结语　电子、元素和难以捉摸的自我

英国剑桥大学的卡文迪许实验室可以说是世界上最卓越的科研机构。自19世纪后期成立以来，该实验室已经取得了有史以来意义最重大、最革新的科学进步。其中包括：在1897年发现电子，1919年发现轻元素的同位素以及原子的裂变，1920年发现质子，1932年发现中子，1953年解开脱氧核糖核酸（DNA）的结构，1967年发现脉冲星等。自1901年诺贝尔奖设立以来，已有20多名卡文迪许物理学家或接受过卡文迪许实验室培养的物理学家在物理学或化学领域获得过此项殊荣。[3538]

该实验室成立于1871年，三年后开始对外开放。实验室被安置在自由学校街的一座仿哥特式建筑里，其引以为傲的是建筑外观的六面山形墙和里面多个狭小的房间，用史蒂文·温伯格的话来说，由“楼梯与走廊不可思议的纵横交错”[3539]连接而成。19世纪后期，很少有人确切知道“物理学家”是干什么的。在当时，这个称谓相对较新，也没有公共资金资助物理实验室。的确，物理实验室这个想法在当时甚至闻所未闻。而且，按照今天的标准，物理学还处于原始状态。剑桥大学所开设的物理学课程是数学荣誉学士学位考试内容的一部分，考试目的是使青年具备担任英国及大英帝国要职的条件。在这个体系中，研究并无立锥之地：物理学实质上是数学的一个分支，学生们被教导如何解决问题，好成为合格的神职人员、律师、学校教师或公务员（也就是，不包括物理学家）。[3540]然而在19世纪70年代，随着德国、法国、美国与英国四方经济竞争日趋激烈（这主要是德国实现统一以及内战之后的美国得以前进的结果），柏林的大学开始扩招，并且建立了新的实验物理实验室，剑桥大学经历了重组。威廉·卡文迪许是德文郡的第七代公爵，也是一名地主和实业家，他的祖先亨利·卡文迪许是万有引力方面早期的权威人士。他表示，假若剑桥承诺设立一个实验物理学方面的教席，他便资助一个实验室。实验室开办时，公爵收到一封信函（内容以文雅的拉丁文写就），告知他，为表敬意，实验室将以他的名字命名。[3541]

新实验室经历一些失败后才取得成功。剑桥大学起初尝试吸引来自格拉斯哥的威廉·汤姆森，即后来的开尔文勋爵（除了其他方面的成就，他是第一个提出绝对零度概念的人，对热力学第二定律亦有贡献），其后剑桥大学尝试吸引来自德国的赫尔曼·冯·亥姆霍兹（他有大量为人称道的发明和远见卓识，包括对量子的早期想法），最后剑桥大学向詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提供实验室主管一职，他是苏格兰人，也是剑桥的毕业生。这是很偶然的。麦克斯韦后来通常被认为是“介乎牛顿与爱因斯坦之间的最伟大的物理学家”。[3542]最重要的是，麦克斯韦完成了一系列有利于从根本上理解电流与磁力的数学公式。这些公式解释了光的本质，也启发了德国物理学家海因里希·赫兹于1887年在卡尔斯鲁厄证实电磁波的存在，现在电磁波以无线电为人所知。

麦克斯韦还在卡文迪许实验室成立了一个研究项目，计划为电测量，特别是为电阻单位欧姆，制定一个精确的标准。由于19世纪50、60年代电报系统大规模扩张，该项目具有了国际重要性，麦克斯韦的首创精神既推动英国走上这一领域的前沿，同时使得卡文迪许实验室一举成为处理实际问题和发明新式仪器的佼佼者。更重要的是，正是后一项成就帮助实验室在从1897至1933年的物理学黄金时代扮演了关键角色。卡文迪许的科学家被称赞为“学识超群，聪明绝顶”。[3543]

1879年，麦克斯韦去世，继任人是瑞利勋爵，继续麦克斯韦的工作，但五年后他便前往自己位于埃塞克斯郡的庄园过上退休生活。此后，实验室主管一职出人意料地传给了二十八岁的约瑟夫·约翰·汤姆孙，尽管年轻，他已经是剑桥大学知名的数学物理学家。可以说，汤姆孙，即人们通常称呼的“J.J.”，开始了第二次科学革命，创造出我们现在的世界。在第23章里我们说过，第一次科学革命的发生从哥白尼的天文发现（发表于1543年），到艾萨克·牛顿主要关于万有引力（见其1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》）的天文发现为止。第二次科学革命将围绕在物理学、生物学和心理学上的新发现而展开。

但首先是物理学。有段时间物理学也在变化不定。这主要由于人们对原子的认识各有差异。如我们所见，原子是一种古已有之的理念：一种单一、无形、不可分割的物质，可追溯到古希腊时期。以此为基础，在17世纪，牛顿构思中的原子与微小的撞球甚为相似，“坚硬而且密不可透”。19世纪头几十年，诸如约翰·道尔顿等化学家曾为解释化学反应而被迫接受原子是元素的最小单位这一理论，比如解释两种无色的液体混合在一起时，是怎么立刻产生一种白色的固体或沉淀物的。与此相似的是俄国的德米特里·门捷列夫。在他那座距离莫斯科200英里的特维尔庄园，门捷列夫以对化学研究的耐心热忱排列63种元素的卡片时，脑海中之所以能浮现出元素周期表，也是受到上述化学特性及其系统的变化方式和原子重量的启发。此项发现被称为“组成宇宙语言的字母表”，这份周期表还提示人们，除了已发现的元素外，某些元素尚待发现。门捷列夫的元素周期表与粒子物理学家的发现相吻合，把物理学与化学合理地联结起来，为各门科学的统一迈出了第一步，这将成为20世纪科学界的一大鲜明特征。

当麦克斯韦接管卡文迪许实验室的工作时，他进一步完善了牛顿有关原子的概念。1873年，麦克斯韦在牛顿那个微小撞球互相撞击的机械世界里引入电磁场的概念。麦克斯韦认为这个电磁场“充盈于整个空间”，电能和磁场能均以光速“穿过电磁场”。[3544]尽管麦克斯韦取得这样的进步，他仍然把原子视为坚硬固体，原子的本质是机械的。

即便假设原子存在，问题却在于原子体积太小，以当时可用的技术根本不能观察到。这种情况在德国物理学家马克斯·普朗克那里有所改变。普朗克博士学位研究的部分内容是热导体和热力学第二定律。第一个发现这条定律的人是出生于波兰的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯，尽管开尔文勋爵也有所贡献。克劳修斯首先于1850年展示这条定律，这条定律对一个人人皆能观察得到的现象做出规定：当功完成以后，能量以热能形式散发，而且，热能不能重组为有用的形态。这本是常识性的观察，却有着相当重要的推论。其中一个推论认为，产生热能以后，能量便不可重新聚集起来，既不可用也不可整合，宇宙必将逐渐耗尽能量并充满不可测性：坍塌的房屋不会自行回复原状，摔破了的瓶子也不复原貌。这个不可逆且渐增的混乱状态被克劳修斯称为“熵”，他还总结出，宇宙终将停止运行。普朗克在其博士论文中抓住了此推论的重要性。热力学第二定律实质上阐明了时间是宇宙或物理的一个基础部分。本书在序言里开宗明义地提到深层时间的发现，而普朗克则让我们回到原点。不论时间是什么，它都是我们世界的一个基本元素，时间与物质有关，尽管我们并未全面认清其关联。时间意味着宇宙只能单向发展，因此牛顿的机械撞球构想必定有误，在最好的情况下也有不足之处，因为在牛顿那里，宇宙可以对等地向前或向后任一方向运动。[3545]

但假如原子不是撞球，那它们是什么呢？

新的物理学每次向前迈进一步，都从老问题和新仪