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量子纠缠背后的故事(之七):在辐射中窥视原子 精选

已有 2892 次阅读 2020-7-28 08:04 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

当开尔文勋爵在20世纪到来之际描述以太和黑体辐射两朵乌云时,物理学的天空其实并不那么晴朗,有更多的乌云在聚集。在“辐射与量子”的索尔维会议上,物理学界精英们也只关心了黑体辐射。在他们视野之外,还有其它五花八门的辐射现象正引起其他物理学家的注意、疑惑。

在19世纪,“辐射”是一个相当广义的概念,泛指所有可以向外发出“东西”的现象。在常见的光、热辐射之外,萊纳德用以发现光电效应的阴极射线也是一种辐射。这种神秘未知的射线肉眼看不见,但会激发荧光、在照相底片上留下斑点而显示其存在。这个魔术般的诡异一度是物理学家热衷向公众演示科学之神奇的道具。

1895年底,德国的伦琴(Wilhelm Rontgen)偶然注意到在阴极射线管附近但并不在那射线路径上的底片也会被曝光,从而发现了还有另外的辐射存在。同样,他不知道那又是什么,干脆就命名为“X射线”。当他也是在无意中把手伸进新射线的路径时,惊愕地发现手没能完全挡住射线,底片上留下的是手掌内部骨头的图像:这个神秘的X射线具备透视功能。

伦琴随即拍摄了一批他妻子的手掌照片,在1896年元旦那天将这些“毛骨悚然”的照片寄发给各地的同事和媒体,造成巨大轰动。因为这个发现,他成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。

伦琴用X射线拍摄的他妻子的手,照片上清晰地显示了手掌骨骼和手指上的戒指。

这个意外的成功掀起了一个寻找、辨认射线的热潮。法国的贝克勒尔(Henri Becquerel)自然也想看看他所研究的铀矿石的辐射是否也是X射线。

无论是阴极射线还是各种矿石的荧光、磷光,它们都是在吸收了外来光或电的能量之后被激发而产生。贝克勒尔的铀便是吸收太阳光之后延迟释放的磷光——至少他当时这么认为。不巧,他准备好实验时赶上了巴黎持续的阴天,没有阳光可用。无奈,他还是冲洗了底片,却赫然发现没有经过阳光照射的矿石照样产生了辐射。

这是一个惊人的发现:铀矿石似乎是在没有任何外因作用下,自作主张地发出了射线。

很快,居里夫妇验证了这一发现,还找到了更多能自发产生辐射的矿物。他们把这个新现象叫做“放射性(radioactivity)”。贝克勒尔和居里夫妇分享了1903年诺贝尔物理奖。

矿石没有生命,不可能有自主的行为。开尔文等人觉得这过于荒诞,干脆置之不理,没有把放射性当作新世纪物理学悬而未决的乌云之一。

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瑞利男爵也收到了索尔维会议的邀请,但他没有与会。早在1884年,他在主持卡文迪许实验室五年后就已经急流勇退,辞职专心于自己的兴趣,离开了物理领域。接任他这一职位的是汤姆森爵士。在传统的英国,那是一个非常出乎意料的人选。尽管汤姆森被认作天才,他那时才28岁,刚刚获得硕士学位。

年轻的汤姆森上任后大胆改革,扩大了实验室规模,大力扶植年轻人。他打破常规,不再只招收剑桥毕业的学生。1895年,最早的两个“外人”进入实验室,其中之一是24岁、从新西兰远道而来的卢瑟福。

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19世纪末卡文迪许实验室人员合影。前排正中是汤姆森,他后面站着卢瑟福。(汤姆森的左边是郎之万。)

卢瑟福的父母都在英国出生,他们小时候随各自的家庭在英国对新西兰的殖民开发热潮中移民。卢瑟福在那里的农庄出生、长大。他从小聪明好学,是家里十来个、附近上百个孩子中唯一考上大学的。毕业后,他在菜园刨挖土豆时收到他获得去英国留学奖学金的电报,兴奋地对妈妈大喊:这是我这辈子挖的最后一颗土豆。

还在大学期间,卢瑟福就对赫兹发现的无线电波非常感兴趣,自己动手组装过器件。到卡文迪许实验室后他大展身手,很快制作出新型接收器,将无线电的传播距离增加到几百米,进入实用领域。家境贫寒的卢瑟福满怀信心,要以这个有着非凡实用价值的新技术改变自己的命运。

导师汤姆森却在此时谆谆教诲:作为科学家,你不能同时侍奉上帝和玛门(Mammon,代表财富和贪婪的假神)。在他的感召下,卢瑟福选择了上帝和科学。不久,意大利的富家子弟马可尼(Guglielmo Marconi)后来居上,成为“无线电之父”。他不仅发了财,还赢得1909年诺贝尔物理奖。

汤姆森其实早就注意到阴极射线管有时会造成邻近的荧光屏闪亮。他没有去探究,错失了发现X射线的机会。这时他更加倍努力地研究阴极射线。卢瑟福协助汤姆森逐步排除阴极射线是“德国人”以为的电磁波的可能性,最终确定它们是电子。汤姆森因此赢得1906年诺贝尔奖。

在那之后,卢瑟福开始了自己的独立科研,探究贝克勒尔和居里夫妇发现的放射性。他做了系统的试验,在射线路径上放置不同厚度的障碍,观察射线的穿透能力。这样,他很快辨别出矿石的辐射既不是伦琴的X射线,也不是阴极射线的电子,而是含有两种不同的未知射线。英文的X已经被用过了。他按照希腊字母表将它们分别命名为阿尔法(α)和贝塔(β)射线。前者很容易被障碍物吸收,后者则穿透能力强得多。后来,又一种不同的射线被发现,便被称为伽玛(γ)射线。

这时,他已经在卡文迪许实验室工作了三年。虽然对大学毕业生来说这并不长,他出色的成绩已经足以让汤姆森推荐他获取加拿大麦吉尔大学的教授职位。这个远在天边的席位终于让他摆脱了贫穷困境,得以回家迎娶一直在等待他的大学时代房东的女儿。他们结婚后携手奔赴他人生的第三个大陆。

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19世纪末的加拿大是一个科学的莽荒之地。卢瑟福的席位来自当地香烟企业的捐赠,希望能以此提升那里的名气。他以汤姆森为榜样在那里建立实验室,召集起一拨年轻人开了张。其中之一是也来自英国、学化学的索迪(Frederick Soddy)。

卢瑟福自己发现了一个新的放射性元素:钍。他的注意力也随之从射线本身转向发生辐射的矿物。他收集了钍发生辐射后的遗留物,让索迪进行化学分析。索迪立刻发现那遗留物的化学性质与钍完全相反,犹如惰性气体,是完全不同的物质。

于是,他们提出放射性的机制:不稳定的原子会破碎,其中小部分碎片通过射线被释放,剩余部分则变成不同的、更稳定的原子。在这个过程中,一种元素转变成了另一种元素。他们把这个过程称作“嬗变(transmutation)”。

当贝克勒尔和居里夫妇最早观察到放射性现象时,他们曾对这个不需要外界激发而能够持续释放能量的现象大惑不解,甚至幻想过人类终于找到了取之不尽的新能源。这也是开尔文等人的疑虑:它违反热力学基本定律而不可能。卢瑟福发现的嬗变表明放射性的能量并不是无中生有,更不会用之不竭。与其它普通燃料相似,其能量来自消耗不稳定的原子。随着放射性的进行,原有的不稳定原子会越来越少,最终耗尽。

果然,在他们埋头苦干,测量、收集了大量的放射性数据之后,卢瑟福总结出一个规律:无论是什么放射性物质,其所发的辐射量都会随时间呈指数递减,表明矿物中“燃料”在消耗。每过一定时间,辐射量都会减低到原来的一半。这个特征时间叫做“半衰期(half-life)”。半衰期很短的矿石很快就会耗尽燃料;半衰期长的材料则能长时间的保持辐射。

原子的嬗变又是一个惊人的新观点。

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1906年9月5日,在匈牙利的维也纳大学的玻尔兹曼在与家人度假时趁妻子女儿在海水里游泳之际上吊自尽。那是他过去的同事德鲁德自杀的两个月后。

年轻的德鲁德在事业巅峰时的突然自杀非常出乎意料。玻尔兹曼选择这个结局却不那么意外,他亲近的同事、朋友一直都在担心会有这么一天。年届花甲的玻尔兹曼在世纪之交时身体健康每况愈下,心理压力更是难以承受。在他辉煌的科学生涯渐入尾声之际,他越来越担忧自己的毕生努力只是白忙了一场,毫无价值。

当然,玻尔兹曼的统计力学那时已经炉火纯青,成为经典物理学不可或缺的一部分。即使最初有保留的普朗克也完全接受了这个理论。但让玻尔兹曼纠结不已的是原子的存在还无法被直接证实。那正是统计力学的基础。假如日常的固体、液体、气体不是由分立的原子组成,统计力学就只是无的放矢——如果没有巨大数目的随机个体存在,统计便无从谈起。

原子是否存在,是物理、化学界旷日持久的争议。尽管他在辩论中屡占上风,玻尔兹曼对同行持续的抵触相当纠结。尤其无法忍受的是同在维也纳大学的著名物理学家、哲学家马赫(Ernst Mach)。主张“逻辑实证(logical positivism)”的马赫顽固地坚持原子不可能存在,因为我们无法看到它的存在。他们的争执让玻尔兹曼身心俱疲,曾经一度离开维也纳大学,直到马赫退休后才回来。但他的心结依旧,无法解脱。

原子其实是一个非常古老的概念。早在古希腊,哲人们设想原子是物质的最基本单位。这个思想在19世纪由化学家——尤其是英国的道尔顿(John Dalton)——赋予了科学的内涵:原子是化学元素的最小组成,恒定不变。相同或不同的原子可以组成各种各样的分子,并在一定条件下会重新组合,那便是化学反应。在那之后,原子作为基本概念,在化学家中已经没有疑问。

物理学家却没有接受。他们倒不尽是出自马赫式的实证考量,而是对这个“化学家的原子”没有感觉:既无法确定其存在,也无从了解其物理性质。

也还是爱因斯坦出手突破了这个障碍。1905年,爱因斯坦在那个奇迹年发表的第二篇论文解释了布朗运动。他指出生物学家早就观察到的花粉在液体中的随机运动是因为水分子或其它原子与花粉的碰撞,因此表明液体中原子、分子的存在。再次运用统计理论,他计算了花粉运动的距离与时间的关系,提出一个可以实际验证的结论。

三年后,法国的佩兰(Jean Perrin)付诸实践,仔细地测量了花粉的布朗运动,证实了爱因斯坦的预测。这是爱因斯坦发表的一连串理论预测中第一个被证实的。佩兰后来因此获得诺贝尔奖(他也参加了1911年的索尔维会议)。肉眼看不见的原子的存在也因之被广泛接受,不再存疑。玻尔兹曼却已经离世两年,没有能看到那一天。

1911年初,爱因斯坦借去维也纳办理布拉格大学手续时拜访了马赫。马赫的逻辑实证哲学——以及他对牛顿绝对时空观念的批判——是爱因斯坦大学期间的奥林匹亚科学院经常辩论的主题,对他后来发展狭义相对论有着显著的影响。马赫那时已经73岁高龄,几乎完全失聪。他们没能深度交谈。爱因斯坦指出假设气体由原子组成能得出与实验相符的结论,而离开原子的概念却不可能,这是否足够证明原子的存在?马赫很勉强地同意那是一个可以接受的假设。

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汤姆森相信原子的存在。在发现了比原子还小一千倍的电子后,他肯定电子是原子的一部分。因为电子带着负电荷,他设想原子的其它部分带有正电,与之抵消。这样,他在开尔文的启发下想象原子是一块英国人熟悉、叫做“布丁(pudding)”的甜点:某种带正电的未知物质是连绵的奶冻,中间镶嵌着一些小小的葡萄干便是电子。这是第一个物理的原子模型。

汤姆森的阴极射线、萊纳德的光电效应等现象都表明电子在外力作用下可以从原子中逃逸出来,就像葡萄干被从奶冻中剥落。所以原子并不像希腊先哲、化学家所认为的那么坚固、恒定。但卢瑟福提出的一种原子整个地变成另一种原子的嬗变理论却还是令人不可思议。

人类在上千年中一直在寻找“点石成金”的可能,牛顿也曾痴迷于炼金术。但所有的尝试都失败了。整个19世纪的化学实验表明,作为元素的表征,原子有着固定的特质,不会变更。因此,卢瑟福和索迪也遭受到伪科学的指责。但好在他们有坚实的实验证据作为后盾,证明原子的嬗变的确在发生。

尽管他在加拿大的科研风生水起,成就斐然,卢瑟福还是感觉到当地的孤立和闭塞。在加拿大十来年后,他终于在1907年回到英国,成为曼切斯特大学的教授。那正是一百年前道尔顿曾经孜孜不倦地埋头实验、奠定原子论的城市。

一年后,卢瑟福获知他得了诺贝尔奖。这本身并没有多大悬念,令他惊愕不已的是他得到的却是化学奖。与许多物理学家一样,卢瑟福认为当时只有物理才是真正的科学。其它学科,包括化学、生物等,都还只是在“集邮”。他感叹这些年观察到多种嬗变,发生得最快的还莫过于自己从物理学家被嬗变为化学家。

那年,瑞典化学家、他们第一个“自己的”诺贝尔奖获得者阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius)主持物理、化学奖的审批。他别出心裁,要炮制一个“原子年”主题,准备将那年的物理奖授予普朗克(普朗克的黑体辐射定律可以用来精确地测量阿伏加德罗常数,从而确定原子的质量)、化学奖授予卢瑟福。卢瑟福的提名一帆风顺,普朗克却非常地不走运。在最后一刻,洛伦兹碰巧发表了一篇质疑普朗克推导黑体辐射过程的论文。虽然他只是重炒爱因斯坦的冷饭,并无新意,他的名声足以让瑞典的委员们犹豫不决。他们临时将普朗克撤下,将那年的物理奖授予发明彩色摄影的法国人里普曼(Gabriel Lippmann),一个不重要但保险的人选。

普朗克还要再等上整整十年才得到他的奖,倒是维恩以黑体辐射的贡献在三年后先得了奖。

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卢瑟福在关注放射性材料的嬗变同时也没忘了那些射线本身。他很快辨识出β射线是与阴极射线一样的电子束,只是能量更高一筹。后来发现的γ射线则和伦琴发现的X射线都是与可见光、紫外线一样的电磁波,但频率非常高。带正电的α射线很让他踌躇。他很早就猜想到那是失去了电子的氦原子,但一直苦于无法验证。直到在曼切斯特,他终于设计出一个精巧、简单的实验,一举成功。他的时机倒也正好,就在诺贝尔颁奖仪式上公开了这个重大发现。(氦元素最早是通过光谱在太阳上发现的,后来在地球的铀矿石中找到。那便是来自铀放射出的α射线。)

卢瑟福对这个α射线情有独钟。相比于高能的β、γ射线,α射线没有太大的穿透力。但它的质量大得多,可以作为现成的高速原子束去与其它原子碰撞,探测原子之间的相互作用。于是,他带着几个学生在曼切斯特又开始了繁复、系统的实验,用α射线穿透金箔,在各个角度上计数,收集氦离子被金原子散射的数据。他的一个学生盖革(Hans Geiger)为此发明了著名的“盖革计数器(Geiger counter)”,直到今天依然是探测放射性的首选仪器。

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1908年,卢瑟福(右)和盖革在曼切斯特大学的实验室里。

由于金箔非常薄,绝大多数的α粒子直线穿透,似乎毫无障碍。它们中只有少数被散射而偏离原来的方向。散射的角度越大,那里的粒子越少。

一天,卢瑟福灵机一动,指示学生重新安排仪器的布局,看看会不会有往反方向弹回来的α粒子。没有人觉得会存在这样的可能。但为严谨起见,他们调整了观测的方向,一下子却目瞪口呆。还真有极少数的α粒子被金箔反弹了回来。

卢瑟福也是同样地震惊:这就像用几十厘米口径的大炮轰击一张手纸,却看到有炮弹被反弹回来击中了自己。带有小小葡萄干的奶冻不可能有这样的威力。

显然,金箔中的原子不是他导师汤姆森心目中的布丁。


(待续)




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