20世紀的科學怪傑：鮑林(25)

二五

　　當時他特別感興趣的是一個氯化氫問題。鮑林試圖用一種量子理論來精確地預測電場對極性分子運動的影響。他的理論預測與實驗結果相當接近，這使他確信問題出在實驗測量不精確或者是自己的理論尚不完善，而玻爾—索末菲原子模型是正確的。在離開美國赴歐洲之前他正思考著以一定角度給電場加上一個磁場。如果玻爾—索末菲理論是正確的話，磁場將會對分子運動產生可以測得的影響——而經典理論認為不會產生這一種作用。這將為量子理論提供新的證據。鮑林最終說服索末菲讓他著手進行這項工作。鮑林在1926年5月22日給諾伊斯的信中寫道：「索末菲說，下個月德拜將在蘇黎世召集一次有關磁場的會議，會上將宣講我的成果，因而我必須在此之前搞出些名堂來。」

　　鮑林廢寢忘食地開始工作，在書桌前一坐就是幾個小時，在筆記本上寫滿了公式、草圖和心得。愛娃在6月2日寫道：「萊納斯忙著解決他的氯化氫問題，一會兒興高采烈，一會兒悶悶不樂。」到6月10日，鮑林能從理論上證明，如果玻爾—索末菲理論是正確的話，磁場應該會有相當大的作用。他一面等待帕薩迪納實驗室證實他的結論，一面用德語寫就了一篇論文。索末菲在6月21日把這篇論文帶到了蘇黎世的會議上。幾天之後，鮑林收到索末菲的一份電報，叫他到瑞士去闡述他的觀點。

　　愛娃仍然記得那年6月底乘火車穿越阿爾卑斯山脈的旅行——蔥翠的山坡，火紅的罌粟，戴著藍色頭巾的農村婦女——還有她丈夫的激動心情。鮑林引起了索末菲的關注。他的觀點受到了重視。到達蘇黎世後，他們應邀與院長和其他幾位科學家到德拜家用餐。在後來幾天時間裡，鮑林介紹了自己的理論，聽別人的報告，並和幾位歐洲最著名的物理學家隨意地進行了交談。愛娃寫道：「他專心地傾聽著，興奮異常。我很高興看到他這樣。」

　　另一件令鮑林格外激動的事情是有機會同大家談論最多的歐洲青年物理學家泡利交換看法。泡利出生於維也納一位化學教授家庭，17歲那年，在聽完愛因斯坦關於相對論的一次演講之後，他站起來說那位科學巨匠的結論中有些錯誤，從而聲名鵲起。18歲的時候，他為百科全書撰寫相對論條目。1925年，他還只有25歲，就發表了「不相容原則」，從而在玻爾—索末菲原子模型描述電子狀態的三條原則之外又加了第四條。他還表明，任何兩個電子都不會有完全一致的量子數。這樣，他就確立了自己在物理學發展史上的地位。戈爾德施密特和烏倫貝克運用泡利的第四條量子數原則，發現了電子「自旋」的新特性，即電子繞自己的軸旋轉的特性。自旋有兩種，一種與電子的軌道平行，一種與電子的軌道相反。按照不相容原則，一對電子只要自旋方向相反，就能相容於同一個軌道。成對電子的思想立刻引起了化學家，至少像鮑林這類化學家的強烈共鳴，因為他們對路易斯共用電子對成鍵的理論是相當熟悉的。

　　與此同時，泡利也由於他一位同事所稱的「過分誠實」而聲名狼藉。如果他認為某種理論粗製濫造，他會直截了當，有時甚至是無情地加以鞭撻。連好脾氣的保羅·艾倫費斯特也受不了泡利尖刻的批評，對他說：「我喜歡你的論文，而討厭你的為人。」鑒於鮑林的論文指出了泡利有關極性分子思想的缺陷，也許他會受到冷遇。

　　在一次報告間歇，鮑林跑到泡利面前，向他講述自己幾星期來的辛勤工作表明玻爾—索末菲量子物理學模型是對經典理論的改進。泡利彬彬有禮地聽他講完，給了他四個字的答覆：「沒有意義。」也許是覺察到了自己的評論給對方的打擊，他補充說：「如果在兩年之前，你會出名的。」兩年之前尋找支持玻爾—索末菲的論據還是有意義的。但是現在，至少對泡利這樣天才的歐洲青年物理學家來說，那一理論已經過時。一年前，一種新的稱為量子力學的思維方式已經誕生，從而宣告了玻爾—索末菲理論的死亡。

　　§新力學

　　泡利的朋友維納·海森伯是玻爾—索末菲理論的主要殺手。他倆是互補的一對。泡利是內向穩重、善於嚴密分析的兄長（年長一歲半），而海森伯是容易衝動、具有創新精神的闖將。他們的學習生涯頗為相近，海森伯比泡利晚一兩年：他們都在慕尼黑索末菲處獲得博士學位。在那裡，一年級研究生海森伯初識泡利並成為好朋友；兩人都赴哥廷根跟隨玻恩深造；然後兩人都在哥本哈根當過玻爾的助手。玻恩是新物理學的思想教父之一；兩人都受到玻恩懷疑論的影響並崇尚數學。玻息傳授給他博士後學生的思想是，在描述原子時使用的空間和時間概念不應當受到描述較大物體時使用的相同概念的限制。他同時也傳授給了他們一個數學家對於混亂、矛盾的玻爾—索末菲原子模型的厭惡。到了1924年，泡利和海森伯就已經把修補玻爾—索末菲原子理論的努力稱之為「騙局」。

　　海森伯將終止這場騙局。他認為這一謬誤的癥結在於，研究人員試圖用一個編造出來的、電子沿軌道運行的模型來硬套越來越奇怪的實驗結果。海森伯決定忘掉軌道，把模型拋到腦後。他把玻爾—索末菲模型從自己的大腦中抹去，然後完全基於觀測到的數據在腦海中構築純粹的數學公式。沒有人能夠看到在軌道上運行的電子，但是你可以看到它們發出的光。海森伯把注意力集中在光譜數據上。他曾患枯草熱在北海一個多石的小島上養病，就在那充滿傳奇色彩的幾天裡，海森伯僅僅依靠可觀測的數據，創造了一種描述量子物理的新的數學方法。玻恩和他的一個學生帕斯卡爾·約爾丹對此又作了整理和推廣，這就形成了後來人們所說的矩陣力學。這一新的體系對舊的量子物理學作了顯著的改進。它不僅可以用來更加令人信服地解釋更多的光譜數據，而且本身也涵蓋經典物理學原則，牛頓力學就是其一個極限情況。創建矩陣力學時，海森伯才四歲。

　　這是一個規模龐大、要求極高的數學體系。而且數學還不是它唯一的問題。海森伯在擺脫原子模型方面做得太徹底了。人們反對矩陣力學，因為它實在是太抽象了；它與任何直觀的東西沒有絲毫聯繫。數學公式看起來不錯，但是這些公式描述的是何種原子呢？人們最初懷疑海森伯的創造可能只是沒有物理基礎的數學臆想，一種異想天開，或者像愛因斯坦那樣直截了當地稱矩陣力學為「魔術」。它並不能吸引類似鮑林那樣的研究者，他們只有「看見」原子，工作起來才能得心應手。玻恩在1925年末曾經到美國巡迴演講過矩陣力學；鮑林在赴歐洲之前曾經在加州理工學院聽過他的講座。與許多物理學家一樣（多數化學家根本就不理解海森伯的思想），鮑林並不能接受這一思想。他回憶說：「太複雜了，我不知道該如何用它來解決我感興趣的任何問題。」

　　在鮑林1926年3月乘船前往歐洲的時候，物理學界又被另一種似乎是完全不同的量子物理體系的發表所震撼。著者讓人覺得有些難以置信。埃爾文·薛定諤已界中年，是一個老派的奧地利理論物理學家。他先前一直以一種狐疑的態度注視著量子物理異教學說的發展。他已經39歲，過了提出革命性理論的盛年期，這一領域屬海森伯這樣的年輕人。不過，他也有自己的爵好：醉心哲學（特別是斯賓諾莎、叔本華和吠陀的哲學思想），維也納人對於所有其他民族（特別是美國人）的優越感，對於性自由的開放態度（特別是和比他小得多的女人發生曖昧關係）。他的同事（他妻子的情人）赫爾曼·外爾曾一度把薛定諤偉大的量子力學思想歸因於「他生命後期性欲爆發的結果」。就稟賦而論，與其說他是一個革命者，不如說他是一個反動派。他在骨子裡是一個經典物理學家，對於量子思想的自相矛盾抱著一種直覺的厭惡態度。一次，他對玻爾說：「你一定得知道，量子躍遷整個想法全都是胡說八道。」

　　薛定諤希望摒棄玻爾的思想，用經典的觀念來解釋原子。他認為從德布羅意的思想中找到了思路——電子像波，而不像沿軌道運行的小行星會作出那些荒謬的躍遷。薛定諤提出，原子核周圍是以一定頻率振盪的電子或波，有點像振動鼓面的駐波。只有某些穩定的頻率是可能的，即那些包含整數個波的頻率；如果不是的話，波就會彼此干擾。增加能量，電子或波就被激發到下一個整數的頻率；能量喪失後，就會釋放出一定波長的光。在一陣不同尋常的工作之後，薛定得提出了一個數學方程式。把電子看作為波，就能夠推導出氫原子穩定態的玻爾能級。儘管令人難以置信，但是他認為電子實際上並不是空間的一個點，而像是一層繃在原子核周圍的駐波。他可以測量波的形狀和密度。根據計算，他發現氫電子在原子核周圍形成了一個帶負電能量的球面。他的體系看起來能夠與玻恩和海森伯的體系同樣完整地描述原子的實際，因而被稱為波動力學。

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