[折腾] 量子物理史话：上帝投掷骰子吗第四章白云深处(7)

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发表于 2012-7-18 15:52:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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戴维逊出生于美国伊利诺斯州，并先后在芝加哥、普度和普林斯顿大学接受了物理教育。他曾先后师从密立根和理查德森（），都是有名的光电子理论专家。完成学业之后，戴维逊本应顺理成章地进入大学教学，但他有一个致命的缺点——口吃，这使他最终放弃了校园生涯，加入到西部电气公司的工程部去做研究工作。这个部门后来在1925年被当时AT&T的总裁吉福（Walter Gifford）所撤销，摇身一变，成为了大名鼎鼎的贝尔电话实验室（Bell Labs）。

不过我们还是回到正题。1925年，戴维逊和他的助手革末正在这个位于纽约的实验室里进行一个实验：用电子束轰击一块金属镍（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里，以确保没有杂质混入其中。然而，2月5日，突然发生了一件意外，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，因为通常来说发生了这样的事故后，整个装置就基本上报废了。不过这次，他们决定对其进行修补，重新净化金属表面，把实验从头来过。在当时，去除氧化层的最好办法就是对金属进行高热加温，而这正是两人所做的。

他们却并不知道，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，整块镍融合成了几块大晶体。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。

折腾了两个多月后，实验终于又可以继续进行了。一开始没有什么奇怪的结果出现，可是到了5月中，实验曲线突然发生了剧烈的改变！两人吓了一跳，百思不得其解，实验毫无成果地拖了1年多的时间。终于，戴维逊在这上面感到筋疲力尽，决定放松一下，和夫人一起去英国度“第二个蜜月”。他信誓旦旦地承诺说，这将比第一次蜜月还要甜蜜。

老天果然没有辜负戴维逊的期望，给了他一次异常“甜蜜”的旅行，但却是在一个非常不同的意义上。当时，正好许多科学家在牛津开会，戴维逊也顺便和他的大舅子（也就是他的老师理查德森）去凑热闹。会议由著名的德国物理学家波恩主持，他提到了戴维逊早年的一个类似的实验，并认为可以用德布罗意波来解释。德布罗意波？戴维逊还是第一次听到这个名词，他在AT&T专心搞实验，对远在欧洲发生的新革命闻所未闻。不过戴维逊立即联想到了自己最近获得的那些奇怪数据，于是把它们拿出来供大伙儿研究。几位著名的科学家进行了热烈讨论，并认为这很可能就是德布罗意所预言过的电子衍射！戴维逊又惊又喜，在回去的途中大大地恶补了一下新的量子力学。很快，到了1927年，他就和革末通过实验精确地证明了电子的波动性：被镍块散射的电子，其行为和X射线衍射一模一样！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。

更多的证据接踵而来。同样在1927年，汤姆逊，著名的汤姆逊的儿子，在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。实验中得到的电子的衍射图案，和X射线衍射图案相差无几，而所有的数据，也都和德布罗意的预言吻合得天衣无缝。现在没什么好怀疑的了，我们可以赌咒发誓：电子，千真万确，童叟无欺，绝对是一种波！

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，做儿子的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。

可是，让我们冷静一下，从头再好好地想一想。电子是个波？这是什么意思？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，它们仍然一直在苦苦对抗，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！这真叫做后院起火了。

“电子居然是个波！”这个爆炸性新闻很快就传遍了波动和微粒双方各自的阵营。刚刚还在康普顿战役中焦头烂额的波动一方这下扬眉吐气，终于可以狠狠地嘲笑一下死对头微粒。《波动日报》发表社论，宣称自己取得了决定性的胜利。它的首版套红标题气势磅礴：“微粒的反叛势力终将遭遇到他们应有的可耻结局——电子的下场就是明证。”光子的反击，在波动的眼中突然变得不值一提了，连电子这个老大哥都能搞定，还怕你小小的光子？波动的领导人甚至在各地发表了极具煽动性的演讲，不单再次声称自己在电磁领域拥有绝对的合法主权，更进一步要求统治原子和电子，乃至整个物理学。“既然德布罗意已经证明了，所有的物质其实都是物质波（即相波），微粒伪政权又有什么资格盘踞在不属于它的土地上？一切所谓的‘粒子’，都只是波的假相，而微粒学说只有一个归宿——历史的垃圾桶！”

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