主题：【史话】决战紫禁之巅之爱玻之战（1-1） -- jlanu

二

曾几何时，玻尔理论的兴起为整个阴暗的物理天空带来了绚丽的光辉，让人们以为看见了

极乐世界的美景。不幸地是，这一虚假的泡沫式繁荣没能持续太多的时候。旧的物理世界

固然已经在种种冲击下变得疮痍满目，玻尔原子模型那宏伟的宫殿也没能抵挡住更猛烈的

革命冲击，在混乱中被付之一炬，只留下些断瓦残垣，到今日供我们凭吊。最初的暴雨已

经过去，大地一片苍凉，天空中仍然浓云密布。残阳似血，在天际投射出余辉，把这废墟

染成金红一片，衬托出一种更为沉重的气氛，预示着更大的一场风暴的来临。

玻尔王朝的衰败似乎在它诞生的那一天就注定了。这个理论，虽然借用了新生量子的无穷

力量，它的基础却仍然建立在脆弱的旧地基上。量子化的思想，在玻尔理论里只是一支雇

佣军，它更像是被强迫附加上去的，而不是整个理论的出发点和基础。比如，玻尔假设，

电子只能具有量子化的能级和轨道，但为什么呢？为什么电子必须是量子化的？它的理论

基础是什么呢？玻尔在这上面语焉不详，顾左右而言他。当然，苛刻的经验主义者会争辩

说，电子之所以是量子化的，因为实验观测到它们就是量子化的，不需要任何其他的理由

。但无论如何，如果一个理论的基本公设令人觉得不太安稳，这个理论的前景也就不那么

乐观了。在对待玻尔量子假设的态度上，科学家无疑地联想起了欧几里德的第五公设（这

个公理说，过线外一点只能有一条直线与已知直线平行。人们后来证明这个公理并不是十

分可靠的）。无疑，它最好能够从一些更为基本的公理所导出，这些更基本的公理，应该

成为整个理论的奠基石，而不仅仅是华丽的装饰。

后来的历史学家们在评论玻尔的理论时，总是会用到“半经典半量子”，或者“旧瓶装新

酒”之类的词语。它就像一位变脸大师，当电子围绕着单一轨道运转时，它表现出经典力

学的面孔，一旦发生轨道变化，立即又转为量子化的样子。虽然有着技巧高超的对应原理

的支持，这种两面派做法也还是为人所质疑。不过，这些问题还都不是关键，关键是，玻

尔大军在取得一连串重大胜利后，终于发现自己已经到了强弩之末，有一些坚固的堡垒，

无论如何是攻不下来的了。

比如我们都已经知道的原子谱线分裂的问题，虽然在索末菲等人的努力下，玻尔模型解释

了磁场下的塞曼效应和电场下的斯塔克效应。但是，大自然总是有无穷的变化令人头痛。

科学家们不久就发现了谱线在弱磁场下的一种复杂分裂，称作“反常塞曼效应”。这种现

象要求引进值为1/2的量子数，玻尔的理论对之无可奈何，一声叹息。这个难题困扰着许

多的科学家，简直令他们寝食难安。据说，泡利在访问玻尔家时，就曾经对玻尔夫人的问

好回以暴躁的抱怨：“我当然不好！我不能理解反常塞曼效应！”这个问题，一直要到泡

利提出他的不相容原理后，才算最终解决。

另外玻尔理论沮丧地发现，自己的力量仅限于只有一个电子的原子模型。对于氢原子，氘

原子，或者电离的氦原子来说，它给出的说法是令人信服的。但对于哪怕只有两个核外电

子的普通氦原子，它就表现得无能为力。甚至对于一个电子的原子来说，玻尔能够说清的

，也只不过是谱线的频率罢了，至于谱线的强度、宽度或者偏振问题，玻尔还是只能耸耸

肩，以他那大舌头的口音说声抱歉。

在氢分子的战场上，玻尔理论同样战败。

为了解决所有的这些困难，玻尔、兰德（Lande）、泡利、克莱默（Kramers）等人做了大

量的努力，引进了一个又一个新的假定，建立了一个又一个新的模型，有些甚至违反了玻

尔和索末菲的理论本身。到了1923年，惨淡经营的玻尔理论虽然勉强还算能解决问题，并

获得了人们的普遍认同，它已经像一件打满了补丁的袍子，需要从根本上予以一次彻底变

革了。哥廷根的那帮充满朝气的年轻人开始拒绝这个补丁累累的系统，希望重新寻求一个

更强大、完美的理论，从而把量子的思想从本质上植根到物理学里面去，以结束像现在这

样苟且的寄居生活。

玻尔体系的衰落和它的兴盛一样迅猛。越来越多的人开始关注原子世界，并做出了更多的

实验观测。每一天，人们都可以拿到新的资料，刺激他们的热情，去揭开这个神秘王国的

面貌。在哥本哈根和哥廷根，物理天才们兴致勃勃地谈论着原子核、电子和量子，一页页

写满了公式和字母的手稿承载着灵感和创意，交织成一个大时代到来的序幕。青山遮不住

，毕竟东流去。时代的步伐迈得如此之快，使得脚步蹒跚的玻尔原子终于力不从心，从历

史舞台中退出，消失在漫漫黄尘中，只留下一个名字让我们时时回味。

如果把1925年－1926年间海森堡（Werner Heisenberg）和薛定谔（Erwin Schrodinger）

的开创性工作视为玻尔体系的寿终正寝的话，这个理论总共大约兴盛了13年。它让人们看

到了量子在物理世界里的伟大意义，并第一次利用它的力量去揭开原子内部的神秘面纱。

然而，正如我们已经看到的那样，玻尔的革命是一次不彻底的革命，量子的假设没有在他

的体系里得到根本的地位，而似乎只是一个调和经典理论和现实矛盾的附庸。玻尔理论没

法解释，为什么电子有着离散的能级和量子化的行为，它只知其然，而不知其所以然。玻

尔在量子论和经典理论之间采取了折衷主义的路线，这使得他的原子总是带着一种半新不

旧的色彩，最终因为无法克服的困难而崩溃。玻尔的有轨原子像一颗耀眼的火流星，放射

出那样强烈的光芒，却在转眼间划过夜空，复又坠落到黑暗和混沌中去。它是那样地来去

匆匆，以致人们都还来不及在衣带上打一个结，许一些美丽的愿望。

但是，它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量，

为未来的开拓者铺平了道路。是它承前启后，有力地推动了整个物理学的脚步。玻尔模型

至今仍然是相当好的近似，它的一些思想仍然为今人所借鉴和学习。它描绘的原子图景虽

然过时，但却是如此形象而生动，直到今天仍然是大众心中的标准样式，甚至代表了科学

的形象。比如我们应该能够回忆，直到80年代末，在中国的大街上还是随处可见那个代表

了“科学”的图形：三个电子沿着椭圆轨道围绕着原子核运行。这个图案到了90年代终于

消失了，想来总算有人意识到了问题。

在玻尔体系内部，也已经蕴藏了随机性和确定性的矛盾。就玻尔理论而言，如何判断一个

电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的，它更像是一个随机的过程。1919年，应普朗克

的邀请，玻尔访问了战后的柏林。在那里，普朗克和爱因斯坦热情地接待了他，量子力学

的三大巨头就几个物理问题展开了讨论。玻尔认为，电子在轨道间的跃迁似乎是不可预测

的，是一个自发的随机过程，至少从理论上说没办法算出一个电子具体的跃迁条件。爱因

斯坦大摇其头，认为任何物理过程都是确定和可预测的。这已经埋下了两人日后那场旷日

持久争论的种子。

当然，我们可敬的尼尔斯•玻尔先生也不会因为旧量子论的垮台而退出物理舞台。

正相反，关于他的精彩故事才刚刚开始。他还要在物理的第一线战斗很长时间，直到逝世

为止。1921年9月，玻尔在哥本哈根的研究所终于落成，36岁的玻尔成为了这个所的所长

。他的人格魅力很快就像磁场一样吸引了各地的才华横溢的年轻人，并很快把这里变成了

全欧洲的一个学术中心。赫维西（Georg von Hevesy）、弗里西（Otto Frisch）、泡利

、海森堡、莫特（Nevill Mott）、朗道（Lev D.Landau)、盖莫夫（George Gamov）……

人们向这里涌来，充分地感受这里的自由气氛和玻尔的关怀，并形成一种富有激情、活力

、乐观态度和进取心的学术精神，也就是后人所称道的“哥本哈根精神”。在弹丸小国丹

麦，出现了一个物理学界眼中的圣地，这个地方将深远地影响量子力学的未来，还有我们

根本的世界观和思维方式。

三

当玻尔的原子还在泥潭中深陷苦于无法自拔的时候，新的革命已经在酝酿之中。这一次，

革命者并非来自穷苦的无产阶级大众，而是出自一个显赫的贵族家庭。路易斯•维

克托•皮雷•雷蒙•德•布罗意王子（Prince Louis Victor

Pierre Raymond de Broglie）将为他那荣耀的家族历史增添一份新的光辉。

“王子”（Prince，也有翻译为“公子”的）这个爵位并非我们通常所理解的，是国王的

儿子。事实上在爵位表里，它的排名并不算高，而且似乎不见于英语世界。大致说来，它

的地位要比“子爵”（Viscount）略低，而比“男爵”（Baron）略高。不过这只是因为

路易斯在家中并非老大而已，德布罗意家族的历史悠久，他的祖先中出了许许多多的将军

、元帅、部长，曾经忠诚地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效劳。他们参加过波

兰王位继承战争（1733－1735）、奥地利王位继承战争（1740－1748）、七年战争（1756

－1763）、美国独立战争（1775－1782）、法国大革命（1789）、二月革命（1848），接

受过弗兰西斯二世（Francis II，神圣罗马帝国皇帝，后来退位成为奥地利皇帝弗兰西斯

一世）以及路易•腓力（Louis Philippe，法国国王，史称奥尔良公爵）的册封，

家族继承着最高世袭身份的头衔：公爵（法文Duc，相当于英语的Duke）。路易斯•

德布罗意的哥哥，莫里斯•德布罗意（Maurice de Broglie）便是第六代德布罗意

公爵。1960年，当莫里斯去世以后，路易斯终于从他哥哥那里继承了这个光荣称号，成为

第七位duc de Broglie。

当然，在那之前，路易斯还是顶着王子的爵号。小路易斯对历史学表现出浓厚的兴趣，他

的祖父，Jacques Victor Albert, duc de

Broglie，不但是一位政治家，曾于1873－1874年间当过法国总理，同时也是一位出色的

历史学家，尤其精于晚罗马史，写出过著作《罗马教廷史》（Histoire de l'église et

de l'empire romain）。小路易斯在祖父的熏陶下，决定进入巴黎大学攻读历史。18岁那

年（1910），他从大学毕业，然而却没有在历史学领域进行更多的研究，因为他的兴趣已

经强烈地转向物理方面。他的哥哥，莫里斯•德布罗意（第六代德布罗意公爵）是

一位著名的射线物理学家，路易斯跟随哥哥参加了1911年的布鲁塞尔物理会议，他对科学

的热情被完全地激发出来，并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。

转投物理后不久，第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍，被分派了一个无线电技术

人员的工作。他比可怜的亨利•莫斯里要幸运许多，能够在大战之后毫发无伤，继

续进入大学学他的物理。他的博士导师是著名的保罗•朗之万（Paul Langevin）。

写到这里笔者需要稍停一下做一点声明。我们的史话讲述到现在，虽然已经回顾了一些令

人激动的革命和让人大开眼界的新思想（至少笔者希望如此），但总的来说，仍然是在经

典世界的领域里徘徊。而且根据本人的印象，至今为止，我们的话题大体还没有超出中学

物理课本和高考的范围。对于普通的读者来说，唯一稍感陌生的，可能只是量子的跳跃思

想。而接受这一思想，也并不是一件十分困难和不情愿的事情。

然而在这之后，我们将进入一个完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离，和我们平常所

感知认同的那个迥然不同。在这个新世界里，所有的图象和概念都显得疯狂而不理性，显

得更像是爱丽丝梦中的奇境，而不是踏踏实实的土地。许多名词是如此古怪，以致只有借

助数学工具才能把握它们的真实意义。当然，笔者将一如既往地试图用最浅白的语言将它

们表述出来，但是仍然有必要提醒各位做好心理准备。为了表述的方便，我将尽量地把一

件事情陈述完全，然后再转换话题。虽然在历史上，所有的这一切都是铺天盖地而来，它

们混杂在一起，澎湃汹涌，让人分不出个头绪。在后面的叙述中，我们可能时时要在各个

年份间跳来跳去，那些希望把握时间感的读者们应该注意确切的年代。

我们已经站在一个伟大时刻的前沿。新的量子力学很快就要被创建出来，这一次，它的力

量完完全全地被施展开来，以致把一切旧事物，包括玻尔那个半新不旧的体系，都摧枯拉

朽般地毁灭殆尽。它很快就要为我们揭开一个新世界的大幕，这个新世界，哪怕是稍微往

里面瞥上一眼，也足够让人头晕目眩，心驰神摇。但是，既然我们已经站在这里，那就只

有义无返顾地前进了。所以跟着我来吧，无数激动人心的事物正在前面等着我们。

我们的话题回到德布罗意身上。他一直在思考一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型

里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的现实。原本，这个条件是强加在电子上

面的量子化模式，电子在玻尔的硬性规定下，虽然乖乖听话，总有点不那么心甘情愿的感

觉。德布罗意想，是时候把电子解放出来，让它们自己做主了。

如何赋予电子一个基本的性质，让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢？德布罗意

想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电

子有质量m，那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。好，让我们再次回忆那个我说过很

有用的量子基本方程，E = hν，也就是说，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的

频率。这个频率的计算很简单，因为mc^2 = E = hν，所以ν = mc^2/h。

好。电子有一个内在频率。那么频率是什么呢？它是某种振动的周期。那么我们又得出结

论，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他

的运算，结果发现……当电子以速度v0前进时，必定伴随着一个速度为c^2/v0的波……

噢，你没有听错。电子在前进时，总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问，因为

他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多，但是这不是一个问题。德布罗意证明

，这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种

能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。

德布罗意把这种波称为“相波”（phase wave），后人为了纪念他，也称其为“德布罗意

波”。计算这个波的波长是容易的，就简单地把上面得出的速度除以它的频率，那么我们

就得到：λ= (c^2/v0 ) / ( mc^2/h) = h/mv0。这个叫做德布罗意波长公式。

但是，等等，我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”！可是我们头先明明在讨

论电子的问题，怎么突然从电子里冒出了一个波呢？它是从哪里出来的？我希望大家还没

有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队，在玻尔原子兴盛又衰败的时候，它们一直在苦苦

对抗，僵持不下。1923年，德布罗意在求出他的相波之前，正好是康普顿用光子说解释了

康普顿效应，从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻，因

为它们突然发现，在电子这个大后方，居然出现了波动的奸细！而且怎么赶都赶不走。

电子居然是一个波！这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的

年轻人面前，只能摇头兴叹，连话都说不出来了。假如说当时全世界只有一个人支持德布

罗意的话，他就是爱因斯坦。德布罗意的导师朗之万对自己弟子的大胆见解无可奈何，出

于挽救失足青年的良好愿望，他把论文交给爱因斯坦点评。谁料爱因斯坦马上予以了高度

评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一

惊，这才开始全面关注德布罗意的工作。

证据，我们需要证据。所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波，那么就让我们看

到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看，把干涉图纹放在我们的眼前。德

布罗意有礼貌地回敬道：是的，先生们，我会给你们看到证据的。我预言，电子在通过一

个小孔的时候，会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象。

1925年4月，在美国纽约的贝尔电话实验室，戴维逊（C.J.Davisson）和革末（L. H.

Germer）在做一个有关电子的实验。这个实验的目的是什么我们不得而知，但它牵涉到用

一束电子流轰击一块金属镍（nickel）。实验要求金属的表面绝对纯净，所以戴维逊和革

末把金属放在一个真空的容器中，以确保没有杂志混入其中。

不幸的是，发生了一件意外。这个真空容器因为某种原因发生了爆炸，空气一拥而入，迅

速地氧化了镍的表面。戴维逊和革末非常懊丧，不过他们并不因此放弃实验，他们决定，

重新净化金属表面，把实验从头来过。当时，去除氧化层的好办法就是对金属进行高热加

温，这正是戴维逊所做的。

两人并不知道，正如雅典娜暗中助推着阿尔戈英雄们的船只，幸运女神正在这个时候站在

他俩的身后。容器里的金属，在高温下发生了不知不觉的变化：原本它是由许许多多块小

晶体组成的，而在加热之后，整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来，两者并没有

太大的不同，但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。

当电子通过镍块后，戴维逊和革末瞠目结舌，久久说不出话来。他们看到了再熟悉不过的

景象：X射线衍射图案！可是并没有X射线，只有电子，人们终于发现，在某种情况下，电

子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。电子，无疑地是一种波。

更多的证据接踵而来。1927年，G.P.汤姆逊，著名的J.J汤姆逊的儿子，在剑桥通过实验

进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意所预言的吻合

得天衣无缝。

命中注定，戴维逊和汤姆逊将分享1937年的诺贝尔奖金，而德布罗意将先于他们8年获得

这一荣誉。有意思的是，GP汤姆逊的父亲，JJ汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝

尔奖，他却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。历史有时候，实在富有太多的趣味性。

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饭后闲话：父子诺贝尔

俗话说，将门无犬子，大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。JJ汤姆逊的

儿子GP汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点，证明电子的波动性，同样获得诺贝尔奖。这

样的世袭科学豪门，似乎还不是绝无仅有。

居里夫人和她的丈夫皮埃尔•居里于1903年分享诺贝尔奖（居里夫人在1911年又得

了一个化学奖）。他们的女儿约里奥•居里（Irene Joliot-Curie）也在1935年和

她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿，美国外交家Henry R.

Labouisse，在1965年代表联合国儿童基金会（UNICEF）获得了诺贝尔和平奖。

1915年，William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子因为利用X射线对晶体结构

做出了突出贡献，分享了诺贝尔物理奖金。

我们大名鼎鼎的尼尔斯•玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的小儿子，埃格&#8

226;玻尔（Aage Bohr）于1975年在同样的领域获奖。

卡尔•塞班（Karl Siegbahn）和凯伊•塞班（Kai

Siegbahn）父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。

假如俺的老爸是大科学家，俺又会怎样呢？不过恐怕还是如现在这般浪荡江湖，寻求无拘

无束的生活吧，呵呵。