二
现在介绍大家认识一位卢瑟福培养的“量子幼儿”。詹姆斯·查德威克（James Chadwick）1891年出生于英国的曼彻斯特市，自小性格内向，沉默寡言，不合群没什么朋友，跟狄拉克一样。不一样的是查德威克上学一直成绩平平，没有显示哪方面有过人的天赋，但很认真，从不抄同学的作业。他的格言是“会做的事就一定要做好”。1908年考入曼彻斯特大学物理系，依然是形单影只，有女同学恶作剧给他写了封“情书”，这让小查感到世界末日式的恐怖。也许是把别人谈恋爱的时间给省下来了，所以学习成绩还不错，因此1911年大学毕业时得以留校当了卢瑟福的助手。在卢瑟福的指导下他做了那个著名的用α射线轰击金铂的发现原子核的实验，小查因此获得了英国国家奖学金。
有了这笔钱小查就想到外面去长长见识，于是到了德国柏林，跟随盖革从事研究。盖革是盖革计数器的发明者，也是放射性研究的权威，小查自然获益匪浅。可是祸福相倚，1914年第一次世界大战爆发，英国成了德国的敌对国，朋友们都劝他快逃。性格内向的人容易优柔寡断，加之有些研究割舍不下，这事就拖了下来。直至有一天几个德国兵以迅雷不及掩耳之势把他擒获，他才知道这个世界原来没有后悔药。德国人诬他为间谍，并施以酷刑，让他倔强地挺过来了。有个英国青年军官埃利斯成了一样的倒霉蛋，被关进同一个战俘营。反正闲着也是闲着，查德威克就教埃利斯原子物理，战争结束后埃利斯居然就成了物理学家。这所监狱大学感动了德国同行，由于他们的呼吁监狱给他们在一个旧马棚里建了一个简陋的实验室，这两个英国年轻人就终日不亦乐乎地伴着马屎马尿味做β射线实验，以至于忘记了外面世界的那场惨绝人寰的战争。1918年德国战败，查德威克才回到祖国的怀抱，继续跟随卢瑟福从事实验研究，次年卢瑟福赴任剑桥卡文迪许实验室主任。还好，由于小查这几年没有荒废学业，现在业务还不生疏。
好，我们现在来揭秘第一种射线——α射线——的身世之迷。这种射线简直就是卢瑟福的火眼金睛，他的几个重大发现都是α射线“看见”的，但α射线射线自身是什么呢？卢瑟福经艰苦研究，发现它是一种带正电的粒子，电量是一个电子的两倍，质量是一个量子的约7300倍。卢瑟福让这个粒子吸收两个电子以抵消掉正电荷，结果就得到了一个氦原子。没错，α射线就是氦原子核！可是且慢，用电子—质子模型来套一套：氦在化学元素周期表上序数是2，有两个核外电子，两个电子对应两个质子，两份正电荷倒是合适，可是质量——？一个质子的质量是一个电子的1836倍，称为1个单位的质量，α粒子的有4个单位的质量，就应该是4个质子！可是4个质子又应该是4个单位的正电荷。1920年卢瑟福假设，原子核中存在由一个质子和一个电子组成的电中性的复合粒子，也就是一个坍缩了的氢原子，卢瑟福称之为中子(neutron)。用这个假设就把α粒子解释通了——氦原子核由4个质子和2个电子组成,，与2个核外电子，刚好构成一个4个单位的质量的中性原子。挺不错的解释哈？不错什么？波尔费了老大的劲才解决了电子坠落的问题，为了一时之需你又把电子塞进原子核啦！
嗨，生啥气呀？老卢也就这么一说，大家也没太在意。倒是查德威克这个闷葫芦记在心上了。他继续科学研究，成绩卓著，1923年被任命为卡文迪许实验室副主任。事业倒是很成功，就是婚姻问题是个老大难，三十多岁了还光棍一条。不过俗话是蔫人有蔫福，布朗小姐看上了这个踏踏实实的小伙子，机不可失小查你得抓紧呐！可是小查在这方面就一弱智，对姑娘一点表示也没有。刘三姐教导我们：“世上只有藤缠树，人间哪闻树缠藤？”但是树被逼急了也会去缠藤的。布朗小姐万般无奈只好放下身段主动追求，终于1925年与查德威克洞房花烛，婚后跟海森堡一样得了一对龙凤胎。布朗小姐功德无量，让一台实验机器也过上了人间的幸福生活。查德威克性情都变了，居然喜欢上了养花，搞得别人进他的实验室还认为误入花房。
比查德威克小一岁的德国物理学家沃尔塞·玻特(Walther Bothe)是普朗克的学生，与查德威克相似之处，他也是个一战的倒霉蛋，在战场上当了俄军的俘虏，被遣送到荒凉的西伯利亚。不过他比查德威克活泛多了，在西伯利亚他不仅继续他的物理学研究，还和当地一个俄国女子恋爱结了婚，战后是夫妻双双把家还，重操旧业。1928年，他和助手在做用α粒子轰击铍的实验中发现发射出了穿透力极强的中性射线，甚至能穿透几厘米厚的铅板。尽管这种射线的强度明显大于γ射线，但由于穿透力强和电中性这两个特点与γ射线吻合，所以他在1930年发表的实验报告中就照此作出了结论。
这份德国报告引起了两位法国物理学家的注意。弗里德里克·约里奥(Frederic Joliot)和伊雷娜·居里(Irene Curie) 是一对科学夫妻，后者是居里夫人的女儿，居里先生去世时她才9岁，朗之万当过他的家庭教师，当然是义务的。他俩重做了玻特实验，果不其然获得了强大的中性射线，然后他们又用铍靶和观察仪之间插上一块石蜡板，发现这种射线居然从石蜡中激发出了质子流，说明这种射线确实十分强大。跟玻特一样，他们把这种强大的中性射线当作γ射线，在1932年1月18日的实验报告中发布了出去。
这样接力棒又传到了查德威克手上。哲理曰：人只能看懂他懂的东西。自卢老师提出中子假设后，查同学一直尝试通过实验找到这种粒子，只是一直没有成功。现在看到约里奥—居里报告，马上有了似曾相识燕归来的感觉。有什么东西能把质子打鸡飞狗跳？必定是与质子质量相当的东西！粒子质量，质子下来就是电子级别的，质量也只有质子的近二千分之一，那不是蚍蜉撼树吗？γ射线，光线类的，没有静止质量，只不过波长短，单个光量子能量大，但憾动质子那是力气活，要有大块头，γ射线是不可想象的。查德威克在卡文迪许实验室重复了这些实验，还设计了更多精细的实验。通过比较这些实验结果，他证实：这种辐射是一种质量相当于质子的中性粒子流，于1932年2月17日写了封信寄给《自然》杂志，发表了这一结果。信中说：“如果我们这种放射性物质是由质量为1电荷为0的粒子，即中子构成的，那么一切难题就迎刃而解了。”
不过查德威克的中子概念还是卢瑟福的由一个质子和一个电子组成的坍缩氢原子，是不是一种新的基本粒子他还不敢下断言。最后还是靠量子力学原理下了裁决。当时理论和观察都认定，7个电荷和14个质量的氮原子核是一个符合玻—爱统计的具有整数自旋的玻色子。因为构成原子的基本粒子电子和质子都是半整数自旋的费米子，所以氮核的基本粒子应该是偶数个，否则就会出现半整数的自旋。用卢瑟福的模式，氮核就含有14个质子和7个电子，加起来是21个——奇数！但如果把中性粒子当作一种基本粒子，氮核就由7个质子和7个中子组成，总共14个基本粒子，符合偶数个基本粒子的要求。经过反复论证，科学共同体最终认定了中子是一种新的基本粒子，具有半整数的自旋，与质子具有基本相同的质量，但不带电荷。我们现在就把α粒子——氦原子核——也搞清楚了，它就是由两个质子和两个中子组成的，两份电荷，四份质量。
仅仅一个月时间，一项令物理界震惊的伟大发现就诞生啦！与其失之交臂，约里奥和居里夫妇唯有扼腕叹息。这对科学夫妻是很勤勉的实验物理学家，他俩都去世得比较早，可能是实验时不太注意辐射防护。但也正是由于太专业（专业分工明晰这是欧洲科学的特点），与学界联系不密切，对理论动态不敏感，就看不懂一些新颖的实验现象。他们其实也怀疑过是否γ射线，问题是他们压根就没听说过“中子”的概念。相比之下，也不能说查德威克“得来全不费工夫”，毕竟他也经历了十多年的“踏破铁鞋”，一旦碰上，就不会有失机的可能。查德威克因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。据说卢瑟福坚持让查德威克独得这份奖，有人提出约里奥、居里也为这个发现作出了重大贡献，老卢说凭着他们的聪明一定还有机会。
中子的发现是量子力学发展的又一个新的里程碑，量子军团在电子和光子的引导下已经攻下了原子城堡，现在中子又打开了一道暗门，发现还有一个广阔的新天地，原来不仅原子有内部结构，原子核也有内部结构。文章另起一行，又会演绎出什么新的精彩？
1932年是科学史上一个“伟大的发现年”，中子只是其中一项，还有——
在查德威克把他的关于中子的报告寄送给《自然》杂志后的第二天，美国的《物理评论》收到了纽约哥伦比亚大学的化学教授哈罗德·尤里(Harold Urey)等三人署名的报告。文中说发现了质量为2的氢的同位素，也就是后来命名的氘。氢一直是量子研究的忠诚伙伴，我们都知道它是序数为1的元素，由一个质子和一个电子组成，即质量为1，电荷为1的原子。现在发现的氘，质量为2电荷为1，新发现的中子，刚好给这种原子结构提供了合理解释。氘是一种很重要的同位素，它本身是热核燃料，氘氧化合物——重水——是核反应堆的慢化剂和冷却剂。二次大战期间，尤里成了曼哈顿计划中用扩散法分离同位素工作的主管。1934年，尤里因此发现而获得诺贝尔化学奖。
再有就是我们在前面提到过的证明狄拉克方程的正电子的发现。1932年8月2日加州理工学院的卡尔·安德森(Carl Andorson)从云室观察中发现一个正电粒子的运行轨迹，而这个粒子又不可能是质子。安德森当时并不知道狄拉克已经预言了正电子，但通过这个粒子的轨迹分析，他断言这就是一种带正电荷的电子。安德森因为定发现获1936年诺贝尔物理学奖。其实居里和约里奥在安德森之前就在云室中看到过正电子。然而，他们把它理解为向放射源移动的电子，而不是从源发出的正电子——作为一种反物质，正电子的运动方式与正常物质刚好是相反的。1933年他们又用α射线轰击铝核，使铝衰变为磷核不稳定的同位素，在停止α射线的轰击后铝核依然发射出正电子。这就意味着除了天然的放射性，还可以造出人工放射性。卢瑟福所料不虚，约里奥和居里夫妇因人工放射线的发现获得了1935年的诺贝尔化学奖。
1932年真是一个奇迹迭出的年头，在查德威克宣布发现中子，尤里宣布发现氘的同一个月，1932年2月20日，美国《物理评论》收到美国加州大学伯克利分校教授欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)的一篇论文，介绍他关于回旋加速器的研制成果。我们知道，此前对原子核的轰击，科学家们大多使用α射线，其缺点是能量太小，轰击的强度有限。我们从哥本哈根诠释中已经得知，对微观世界的观察是一种“拷问”，必须给对象施以“酷刑”， α射线是目前最“酷”的但科学家们还嫌不够“酷”。有人就提出可以用质子（氢核）来代替α粒子（氦核），但以电离氢原子获得的质子依然不理想，还得想办法给它增加能量即加速。1929年，劳伦斯在图书馆里浏览物理杂志时偶得一篇德文的关于正离子多级加速问题的论文。劳伦斯德文很臭，主要靠图表和数学公式大致了解了作者的意思，由此就开始了回旋加速器的构思。1930年，他就做出了第一个加速器，直径只有11厘米，使用1000V的电压就可以将质子加速到80000V的能量。之后又造出了一个能量更大的68.8厘米的加速器。
劳伦斯同样有错失诺奖的遗憾。约里奥—居里的那个获奖实验他更早的时候也做过，问题仅仅出在他的加速器与探测仪是联动的，因此停止轰击以后的放射线就无从发现。看了居里夫妇的报告后，他才想到要把二者的开关分离开来。果然关上加速器后依然工作的探测仪的盖革计数器还在响，而这就是人工放射性，但优先权已经花落人家。不过我们也可以像卢瑟福一样预言，凭着他的聪明，一定还有机会。果然，1939年他因回旋加速器的发明而获诺贝尔物理学奖。虽说劳伦斯的加速器跟现在占地几十公里长的加速器没法比，但他开创了探测微观世界的一种新工具，其意义怎样评价都不会过高。当103号元素发现后，人们把它命名为“铹”，以纪念这位伟大的科学家。
1932年确实是不平凡的一年，但如果体谅当时科学家的心情，我们就不该表现得那么兴高采烈。特别像狄拉克这样的科学美学家，关于负电子的反粒子，正电子是他极不情愿的。他曾设想过这个反粒子是带正电的质子，如此我们这个世界真是太漂亮了！只由两种基本粒子构成——电子（质子不过是反电子）和光子，或者质子（电子不过是反质子）和光子，一个费米子和一个玻色子，前者是砖块，后者是混凝土。可是韦尔用数学模型证明，狄拉克方程的电子与正电子质量上是严格对称的，而电子和质子的质量无论如何都对称不起来，现在观察又证实了正电子的存在，狄拉克的统一梦不得不破灭。中子同样是一件不得已的事情。跟1920年代末的世界图景比，基本粒子非但没减少还平添了不少，从同质性统一的观点看是令人沮丧的倒退。科学就是这么一回事，事实和逻辑是强有力而看不见的手，最终总会逼科学家们就范。你要说是倒退也没有办法，进取的科学家也只能以退为进。
麻烦还没完呢！
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