15、物理学的黄金年代

可能性的一种限制。”[1141]

然而，爱因斯坦从未对量子理论的基本概念（即我们对亚原子世界只能做统计上的理解）感到满意。这成了他和玻尔之间争论的焦点，直到他生命的终点。1926年，爱因斯坦给哥廷根的物理学家马克斯·玻恩写了一封著名的信。“量子力学需要密切关注，”他写道，“但内心的声音告诉它这并不是真正的雅各。量子力学理论让许多东西变得圆满，但它并不能让我们更接近上帝的秘密。无论如何，我深信，上帝不掷骰子。”[1142]

在近十年时间里，量子力学一直在制造新闻。在黄金年代的鼎盛时期，关于这一研究主题的论文中，德语论文的数量超过用其他所有语种发表的论文数量总和，这凸显出德国在这一领域的卓尔不群。[1143]在那段时间里，实验粒子物理学一直止步不前。时至今日，我们已经很难解释个中缘由，而早在1920年，欧内斯特·卢瑟福做了一个非凡的预言。在伦敦皇家学会发表著名的贝克尔演讲时，卢瑟福透露了一年前他的氮气实验的一些内幕，但他也接着对未来的研究做了猜想。[1144]他提出除了电子和质子外，原子还可能含有第三种主要成分。他甚至对该成分的一些性质作了描述，对此他说，该成分将带有“零核电荷”。“这样的原子成分，”他认为，“将具有非常新颖的属性。它的外部［电］场几乎为零，与原子核的性质非常接近，因此应当能够自由地从物质中穿过。”他说，这种原子成分虽然很难被发现，却是非常值得寻找的：“它应该很容易进入原子结构，并可能要么与原子核融为一体，要么被核的强烈力场分解。”如果该成分确实存在，他说，他提议将其命名为“中子”。[1145]

与1911年卢瑟福在曼彻斯特揭示原子结构时的情形一样，詹姆斯·查德威克在贝克尔演讲时同样在观众席中聆听。毕竟他现在已是卢瑟福的得力助手。不过在当时，他并未真正领会他老板对于中子的热情。电子和质子的对称性，即负电和正电，似乎是完美无缺的。其他物理学家可能从来没有读过贝克尔演讲的讲稿（这是个大体上乏味的演讲），因此他们的思想也没有得到启发。但是在整个20世纪20年代后期，各种异常现象逐渐出现，其中一个较为有趣的现象就是原子量和原子序数之间的关系。原子序数是由原子的核电荷数和质子数决定的。因此，氦的原子序数为2，但其原子量为4。对银元素来说，相应的原子序数和原子量分别为47和107，铀元素则是92和235（或238）。[1146]当时的一个普遍理论认为，原子核中存在着额外的质子，与电子结合从而保持中性。但这又产生了另一个理论上的异数：要将电子这样微小而轻质的粒子封闭在原子核内，需要极强的能量。而当原子核受到轰击，其结构发生改变时，这种巨大的能量应该表现出来，然而这从没发生过。[1147]在20世纪20年代早期的大部分时间里，人们都忙于用其他轻量元素重复氮的嬗变实验，所以查德威克几乎无暇他顾。然而，就在这些异常现象没有表现出圆满解决的迹象之时，他转而接受了卢瑟福的看法：中子（neutron）这样的粒子一定存在。

查德威克进入物理研究领域是缘于一次阴差阳错的机缘巧合。[1148]他是个腼腆的人，粗犷的外表掩盖了他与生俱来的善良。他本来希望成为一名数学家，但他在曼彻斯特大学排队注册时站错了队伍，而面试他的物理学家给他留下了深刻印象，他也因此转向了物理学。他曾在柏林大学的汉斯·盖革门下学习，但没来得及在第一次世界大战爆发前离开，所以在战争期间一直滞留在德国。到了20年代，他渴望开启属于自己的学术生涯。[1149]一开始，寻找中子的实验毫无进展。卢瑟福和查德威克都认为它是质子和电子紧密结合的产物，所以设计了各种不同的实验方法（用理查德·罗兹的话来说）来“折磨”氢原子。接下来的研究则比较复杂。首先，德国物理学家沃尔特·波西（Walter Bothe）在1928至1930年间研究了诸如锂和氧等轻元素被α粒子轰击后释放出的γ辐射（一种强光）。奇怪的是，他发现不仅硼、镁、铝等元素可以释放强烈的辐射——这在他的意料之中，因为α粒子使这些元素发生了衰变（正如卢瑟福和查德威克已经表明的）——但铍元素同样可以释放强辐射，而它并不会在α粒子作用下发生衰变。[1150]波西的实验结果让剑桥的查德威克和身在巴黎的居里夫人的女儿艾琳·居里（Irène Curie）以及她的丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot）大为震惊，他们纷纷采纳了这个德国人的方法。很快，两个实验室都各自发现了异常现象。查德威克的学生H. C.韦伯斯特在1931年春天发现“α粒子射入方向上［铍释放出］的辐射强度要大于相反方向上的辐射强度［即更具穿透力］”。这一发现的重要性在于，如果该辐射是γ射线（也就是光），那么它应该均匀地朝各个方向发出，就像光从灯泡中发出一样。另一方面，粒子的行为则与此不同，它很可能被撞向α粒子的射入方向。[1151]查德威克认为：“这就是中子。”[1152]

1931年12月，艾琳·约里奥—居里向法国科学院宣布，她重复了波西的铍辐射实验，并对其进行了标准化的测量。她因此计算出铍释放的辐射能量是轰击它的α粒子能量的三倍。这个数量级显然意味着该辐射不是γ辐射，其中必然涉及一些其他的成分。遗憾的是，艾琳·约里奥—居里从未读过卢瑟福的贝克尔演讲，因此她想当然地认为铍辐射是由质子引起的。仅仅两周之后，在1932年的1月中旬，约里奥—居里夫妇发表了另一篇论文。这一次他们宣布，石蜡在受到铍辐射轰击后，释放出了高速质子。[1153]

当查德威克在2月初从早晨的邮件中读到法国物理学期刊《法国科学院院报》的这种说法时，他意识到这种描述和解读存在严重错误。任何称职的物理学家都知道单个质子比单个电子重1836倍，所以一个质子完全不可能被电子轰击出原子核。在查德威克阅读这份报告时，一位名叫费瑟的同事进了他的房间。他也读过这篇文章，并急切地想要提醒查德威克注意它。那天上午的晚些时候，在他们的每日进度会上，查德威克和卢瑟福讨论了这篇论文。“当我告诉他约里奥—居里夫妇的观察结果以及他们的看法时，我看见他的表情变得愈发惊讶。终于，他突然大喊道：‘我不相信！’如此急躁的话语完全出人意料，在与他所有的长期合作中我都不记得有过类似的场景。我用这个细节来强调约里奥—居里夫妇的观察报告令人震惊的效果。当然，卢瑟福也认同我们必须相信这一观察结果，但对其做出的解释则完全是另一回事了。”[1154]查德威克不失时机地重复了该实验。令他兴奋的第一件事是，他发现铍辐射可以畅行无阻地穿过2厘米厚的铅块。接下来，他发现铍辐射可以将一些元素的质子轰出40厘米远。无论这种辐射是何方神圣，它都威力巨大，而在电荷方面，它还是中性的。最后，查德威克撤掉了约里奥—居里夫妇曾使用过的石蜡片，以观察铍辐射直接轰击元素时产生的效果。通过示波器来测量辐射，他首先发现，无论被轰击的是哪种元素，铍辐射都能代替其中的质子，而至关重要的一点则是，被取代的质子释放出的能量之大，是γ射线所无法产生的。及至此时，查德威克已从卢瑟福身上学到了一些东西，其中就包括低调陈述的习惯。在他匆匆投给《自然》杂志的名为《论中子存在之可能性》的论文中，他写道：“很明显，我们必须要么放弃这些碰撞