宇宙自然生命简史：20 推开量子世界的大门
卢瑟福长得又高又壮，说话声大得可以让胆小的人吓一跳。有人在谈论卢瑟福时，说他似乎总是科学的弄潮儿。他回应说：“是呀，连浪潮也是我掀起来的，难道不是？”科普作家斯诺回忆，有一次在剑桥的一家裁缝店中，他偷听卢瑟福说：“我觉得我的腰围和思考力每天都在同步生长。”不过，他的腰围和名气在他 1895 年刚去到卡文迪许实验室时，还都差得很远。那是一个科学史上的高潮期。
这里有必要澄清一个广泛的误解，剑桥大学的这个卡文迪许实验室非常的著名，又因为英国还有个同样著名的科学家卡文迪许，我们前面的节目讲过他的故事，他的那种病态的腼腆一定让你印象深刻吧。但是，请注意，这两个卡文迪许不是同一个人。虽然他们确实是同一个家族的，姓一样。捐款建设卡文迪许实验室的是威廉.卡文迪许（William Cavendish）。他是德文郡的第七任杜克公爵，也是一位天才的数学家，维多利亚时代的英格兰钢铁大王。1870 年，他给剑桥大学捐赠了 6300 英镑建立了这个实验室。
就在卢瑟福来到剑桥大学的同一年，伦琴（Wilhelm Rontgen）在德国的维尔兹堡大学（Wurzburg）发现了 X 射线；第二年，德国的贝克勒尔又发现了放射现象。而卡文迪许实验室本身也将走上一条长长的辉煌之路。1897 年，汤姆森和他的同事在那里发现了电子；1911 年，威尔逊（C.T.R. Wilson）在那里建造了第一台云室，一种可以看到粒子运动轨迹的探测器（我们后面还会讲到）；1932 年，查德威克在那里发现了中子；1953 年，还是在卡文迪许实验室，沃特森（James Watson）和克里克（Francis Crick）发现了 DNA 的双螺旋结构。这些都是科学史上了不起的大发现。
卢瑟福最初的研究方向是无线电波，他取得了一点儿小成绩。他成功地把一个清脆的信号发送到了 1.6 公里之外。这在当时也算是一项很可以的成就了。但是他放弃了这个方向。因为有个资深的同事说无线电没有什么未来，他信了。总的说来，卢瑟福在卡文迪许实验室的事业不算兴旺，他干了三年，觉得找不到好方向，就接受了蒙特利尔麦克吉尔大学的一个职位。正是从这里开始，他稳步走上了一条通向辉煌的漫长之路。不过到他获得诺贝尔奖时，他已经来到了曼彻斯特大学。事实上，正是在这所大学，他将开始他一生中最重要的工作，确定原子的结构和性质。
在 20 世纪早期，从汤姆森发现电子之后，人们已经认识到原子也是有一定结构的。只是人们不清楚原子到底有哪些组成部分，这些部分又是如何结合在一起的，它们的形状又是怎样的。有一些物理学家认为原子的形状可能是一个立方体，因为立方体可以紧凑地叠在一起，一点儿空间也不浪费。最普遍的一种看法是，原子就像一个葡萄干面包或是一个梅子布丁：在一块致密的带正电荷的固体中，镶嵌着一些带负电荷的电子，就好像是葡萄干嵌在面包中一样。这个就被称为葡萄干面包模型。
1910 年，卢瑟福在他的学生盖革（Hans Geiger）的协助下，盖格也很厉害，他后来发明了检测放射性的仪器——盖革计数器。他们师生俩用电离化的氦原子，也就是 α 粒子，去轰击一张金箔。没想到有一些粒子竟然被反弹了回来，这使卢瑟福大大地吃了一惊，卢瑟福在回忆录中说，这就好比用 15 英寸的炮弹去轰击一张纸，却被反弹回来一样，是绝不该发生的事情。经过一番思索，他认为只可能有一种解释：在原子的中心有一个很小但极坚固的核。有一些粒子撞上了它而被反弹回来，而绝大多数粒子则毫无阻碍地穿了过去。卢瑟福认为，一个原子中，绝大部分是空荡荡的，但在中心有一个极为致密的原子核。这是一个令人兴奋的发现，但很快就带来了一个问题，按照传统的物理法则，这样结构的原子是不应该存在的。
我们暂停片刻，让我们来回顾一下到目前为止，已知的原子结构是怎样的。
每个原子都有三个最基本的组成部分：带正电的质子；带负电的电子；不带电的中子。质子和中子包在原子核中，电子绕着原子核旋转。质子的数量决定了一个原子的化学特性。只含一个质子的原子就是氢，二个质子的是氦，三个质子的就是锂，以此类推。每增加一个质子，你就会得到一个新的元素。因为每一个原子中总是拥有与质子数量相同的电子数量来维持电荷平衡，所以你有时会在书中看到是电子的数量决定了一个元素，这两种说法是等价的。还有一种解释我觉得也不错：质子决定原子的身份，而电子决定原子的化学性质。
中子虽不能影响原子的身份，但却能实实在在地增加原子的质量。中子的数量一般来说与质子的数量相等，但不绝对，会有些许的上下浮动。给一个原子增加或减少一两个中子，你就会得到一个该原子的同位素。你经常可以听到在考古学中使用同位素来测定年代，例如，碳-14，这种碳原子中含有 6 个质子和 8 个中子（两者之和刚好是 14）。
中子和质子占据了原子的核心。原子核非常非常小，大概只有原子总大小的千万亿分之一。但它的密度却出奇地大，几乎包括了原子的全部质量。打一个比方，如果把原子放大到一座教堂大小，那么原子核就是一只苍蝇大小，但这只苍蝇却比整座教堂要重几千倍。在 1910 年抓挠着卢瑟福头脑的正是这样一个空旷、巨大、难以想象的空间。
原子的绝大部分是空的，这就意味着在我们周围所有那些看上去结实的固体都只是一种幻觉。虽然这已经是一个科学事实，但说出来依然会让我们感到震惊。当宏观世界中的两个物体碰在一起时，比如最常见的例子就是两个台球相撞。实际上，它们并没有真正的撞在一起，真实的情况是两个球所带的负电荷场发生了互相排斥作用，如果没有电场，那么这两个台球就会像两个星系相撞一样，相安无事地对穿而过。当你坐在椅子上时，实际上你并没有真的“坐”在上面，而是以一埃（一亿分之一厘米）的高度悬浮在椅子上空。你身上的电子和椅面的电子互相排斥，不可能离得更近了。
大多数人头脑中有关原子的经典图像是这样的：原子核居中心，一两个电子绕着原子核旋转，就好像行星绕着太阳转。这个模型是 1904 年由一个叫长冈半太郎的日本物理学家灵机一动凭空想象出来的，注意这个时候距卢瑟福用实验的方法发现原子核还有将近 6 年时间，我们只能赞叹他的运气不错，但是在原子结构领域，真正值得我们尊敬的是卢瑟福而不是长冈半太郎。就好像上期节目我们强调的，在物质的微观结构领域，真正值得我们尊敬的是道尔顿而不是德谟克利特一样。当然，今天我们知道，这个模型是完全错误的，但它的生命力却很强。正如科学作家阿西莫夫（Issac Asimov）注意到的，这个模型激发了一代又一代科幻作家的想象力，让他们创造出许多“世界中的小世界”的故事。在这些故事中，原子被想象成一个有人居住的小小的太阳系，或是我们的太阳系只不过是一个更大结构中的微粒。这个图像也一直影响了中国差不多一个世纪，大家如果回想一下中央电视台在上世纪的台标，是两个椭圆组成了一朵花一样的标志，这个就是对原子行星模型的生动展示。如果你现在到百度上，以“科学标志”为关键词搜索图片，也很容易搜索到大量的 logo 就是以这幅图像为原型创作的，恐怕这是科学史上最深入人心的一个错误图像。
事实上，物理学家们很快就认识到，电子不像是在轨道上运行的行星，而更像是风扇中旋转着的叶片，同时填满轨道中的所有空间，但本质的不同是，风扇中的叶片只是看起来像是无处不在，而电子则是真的无处不在。
毫无疑问，这些概念在 1910 年以及之后的许多年中，都是很少有人懂的。卢瑟福的发现立即引出了一个很大的问题，为什么电子能一直绕着原子核旋转而不坠毁？按照经典的电动力学理论，如果电子照此方式运动，会很快耗尽能量。也就是说，电子刹那间便会盘旋着坠向原子核，这对二者都是一场灾难。另外还有一个问题，就是带正电荷的质子如何能在原子核中紧紧地结合在一起而不四分五裂？很明显，统治着微观世界的物理法则与我们生活着的宏观世界是完全不同的。
我们即将进入量子时代，而第一个推开时代大门的人是那位一直不走运的普朗克先生。公元 1900 年，42 岁的普朗克是柏林大学的理论物理学家。他揭示出了一种称之为“量子理论”的全新理论。他认为能量的传递并不是像流水一样连续不断的，而是像小包一样一份一份地传递。他把一个能量小包称之为一个“量子”。这是一种新奇的理论，但它奠定了整个现代物理学的基础。无论从哪个角度来说，这都是一个彻底改变世界的信号。普朗克推开了大门，但是并没有在门里面走太远。但“量子”这个词毕竟是他创造出来的，所以我们依然会把量子物理学奠基人之一的头衔送给他。
随着物理学家们在量子世界探索的深入，他们发现量子不仅与我们已知的任何东西不同，而且与我们能想象出来的任何东西都不同。费曼说过，“因为量子的行为与我们的日常经验是如此的不同，所以我们很难习惯。每一个人都会觉得非常怪异，不论是对于新手还是一个有经验的物理学家。”要知道费曼在说这些话的时候，物理学家已经花了半个世纪来适应量子的古怪行为。所以，你不难想象卢瑟福和他的同事们在 20 世纪初面对所有这些特异现象时的感受。
在卢瑟福的同事当中，有一个和蔼的丹麦年轻人，名叫尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。他也被原子的结构弄得很困惑，在 1913 年他突然有了一个想法，为此兴奋地推迟了度蜜月，写成了一篇里程碑式的论文。这又是怎么一回事呢？
像原子这样小的东西，物理学家是无法直接看见的。要了解它们的结构，只能通过外在表现来间接推测。例如卢瑟福用 α 粒子轰击金箔，观察 α 粒子的散射。因此，有时实验的结果让人感到困惑也不奇怪。但有一个与氢原子光谱有关的现象却长时间地困扰着物理学家们。光谱图像显示，氢原子只在一个特定的波长释放出能量（辐射）。这就好比有一个长期受监视的人总是突然出现在某个特定的地点，但是这个人是怎么去到那个地点的却永远看不到，没人能理解这是怎么回事。
玻尔正是在被这个问题困扰了很久时，突然想到一个解决方案，于是迅速写出了他那篇著名的论文——《论原子和分子的构造》。这篇论文解释了为什么电子不会坠入原子核中，因为电子只能占据某个特定的轨道。根据这种新理论，电子在两个轨道之间运动时，可以突然在一个轨道消失，又突然在另一个轨道上出现，而不需要通过两个轨道之间的空间。这个见解就是著名的“量子跃迁”。乍一听上去当然是怪异的不得了，但理论界又觉得这个想法实在太棒了，想不信都难。它不仅仅是避免了电子灾难性地盘旋坠毁在原子核中，它还解释了氢元素光谱中那令人困惑的波长。电子只出现在某个特定的轨道是因为它只能存在于那个特定的轨道，这是一个令人瞩目的深刻洞见。为此，玻尔获得了 1922 年的诺贝尔物理学奖，这是爱因斯坦获奖的第二年。
与此同时，不知疲倦的卢瑟福回到剑桥，接替汤姆森领导卡文迪许实验室。他想出了一个模型，用于解释为什么原子核不会四分五裂。他认为带正电的质子必然会被另一种中性粒子抵消。他把这种中性粒子称之为——中子。这个想法虽简单，但很有吸引力，只是不容易证明。卢瑟福的助手查德威克（James Chadwick）孜孜不倦地投入了 11 年，终于在 1932 年成功地捕获到了中子。因此，他也获得了 1935 年的诺贝尔物理奖。中子的延迟发现可能是一件大幸事，因为掌控中子是制造原子弹的关键技术（这是因为中子不带电，所以不会被原子中的电子所带的电场排斥，中子就可以像一枚鱼雷一样直击原子核，从而发生一种叫“链式反应”的毁灭性进程）。假如中子早在 20 世纪 20 年代就被分离出来的话，那么“很有可能原子弹首先在欧洲被研制出来，毫无疑问，是被德国人”。然而德国人为什么没有比美国人更早地造出原子弹，也是科学史上一个重要的谜案，众说纷纭，如果你想了解这个谜案是如何被一点一点地科学破案的，可以去听我另外一个专辑《环球科学有故事》中的第 3 和第 4 集《希特勒为何没有造出原子弹？》。
那些年，欧洲人忙得很，他们正尽力去搞清电子的古怪行为。其中最核心的问题是电子有时表现得像一个粒子，而有时又表现得像一种波。这种看似不可能的双重性质把物理学家们搞疯了。在接下来的一个 10 年中，在整个欧洲，各种大胆的观点和假设层出不穷，可谓是百家争鸣、百花齐放。在法国，公爵世家出生的德布罗意亲王（Louis Victor de Brogile）发现，如果把电子看成一种波，那么所有的怪异现象都会消失。他的这个发现又让一个奥地利人薛定谔（Erwin Schrodinger）兴奋地注意到了。他对此进行了一番娴熟的数学提炼工作，创建了一个让人容易搞懂的体系，称为波动力学。几乎在同一时间，德国物理学家海森堡（Werner Heisenberg）也发展出了一套与之竞争的理论体系，称之为矩阵力学。但是它的数学形式却极为复杂，以至于几乎没人能真正搞懂，甚至包括海森堡本人（海森堡有一次失望地对他的一个朋友说，“我也不知道矩阵代表了什么含义”）。当时的结果就是，物理学有了两套理论，它们基于看上去互相矛盾的前提，却导出了相同的结果，怎么看都觉得情况不太对头。好在，最后在很多卓越数学家的努力下，最终证明，薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学在数学上其实是等价的。数学真的很神奇，我的一个心愿就是在继物理和天文史话后，写一本从我理解的角度出发的数学史话。这个心愿已经纠缠我一年了，但始终还未能如愿动笔，因为似乎总有更重要更紧急的事情要做。
到了 1926 年，海森堡想到了一个出名的妥协办法，他发展出了一种被称为量子力学的新理论。这套新理论的核心思想就是“海森堡测不准原理”。它认为电子确实是一种粒子，但又是可以被描述为一种波的粒子。测不准原理简单来说就是我们可以测出电子的运动速度，我们也可以测出电子在某个给定时刻的具体位置，但是我们却无法同时知道这两样。而且，这与我们所使用的测量工具的精度无关，这是宇宙的一种永恒性质。像速度（准确地说是动量）和位置这样不可能同时测准的物理量有一个术语，叫做共轭物理量，类似的还有时间和能量。
在实践中，这个原理表明我们永远无法预测一个电子在某个具体时刻的准确位置。你最多只能列出电子在不同位置的概率。或者，用一种稍稍不同的说法，电子在被测量到之前，必须被认为是“无所不在而又无所存在。”但是，对这个原理最广泛的公众误解就是，当我们不观察电子的时候，电子就不存在，只有我们观察过了，电子才存在。这完全偷换了客观存在与被观测到两个概念。即便我们不去观测，电子也是存在的，因为电子有质量、角动量、能量等等属性，这些属性不会因为我们的观测与不观测而消失。我们无法确定的，仅仅是电子具体在某个确定的位置而已。
如果你对上面说的这些感到困惑不已的话，那么我告诉你，当时的物理学家们也没比你好到哪儿去。玻尔有一次评论说如果有人在第一次听到量子理论时没有感到恼火，那么说明他根本没听明白。海森堡在被问及该如何想象原子的图像时，他回答说：“别去试。”
所以，原子与大多数头脑中创造出来的图像都完全不同。电子并不像行星绕着太阳那样绕着原子核飞来飞去，而更像是一团没有固定形状的云。原子的“外壳”也不是某种坚硬、光亮的外皮，就像很多插画怂恿我们去想象的那样。实质上，云团的区域只是一种概率统计上的结果，它表示电子只有极小的可能迷失在这个区域之外。因此，如果你能看到原子，它看上去更像是一个毛茸茸的网球而不是一个表面坚硬的金属球（其实无法比喻，真实的原子不会像任何你见过的东西。毕竟，我们在讨论的世界是一个与我们所见到的完全不同的世界）。所以，原子的直径也与我们日常生活中所说的篮球的直径不是一个概念。
看起来古怪的事情层出不穷。科学家们首次进入到一个宇宙中我们大脑无法理解的区域。费曼是这样表述的：“事物在微小尺度上的行为完全不像在大尺度上的行为。”随着研究的深入，人们意识到他们发现了一个超常的世界，那里不仅仅是电子能从一个轨道突然跳入另一个轨道，而无需通过中间的任何空间，而且物质还能从虚无中凭空出现，又凭空消失。
可能在所有量子的超常特性中，由不确定性原理得到的一个推论最令人抓狂，那就是，某些特定的成对粒子即便分离得再远，也能瞬间互相“知道”对方正在干什么。这就是著名的量子纠缠效应，要讲清楚什么是量子纠缠，我得专门开一期才行。咱们下期接着说。