20世紀的科學怪傑：鮑林(29)

二九

　　1927年春夏之際，量子力學進入了一個新的階段。上一年年末，薛定諤和英國神童保羅·狄拉克著手彌補波動力學和矩陣力學之間的裂縫。他們的研究表明，這兩大體系在數學上是對等的，兩者為相同的問題給出了相同的答案。但是數學背後的物理現實是什麼呢？在與玻爾進行了一次馬拉松式的會談後，薛定諤放棄了他原先提出的觀點，即他的波動方程描述的是實際存在的電子「雲」。玻恩和其他一些科學家的研究顯示，他的方程式描述的不是實際的波，不是一個物理意義上的「現象」，而是一個統計學意義上的概率，即在一定區域找到一個電子的數學可能性。

　　薛定諤和海森伯的成功並不在於表述了原子，而是用數學捉住了原子，馴服了原子，這樣就可以預測原子的性態。這一預測的能力相當強大，而且至關重要。那些思想開放的物理學家在一瞬間就意識到了新的量子力學是成功的，在舊的體系一籌莫展的地方，新的量子力學指明了前進的方向。但是，海森伯和薛定諤仍將繼續就數學背後的現實進行爭論。

　　比如說，電子如何能同時既是波又是粒子呢？這仍是一個懸案。在對這一問題進行了數月的鑽研，在和薛定諤，特別是和海森伯進行了無數次精疲力盡的探討之後，玻爾斷定，兩種描述都是正確的。原子現實（至少）是兩面的：你發現的電子取決於你選擇觀察它的方式。波和粒子的描述都是正確的，都是必須的，兩者是互補的。鮑林在丹麥期間，這一種對量子物理進行修飾的「哥本哈根解釋」佔據了玻爾大多數的時間。

　　這一解釋似乎是在回避問題。電子是什麼？人們越來越清楚地認識到，沒有人能夠以一種可想見的方式來描述它。波粒兩重性以及量子躍遷是人們從未經歷過的現象；事物在原子層次的運動規律與在感官層次的運動規律似乎是截然不同的。在與玻爾進行了長時間的討論之後，海森伯會一個人長時間地散步和苦思冥想：自然界可能像在這些原子實驗中顯示的那麼荒謬嗎？

　　物理學現在逐漸與哲學合流了，而海森伯在1927年3月提出的「測不准原理」更加劇了這種傾向。在對其矩陣思想作了相當簡單的推廣之後，海森伯指出，一個觀測者無法同時知道一個電子的確切位置和速度。你能夠肯定的只不過是一個電子在某一區域的統計可能性，而無法保證它是否真的在那兒。他的思想在從本質上來說是基於實際經驗的：要想觀察電子，你一定得借助於一定的光能，但即使是最小的光束也會把電子撞到一邊，從而影響到觀察的結果。我們在觀察電子時永遠找不到其確定的位置。在原子水平，我們達到了觀察能力的極限。

　　這就對認識自然提出了一個更大的問題。如果海森伯所說的是真的，那麼我們不光是達到了精確觀察的極限，而且在原子裡我們原先認為的因果關係也不復存在：如果你只能夠說電子「可能」在附近，那麼你就不能說電子肯定引發了什麼。在此之前，物理學是建築在決定論基礎上的。如果已知兩個檯球的大小、速度和碰撞角度，那就可以預測碰撞後將會發生怎樣的情況。同樣，按照牛頓的經典物理學，宇宙中粒子的當前位置和速度，通過因果關係的推斷，就可決定每個粒子未來的位置和速度。未來紮根於現在。但是，海森伯的測不准原理說，你連一個電子的未來都無法預測，更不用說宇宙了。

　　海森伯把自己關於測不准原理的論文校樣稿給鮑林看，鮑林馬上意識到這一思想將會引發一場關於諸如命運等哲學問題的爭論。但是鮑林是一個實用主義者，他覺得這場爭論是毫無意義的。鮑林在後來一次接受訪問時指出：「即使這是一個經典的世界，我們也不可能靠實驗來確定宇宙中所有粒子的位置和動量。即使我們知道了這些數據，我們又如何來進行計算呢？我們對於一個涉及1020或者1010個粒子的系統尚且不能詳細地進行討論。我認為不管有沒有測不准原理，爭論命運和自由意志是毫無意義的。」對鮑林而言，任何與顯示世界中的實驗和觀察無涉的問題都是無足輕重的。如果沒有實際操作意義，「那不過是一個語言符號，」他說。作為結果，「我從未費神去參加有關量子力學意義的詳細和深入的探討。」

　　他對玻爾關注的大問題不感興趣，而在哥本哈根，他在化學鍵的計算上也沒有獲得多大的成功。1927年初，一位年輕的丹麥物理學家布勞發表了一篇論文，成功地將薛定諤波動方程式運用到了最簡單的分子上：氫分子離子，由一個電子維繫的兩個原子核。布勞的結果顯示，電子的分佈在兩個原子核中間最集中，在此電子對原子核的引力正好與原子核相互的斥力平衡。這是大門顯露的第一條縫隙，表明波動方程可以解決化學鍵問題。鮑林把布勞的理論又推進了一步，用來解決有兩個電子和兩個原子核的氫分子。但是他一無所獲。正如鮑林在關於離子大小的論文中所經歷的那樣，波動方程在表述單個原子的電子時已經相當複雜了。下一步的複雜程度是一個嚴峻的挑戰。你得考慮和計算兩個原子核之間的斥力，每一個電子對每一個原子核的引力，兩個電子的相互斥力；很快，數學表達式就複雜得難以求解。一定需要對分子形式作一定的簡化和假設。海森伯與狄拉克聯手也難以逾越這一難題。鮑林在哥本哈根期間也敗下陣來。

　　不過，鮑林與玻爾身邊如雲的學者中的一位建立了很有價值的聯繫：塞繆爾·戈爾德施密特，就是兩位發現電子自旋的科學家之一。他剛寫完自己的博士論文。同別人一樣，鮑林親切地稱他為「塞姆」。戈爾德施密特對用量子力學來解釋光譜的精細結構很感興趣，鮑林幫他進行了一些理論運算。不久鮑林就建議由他幫助把戈爾德施密特的博士論文譯成英文。

　　在哥本哈根過了幾星期後，鮑林終於同戈爾德施密特一起被召進了玻爾的辦公室。玻爾聽說他倆在一起進行運算，他讓兩人介紹一下工作的情況。兩個年輕人講話的時候，他冷漠地坐在那裡，厚重的眼皮耷拉著，偶爾吐出一聲「嗯，嗯」。當他倆說完之後，他說了聲「很好」。他們被打發了出來。鮑林在哥本哈根呆了一個月，就見過玻爾這麼一回。

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　　在去蘇黎世訪問薛定諤的路上，鮑林夫婦在哥廷根的馬克思·玻恩研究院逗留了幾日。這裡是精密數學的王國，矩陣力學的搖籃，許許多多青年理論家的精神家園——海森伯、泡利、狄拉克和約爾丹都是二十幾歲的青年——因而也是年輕小夥子的物理世界。它也像磁石一樣吸引了許多年輕的美國人；在這段時間裡，獲得古根海姆科學獎學金的學者來到哥廷根的比到其他地方的都要多。鮑林遇到了量子革命的許多關鍵人物：迪拉克、海森伯、約爾丹，以及玻恩本人，儘管時間非常短。他也遇到了來自哈佛大學，身材瘦削、神態緊張的青年學者奧本海默①。他正在哥廷根攻讀博士學位，鮑林和他進行了長時間的討論。

　　①奧本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904—1967），美國物理學家，曾任美國研製原子彈的「曼哈頓計劃」實驗室主任，製成第一批原子彈，後任原子能委員會總顧問委員會主席，1949年因反對試驗氫彈被解職。

　　鮑林希望薛定諤會比玻爾容易接近些，但是他又一次失望了。在過去的一年中，波動力學在解決所有的問題時都顯示了強大的威力，每個人都想學習它。薛定諤被邀請在歐洲各地巡迴演講，並在1927年春天遊歷了美國，其中包括在加州理工學院所作的愉快停留。保羅·愛潑斯坦還安排他順道去了好萊塢和聖莫尼卡的海濱。儘管他在美國過得挺愉快，他仍然不喜歡美國人，認為他們不夠文明，貪得無厭，好管閒事。他說，自由女神就差在火炬下戴一隻手錶了，要是南加利福尼亞在以前留給了印第安人和西班牙人，那麼情況將會比現在好得多。最糟糕的是，禁酒令使得到一杯啤酒或葡萄酒也變得極為困難了。就在鮑林抵達蘇黎世開始夏季學期的學習時，薛定諤得到了德國科學界最崇高的地位，接任由馬克思·普朗克空出的理論物理學會柏林分會主席一職。在39歲的時候，薛定諤在一夜之間成了科學界的超級巨星，而且他十分樂意扮演這一角色。這當然就給來訪的美國學者留出了極少的時間。

　　到8月份的時候，鮑林感到有些沮喪。他在給一位同事的信中寫道：「我很後悔在這裡呆的將近兩個月時間，因為我無法和薛定諤建立起聯繫。大約每週一次，我會在研討會上見到他。我努力地試圖弄清楚他在做些什麼，而且由於他對我的工作沒有興趣，我主動提出對任何他感興趣的問題進行計算；但是無功而返……所以儘管在這裡過了兩個月，我沒有關於物理學的任何最新進展的消息告訴你。」

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