宇宙的精灵 #15.1

第十五章 原子不是原子

一

在古希腊哲学家形形色色的世界构成学说中，最诱人的是德漠克利特的“原子”论。公元前五世纪德漠克利特出身于一个富裕的家庭，为学术研究他游历世界（埃及、巴比伦等地）而耗尽了家财，回到母邦时却面临着一项“挥霍财产罪”的法律指控。如果罪名成立，他将被驱逐出城邦，并且死后不得在本土下葬。德漠克利特在法庭上宣读了他游历世界写下的著作《宇宙大系统》，法官和陪审员听罢惊叹：这哪是“挥霍财产”呐，感情是发了大“财”！于是判决：以他游资的五倍予以奖赏，并且在他生前就在城邦为他建造塑像。这大概如我们1970年代末的口号——“尊重知识，尊重人才”。

在德漠克利特的“宇宙大系统”中，构成万物的最基本的单元是细小的物质粒子，因其“不可分割”（atom）故叫“原子”（Atom）。原子没有性质的区别，只有形状、排序和位置的区别，原子构成万物，就像字母构成单词一样。如果说原子是“存在”的话，“虚空”就是“非存在”。虚空同样是宇宙构成的必要条件，它为万物的运动和变化提供场所。由原子和虚空构成的宇宙的简单画面，是几千年来还原主义的理想天堂。十九世纪，原子假设被引入化学和热力学领域，取得了辉煌的研究成果，连否认原子存在的马赫都不得不承认这是一个很有用的假设。

可是原子由一种假设变成一种观察事实的第一天起，这个词的本意（atom——不可分割）就被破坏了，科学家只能以一个新名词——“基本粒子”（elementary particle）——来表征物质还原的新发现。

人类获得的第一个基本粒子是1897年J.J.汤姆逊发现的电子（electron）。他多年后回忆说：

开始只有很少人相信存在比原子更小的物体。一位著名的物理学家听了1997年我在皇家学会的演讲之后很久，还对我说，他认为我在“愚弄他们”（pulling their legs）。

电子是构成一切物体的基本粒子，但还不是原子，因为电子带有一个单位的负电荷，而构成物体的原子应该是电中性的，否则满世界的电子同性相斥，根本不会有什么能成形的东西能形成。因此原子应该是由电子和另外一种带正电的基本粒子组成。

1911年，汤姆逊的学生卢瑟福发现“原子核”，于是一幅原子图画清晰可见——带负电的电子围绕着带正电的原子核，刚好构成一个电中性的原子。 1919年，卢瑟福继续用α粒子轰击氮原子核，从中打出了氢核，这种粒子跟电子一样带一个单位的电荷只是电性相反为正电，质量为电子的1836倍，氢原子刚好是由一个电子和一个氢核组成。其他多电子的原子，原子核的电荷正好是氢核电荷的整数倍，质量也差不多是氢核质量的整数倍，由此他推论，氢核也是一种基本粒子，每种原子的原子核数量不等的氢核组成。科学家们用“质子”（(proton，希腊文的意思是“第一”）来命名氢核这种新发现的基本粒子。

量子力学到现在的全部发展，已经解决了原子模型的可行性，按泡利的不相容原理，核外电子已经被安排得井井有条妥妥贴贴。阿弥陀佛，就到此为止吧，最好不再有什么新的粒子出来煞风景，奥卡姆的教导我们要牢记于心——“如无必要，切勿增加实体”。

不是还有光子（Photon）吗？对，我们可不能忘记了光子，在量子革命这场伟大的战争中，电子和光子都是我们忠诚的向导。尽管爱因斯坦的光量子假说提出在前，但自波尔的量子化模型提出以后，关注的目光似乎都集中到了电子身上，不过也别忘喽，科学家研究电子的行为，不也是通过光谱这个途径吗？尽管我们现在的认识水平已经有了很大地提高，不会认为光只是软乎乎的波动，它们同时具有粒子性在理论上我们是很清楚的。但是在我们的直觉里，光子跟电子和质子这些基本粒子还是判若异类。对，电子似乎更尊贵和沉稳，行不改名坐不改姓，我们可以想像每一个电子自宇宙创生以来就存在了，而且还会永远地存在下去。而光子则居无定所没名没份，一个光子，它可能被一个电子吸收，从而电子以其增加的能量跃迁到一个更高的定态（轨道），以后这个电子又会放出这个光子，重新跃迁回原先较低的定态，光子就像电子随时吐纳的空气。同样都是粒子，差距咋就那么大捏？

这就要提到一个印度物理学家——萨提恩德拉·纳什·玻色（Satyendra Nath  Bose）。玻色1894年元旦出生于印度孟加拉邦的加尔各答，父亲曾在英国的东印度公司任职，后来建立了自己的公司，母亲受过一点初等教育，省吃俭用地操持着这个有七个孩子的大家庭。玻色在中学时就表现出天才的数学才能，有次数学作业，老师觉得100分的满分也不足以表达对这份卷子的赞赏，竟然破天荒地打了个110分。1913年大学毕业后，基本上都在大学里任教。作为英帝国的殖民地，宗主国的理论物理与德国尚有不小差距，印度就更难了解到量子力学这门新兴的前沿科学。所幸1916年一位德国物理教授来访，带来了德文的相对论和量子论的著作，玻色由此开始一面学习德文，一面钻研这些著作。就这么一点底子，他居然就发现了普朗克黑体辐射公式推导的内在矛盾，原来普朗克部分利用了经典物理理论，所以体系不能完全逻辑自洽。1923年，29岁的玻色完成了论文《普朗克定律和光量子假说》并寄给伦敦《哲学杂志》，但稿件很快被退回。英国人不识货也很正常，寄给德文杂志嘛自己的德文又不好。于是他想到了爱因斯坦，因为爱因斯坦也在做普朗克公式的重推导，玻色的论文里就有对爱氏推导的批评。这个冒失鬼还真把论文寄给了爱因斯坦，还要求后者帮他翻译成德文并推荐发表。有没有搞错啊？让一个世界级的大师当翻译，况且爱因斯坦还不知玻色何许人也！

不过我们这部量子史就是一部奇迹史，这也是一个奇迹。爱因斯坦不仅为他做了翻译并寄往德国《物理杂志》，还写了篇赞赏有加的推荐文，指出：“在我看来，玻色对普朗克公式的推导意味着一个重要的进展。这里所用的方法也得出我要在别处阐述的关于理想气体的量子理论。”论文在该杂志的八月号上发表。玻色通过把辐射看成一团气云，并用统计方法来分析，从而导出普朗克的黑体辐射定律。玻色的一个重要思想：任何处在相同能量态的光子是绝对不可区分的，在统计计算中不应分开处理。爱因斯坦紧接着又写了三篇论文，对玻色的思想作了深化和拓展，从而开创了量子统计这一革命性的新方法，称为“玻色—爱因斯坦统计”。1926年，费米和狄拉克分别独立地在泡利的不相容原理的基础上发展出一种适用于电子和质子的统计方法，称为“费米—狄拉克统计”。几年后，狄拉克发明了适用于玻—爱统计的粒子（如光子）为“玻色子”、适用于费—狄统计的粒子（如电子）为“费米子”的称谓，这种称谓于1945年为科学共同体正式采用。

再回头看光子，它们是遵循玻—爱统计的玻色子，具有整数的自旋（0，1，2，……），但不遵循不相容原理，即允许多个光子占有同样的量子态。相应的，电子和质子是符合费—狄统计的费米子，具有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)，严格遵循不相容原理，不允许二个以上的粒子占有同一量子态。古典武打片比剑，铿铿锵锵，两剑相碰会被弹回，或一剑把另一剑拦腰斩断，都是因为这个不相容。而科幻片斗激光剑，两剑可以互相交错而毫发无损，因为激光是玻色子，交错瞬间两剑的玻色子共容是不违反物理定律的。有了狄拉克“玻色子”和“费米子”的称谓，光子也取得了与电子和质子平等的地位，也是一种基本粒子。

粒子以及粒子组成的物体之间会发生相互作用，作用力无非两种：牛顿方程规定的万有引力和麦克斯韦方程规定的电磁力。光子这种基本粒子，它的功能就是传递电磁力。这也揭示出我们的宇宙需要两类基本粒子的原因——费米子构成物体的材料，是宇宙大厦的砖块，玻色子是传递作用力的媒介，是连接这些砖块的混凝土。

三种基本粒子，二种相互作用力，就是1920年代末我们的世界图像。虽然原子不是原子（atom），但这幅图画仍不失简单优美，也挺符合科学的经济原则和审美原则。

可是从19世纪末起居里夫人等科学家发现的放射性射线又算是什么？以前认为一切自然光都来自伟大的太阳，可是19世纪末逐渐发现有些物质也能使感光片感光，而且比太阳光有更强的穿透力。因此就有了“放射线元素”和“放射线”的概念。这些放射线是什么东东呢？我们的卢院长农民出身，天花乱坠咱不会，什么东西咱拿到实验室说话。他就用一个强磁场来“看”这些射线，结果发现有三种：

第一种射线为老卢最爱，它通过磁场时会发生偏转，偏转的方向与阴极射线相反，这说明它是一种带正电的粒子流，老卢称它 为α（阿尔法）射线。α射线的穿透能力很小。一张纸片就可以把它挡住，1/50 毫米的铝片它也穿不过去。

第二种射线穿过磁场时会发生比α射线更严重的偏转，偏转的方向与阴极射线相同，说明它是由带负电的粒子组成的。老卢把它叫做β（贝塔）射线。β射线的穿透能力比较强，能穿透大约半毫米厚的铝片。

 第三种射线根本不受磁场的影响，一往无前不带偏转，说明它是不带电的粒子， 像光子一样，但有比光强得多的穿透力，老卢它叫做γ（伽马）射线。

　　

α（阿尔法）、β（贝塔）和γ（伽马），就是我们发现的三种自然的放射线，由铀之类的放射性元素自然产生的。用“三粒二力”的宇宙密码本，应该不难破解这三种放射线吧？可是一上手，麻烦来了……

德漠克利特有句名言：“得到一个原因的解释，胜过当玻斯的王”。穷根究底，大概是科学的一个根本“德性”，为此科学家可以散尽家财，可以藐视权力，由此也注定了科学事业就是一个“西西弗斯苦役”——这位犯了错误的希腊神被宙斯罚往山头上推滚石，但一旦推到了山顶石头又会滚到山脚，于是一切从头，永无休止。我们辛劳的科学家是问题解决者，更是麻烦制造者。为了得到新的观测现象的“原因的解释”，新的麻烦又出来了，我们又有故事讲了。