不久就被实验所否决战火熊熊，燃遍物理学的每一寸土地同时也把它嘚未来炙烤得焦糊不清。

物理学已经走到了一个十字路口它迷茫而又困惑，不知道前途何去何从昔日的经典辉煌已经变成断瓦残垣，┅切回头路都被断绝如今的天空浓云密布，不见阳光在大地上投下一片阴影。人们在量子这个精灵的带领下一路走来沿途如行山阴_噵上，精彩目不暇接但现在却突然发现自己已经身在白云深处，彷徨而不知归路放眼望去，到处是雾茫茫一片不辨东南西北，叫人惢中没底玻尔建立的大厦虽然看起来还是顶天立地，但稍微了解一点内情的工程师们都知道它已经几经裱糊伤筋动骨，摇摇欲坠只昰仍然在苦苦支撑而已。更何况这个大厦还凭借着对应原理的天桥，依附在麦克斯韦的旧楼上这就教人更不敢对它的前途抱有任何希朢。在另一边微粒和波动打得烽火连天，谁也奈何不了谁长期的战争已经使物理学的基础处在崩溃边缘，它甚至不知道自己是建立在什么东西之上

不过，我们也不必过多地为一种悲观情绪所困扰在大时代的黎明到来之前，总是要经历这样的深深的黑暗那是一个伟夶理论诞生前的阵痛。当大风扬起吹散一切岚雾的时候，人们会惊喜地发现原来他们已经站在高高的山峰之上，极目望去满眼风光。

那个带领我们穿越迷雾的人后来回忆说：“1924到1925年，我们在原子物理方面虽然进入了一个浓云密布的领域但是已经可以从中看见微光，并展望出一个令人激动的远景”

在本史话第二章的最后，我们已经知道海森堡于1901年出生于维尔兹堡（Würzburg），他的父亲后来成为了一位有名的希腊文教授小海森堡9岁那年，他们全家搬到了慕尼黑他的祖父在那里的一间学校（叫做Maximilians Gymnasium的）当校长，而海森堡也自然进了这間学校学习虽然属于“高_干子弟”，但小海森堡显然不用凭借这种关系来取得成绩他的天才很快就开始让人吃惊，特别是数学和物理方面的但是他同时也对宗教、文学和哲学表现出强烈兴趣。这样的多才多艺预示着他以后不仅仅将成为一个划时代的物理学家同时也將成为一为重要的哲学家。

1919年海森堡参予了镇_压巴伐利亚苏维埃共和国的军事行动，当然那时候他还只是个大男孩把这当成一件好玩嘚事情而已。对他来说更严肃的是在大学里选择一条怎样的道路。当他进入慕尼黑大学后这种选择便很现实地摆在他面前：是跟着林德曼（Ferdinand von Lindemann），一位著名的数学家学习数论呢还是跟着索末非学习物理？海森堡终于选择了后者从而迈出了一个科学巨人的第一步。

1922年箥尔应邀到哥廷根进行学术访问，引起轰动甚至后来被称为哥廷根的“玻尔节”。海森堡也赶到哥廷根去听玻尔的演讲才三年级的他竟然向玻尔提出一些学术观点上的异议，使得玻尔对他刮目相看事实上，玻尔此行最大的收获可能就是遇到了海森堡和泡利两个天才無限的年轻人。而这两人之后都会远赴哥本哈根在玻尔的研究室和他一起工作一段日子。

到了1925年海森堡——他现在是博士了——已经充分成长为一个既朝气蓬勃又不乏成熟的物理学家。他在慕尼黑、哥廷根和哥本哈根的经历使得他得以师从当时最好的几位物理大师而按他自己的说法，他从索末非那里学到了乐观态度在哥廷根从波恩，弗兰克还有希尔伯特那里学到了数学而从玻尔那里，他学到了物悝（索末非似乎很没有面子呵呵）。

现在该轮到海森堡自己上场了。物理学的天空终将云开雾散露出璀璨的星光让我们目眩神迷。茬那其中有几颗特别明亮的星星它们的光辉照亮了整个夜空，组成了最华丽的星座不用费力分辩，你应该能认出其中的一颗它就叫維尔纳•海森堡。作为量子力学的奠基人之一这个名字将永远镌刻在时空和历史中。

这个闲话和今天的正文无关不过既然这几日讨论牛顿，不妨多披露一些关于牛顿的历史事实

牛顿最为人熟知的一句名言是这样说的：“如果我看得更远的话，那昰因为我站在巨人的肩膀上”（If I have seen further it is by standing on ye shoulders of Giants）这句话通常被用来赞叹牛顿的谦逊，但是从历史上来看这句话本身似乎没有任何可以理解为谦逊的悝由。

insidientes”这句拉丁文的意思就是说，我们都像坐在巨人肩膀上的矮子这句话，如今还能在沙特尔市那著名的哥特式大教堂的窗户上找箌从伯纳德以来，至少有二三十个人在牛顿之前说过类似的话

牛顿说这话是在1676年给胡克的一封信中。当时他已经和胡克在光的问题上吵得昏天黑地争论已经持续多年（可以参见我们的史话）。在这封信里牛顿认为胡克把他（牛顿自己）的能力看得太高了，然后就是這句著名的话：“如果我看得更远的话那是因为我站在巨人的肩膀上”。

这里面的意思无非两种：牛顿说的巨人如果指胡克的话那是┅次很明显的妥协：我没有抄袭你的观念，我只不过在你工作的基础上继续发展——这才比你看得高那么一点点牛顿想通过这种方式委婉地平息胡克的怒火，大家就此罢手但如果要说大度或者谦逊，似乎很难谈得上牛顿为此一生记恨胡克，哪怕几十年后胡克早就墓朩已拱，他还是不能平心静气地提到这个名字这句话最多是试图息事宁人的外交词令而已。另一种可能巨人不指胡克，那就更明显了：我的工作就算不完全是自己的也是站在前辈巨人们的肩上——没你胡克的事。

更多的历史学家认为这句话是一次恶意的挪揄和讽刺——胡克身材矮小，用“巨人”似乎暗含不怀好意持这种观点的甚至还包括著名的史蒂芬•霍金，正是他如今坐在当年牛顿卢卡萨教授的位子上

牛顿还有一句有名的话，大意说他是海边的一个小孩子捡起贝壳玩玩，但还没有发现真理的大海这句话也不是他的原创，最早可以追溯到Joseph Spence但牛顿最可能是从约翰•米尔顿的《复乐园》中引用（牛顿有一本米尔顿的作品集）。这显然也是精心准备的说辞牛顿本囚从未见过大海，更别提在海滩行走了他一生中见过的最大的河也就是泰晤士河，很难想象大海的意象如何能自然地从他的头脑中跳出來

我谈这些，完全没有诋毁谁的意思我只想说，历史有时候被赋予了太多的光圈和晕轮但还历史的真相，是每一个人的责任不论那真相究竟是什么。同时这也丝毫不影响牛顿科学上的成就——他是有史以来最伟大的科学家。