15、物理学的黄金年代

从1919年欧内斯特·卢瑟福首次分裂原子，到1932年他的学生查德威克发现中子，物理学经历了它的黄金年代。这期间几乎每年都有一些重大突破诞生。在这一阶段，美国还远远不是世界物理学领域的领头羊，而是在这之后才逐渐成为领导者。物理学黄金年代的所有开创性工作集中在欧洲的三个地方：英国剑桥的卡文迪许实验室、哥本哈根的尼尔斯·玻尔理论物理研究所以及靠近德国马尔堡的古老大学城哥廷根。

对于卢瑟福在20世纪20年代的一位门徒马克·奥利芬特来说，卡文迪许实验室的主门厅，即实验室主任的办公室所在地是这样的一幅场景：“没有铺设地毯的地板，暗淡的清漆松木门以及沾满污渍的灰泥墙，肮脏的玻璃天窗中透下的光淡淡地照着这一切。”[1117]但是，对于同样在那里接受过训练的C. P.斯诺来说，虽然他也在自己的第一部小说[1117-0]《搜索》中对这里的实验室进行了描写，却没有提到清漆和脏玻璃之类的东西。“我不会轻易忘记卡文迪许实验室的周三会议。对我来说，它们是我亲身经历过的令人兴奋的科学精华所在。它们是浪漫的——如果你愿意这么理解的话，但还无法与我不久将会知晓的［科学发现的］最高体验相提并论。周复一周，我在阴冷的夜里离开，听见东风从古老街道上呼啸而过。我内心洋溢着澎湃的热情，因为我亲眼见到、亲耳听闻并亲身接近了世界上最伟大运动的领导者。”接替麦克斯韦于1919年担任卡文迪许实验室主任的卢瑟福显然同意这一观点。在1923年英国物理学会的一次会议上，他突然的叫喊吓了同行一跳：“我们生活在物理学的英雄时代！”[1118]

在某些方面，卢瑟福本人（现在的他面色红润，留着小胡子，嘴上总是叼着熄灭的烟斗）便是物理学英雄时代的直观体现。在第一次世界大战期间，粒子物理学一直或多或少陷于停滞。卢瑟福战时的官方职务是在英国海军部从事潜艇探测技术的研究工作。但他仍在职责允许的范围内继续开展物理学研究。而在战后的第一年，即1919年4月，就在阿瑟·爱丁顿正准备前往西非检验爱因斯坦的预言之时，卢瑟福寄出了一篇论文，就算他从未做过任何别的研究，这篇论文也会让他名垂青史。单从论文的标题你可能看不出这一点：《氮气中的不规则效应》（‘An Anomalous Effect inNitrogen’）。正如卢瑟福往常的实验风格一样，该实验的设备简陋到堪称粗糙的地步：一根装在密封黄铜盒子中的小玻璃管，一端连接着一块锌硫化物的闪烁屏幕。黄铜盒子内充满氮气，然后向玻璃管中通入一个α粒子源，即来自镭的放射性气体氡所发出的氦原子核。当卢瑟福观察锌硫化物屏幕上的活动时，激动人心的时刻到来了：屏幕上的闪烁与氢原子产生的闪烁没有明显区别。既然系统中没有氢原子，怎么会产生这样的结果呢？这催生了卢瑟福论文第四部分中著名的悲观主义句子：“从目前得到的结果来看，我们很难回避这样的结论，即α粒子与氮原子碰撞产生的长射程原子并非氮原子，而很可能是氢原子。……如果情况属实，我们必须定论，氮原子发生了衰变。”但报界没有那么谨慎。他们奔走相告：欧内斯特·卢瑟福爵士已经实现了原子分裂。[1119]卢瑟福本人也意识到了自己研究的重要性。他的实验暂时让他从反潜艇研究中分了心。他向监察委员会自我辩护道：“如果，我有理由相信我已经让原子核发生了衰变，那么这一发现的意义要比第一次世界大战更大。”[1120]

从某种意义上说，卢瑟福取得的成果相当于炼金术士孜孜以求的目标，即将一种元素嬗变为另一种元素，在他的实验中是将氮元素嬗变为氧元素和氢元素。（历史上首次）人工嬗变的发生机制也非常明确：一个α粒子，即原子量为4的氦原子核。它在轰击一个原子量为14的氮原子时，取代了一个氢原子核的位置（卢瑟福很快将其命名为质子，proton）。因此这里的算法变成了：4+14—1=17，生成氧同位素O17。[1121]

这一发现的意义，除了自然存在可变性这一哲学意义之外，还在于它开启了研究原子核的新途径。卢瑟福和查德威克立刻开始探索其他轻量原子，观察它们是否有同样的表现。结果显示，确实如此。硼、氟、钠、铝、磷，都存在可以探测的原子核：它们不仅仅是固体物质，而且具有一定的结构。针对所有轻量元素的研究耗时五年，但随后出现了问题。根据定义，较重元素的特点在于具有许多电子组成的外层电子壳，它们构成了强大的电屏障，要想穿过它们需要更强的α粒子发射源。对于詹姆斯·查德威克和他在卡文迪许实验室的年轻同事来说，前进的道路是明确的——他们需要探索将粒子加速到更快速度的方法。卢瑟福对此并不相信，宁愿采用简单的实验工具。但在其他地方，尤其是美国，物理学家已经意识到了未来的实验方法有赖于粒子加速器。

从1924年一直到1932年，查德威克最终分离出中子，这期间核物理学领域没有产生突破性进展。在量子物理学（quantum physics）领域，情况则完全不同。尼尔斯·玻尔理论物理研究所于1921年1月18日在哥本哈根正式成立。研究所用地由哥本哈根市提供，选址恰好毗邻足球场（玻尔和弟弟哈拉尔德·玻尔都是优秀的足球运动员）。[1122]四层高的大楼外形呈“L”形，包括报告厅、图书馆、实验室（对理论物理学研究所来说，实验室这一配备略显奇怪），以及一张乒乓球台——玻尔同样擅长此项运动。“他的反应迅速而精准，”奥托·弗里希说，“他还拥有强大的意志力和耐力。在某种程度上，这些素质也体现了他科学研究的特点。”[1123]一年之后，玻尔荣膺诺贝尔物理学奖。这让他成了丹麦的英雄，就连丹麦国王也想接见他。但实际上，一项更值得注意的研究在这一年中占据了主导地位——玻尔终最终为化学和物理建立了相互之间的必然联系。1922年，玻尔表明原子结构与19世纪的俄国化学家门捷列夫绘制的元素周期表有着紧密的联系。就在第一次世界大战爆发之前，他实现了第一次突破，解释了电子如何以一定的形态绕原子核旋转，以及这一发现如何有助于解释不同的物质晶体发出的光谱特性。这一自然轨道的想法还将原子结构与马克斯·普朗克的量子概念联系在一起。现在，玻尔进一步认为，连续轨道的电子壳层只能容纳规定数量的电子。他提出了这样的想法，即某些元素之所以具有相似的化学性质，是因为它们具有相似的外层电子排布，而这些外层电子是化学反应中最常用到的。例如，他将钡和镭这两种元素进行了比较。两者都是碱土金属，但原子量差异很大，分别在元素周期表中排在第56和第88号元素。玻尔对此的解释是，原子量为137.34的钡具有的电子壳层由内到外依次含有2，8，18，18，8和2（一共56）个电子。原子量为226的镭具有的电子壳层分布则依次为2，8，18，32，18，8和一2（共88）。[1124]除了解释它们在周期表中的位置，这两种元素的最外电子层都含有两个电子，这意味着钡和镭的化学性质相似，尽管它们在其他方面存在明显差异。正如爱因斯坦所说，“这是思想领域中最美妙的乐章”。[1125]

在20世纪20年代，物理学的重心（当然是指量子物理学）转移到了哥本哈根（Copenhagen），很大程度上就是因为玻尔。从各种意义上说，他都是一个伟人。即使过程痛苦而缓慢，他仍致力于精确地自我表