神秘博士

1905年，普朗克差不多已经忘了他的光粒子理论，他此时是世界最负盛名的物理学杂志之一—《物理学年鉴》的高级编辑。这意味着普朗克会收到许多来自江湖骗子的建议，其中大多数都被他丢弃了。

那年三月，普朗克收到了一篇论文，声称光的确是由粒子构成的—这并不只是为了让数字合理而随意捏造的理论。乍一看，这又是一个疯狂的想法。这篇论文来自瑞士一位不知名的26岁业余物理学家，他拥有高中教师资质，仅此而已。然而，论文中的物理学知识无懈可击，还解决了多年来一直困扰人们的另一难题。

起初普朗克不敢相信，他甚至派助手到瑞士去核实，看这位“阿尔伯特·爱因斯坦”究竟是否真的存在，还是什么人为了不被嘲笑而起的化名。[1]当普朗克发现确有爱因斯坦其人时（尽管爱因斯坦没有多少经验—甚至当时连博士学位都没有），他还是立即发表了这篇论文。他那荒谬的光量子理论也许根本就不那么荒谬。

爱因斯坦的论文探讨了所谓的“光电效应”。简单地说，当光照射在一片洁净的金属上时，金属原子外层的电子就会飞离金属表面。

这是因为电子能吸收光，如果入射光的能量足够大，电子就能吸收光并被剥离。这本身不足为奇，但令人惊异的是，并不是每种颜色的光都能引发光电效应。

每一种金属都是独特的，但一般来说，红光、橙光和黄光对金属表面不起作用，而绿光、蓝光和紫光会导致电子发射。绿光、蓝光和紫光的能量高于红光、橙光和黄光，因此这是合理的；但奇怪的是，即使增加红光的亮度（直到它相当于蓝光），光电效应也不会发生。

量子能量的单位是电子伏（简称eV）。一束10eV的红光与一束10eV的蓝光包含的能量相同。为什么能量相同的红光和蓝光不会产生相同的效应？10eV的红光与10eV的蓝光不一样吗？爱因斯坦表示，如果认真看待普朗克的量子论会发现，它们就不一样，10并不总等于10。

一个苹果在手，相当于两个诺贝尔奖

想象有人伸出手臂，手里抓着一个苹果，而你用水枪对着他的手喷水（别问我为什么要这样做，物理类推法就是这样的），在水流强大到一定程度之后，苹果就会从手中脱离。这时，水的能量克服了手的抓力，苹果飞到了空中。

同样，电子与其原子的结合包含一定能量，当我们增加入射光的亮度，最终应该能使电子脱离—无论我们用什么颜色的光。可是，在实验室里我们没有得到这样的结果，所以我们需要再次把理论揉碎，尝试一些新的东西。

假设我们用一束红光，按照普朗克的建议把它切成小块，每一块都包含一定的能量。当然，一束蓝光也可以被切成同样数量的小块，但每一块包含的能量更大。

不要把光能想象成平滑的水柱，而要把它当成粒子。红光的光量子类似于乒乓球。你向那个人的手发射再多的乒乓球，苹果也不会掉落。你甚至可以把整桶乒乓球泼向那个人，但由于苹果与乒乓球之间的每一次相互作用都是无足轻重的，所以无论有多少乒乓球，都不会让苹果产生一丁点位移。

相比之下，蓝光的光量子更像是一枚炮弹。假设你向握着苹果的人发射一枚蓝光粒子，那么苹果和手都不保了。请仔细挑选志愿者。

100颗乒乓球的总能量可能相当于一枚炮弹，但炮弹的威力更大。因此，一束光如果分裂成粒子，它的总能量就无关紧要，唯一重要的是颜色。这就是我们观察到的。

在爱因斯坦看来，普朗克的光量子理论具有真正的物理学意义。这不仅仅是我们接近答案的一种方式，它可能就是答案本身。光终究是由粒子构成的。在爱因斯坦的证明发表之后不久，化学家吉尔伯特·路易斯认为这些粒子应该有个比“光量子”更好记的名字，并开始使用“光子”（希腊语中的“光”），且这个词沿用至今。[2]

因为推动了光物理学的新进展，普朗克和爱因斯坦分别于1918年和1921年获得了诺贝尔奖。遗憾的是，吉尔伯特·路易斯并没有获得诺贝尔奖，但他有一副令人敬畏的小胡子，而且被认为是“jiffy（瞬间）”一词的发明者，所以在某种程度上，每个人都是赢家。

嗯……爱因斯坦？我们有个问题

爱因斯坦证明了光是由粒子构成的，这不仅支持了普朗克的量子理论，也公然挑战了托马斯·杨的光波理论。

一方面，光电效应和紫外灾难只有一种解释：光由粒子构成；另一方面，双缝实验表明，光是通过某种背景介质的波。

当两种假设发生冲突时，科学家只好通过实验解决分歧。可是如果实验本身也有分歧，那么以牛顿的苹果的幽灵之名，我们该怎么办？这在科学中是史无前例的，我们必须努力找出一个漏洞。

也许我们可以用光子来解释双缝实验的结果。我们的光源会像机关枪一样喷射出光子，它们会在空气中相互碰撞形成斑马条纹吗？

验证这一点的最好方法，是让光子在飞过双缝时不可能相互作用。我们不要一次性把光子都射出去，而应该试着一个接一个地发射，相当于用狙击步枪取代机关枪。

多年以来这个实验有很多版本，其中最好、最简易的是1994年外村彰在日立制作所工作时做的那个。[3]这家制造油箱、冰箱和**的公司，声称进行了有史以来最精确的双缝实验。

外村彰的设计细节与托马斯·杨的有很大不同，但它们都实现了相同的目的，所以为了简便，我会使用相同的术语，尽管它比我将要表述的复杂得多。

在实验中，外村彰的光束发射器朝着双缝发射光子，光可以由高亮度调节至低亮度。双缝的另一侧放置一块探测屏，该探测屏的制成材料在受到撞击时就会发光，因此粒子到达的每一个地方都会形成光点。

与托马斯·杨的原版一样，当一束完整的光射向双缝时，外村彰得到了预期中的斑马条纹，可是当他把强度降低到每次一个光子时，他得到了一些非常奇怪的东西。

最开始的几分钟很无聊。射向双缝的每一个光子随机地打在探测屏上。但随着他继续观察，光点的图案逐渐累加，形成这样的带状物……眼熟吗？

这完全说不通，因为每个粒子都是单独发射的。斑马条纹的形成需要分别通过两条狭缝的两个光子相互混合。如果每个光子都是单独发射的，那么它与谁混合呢？在没有任何东西与光子发生干涉的情况下，它们是如何产生干涉条纹的呢？难道是光子以某种方式同时通过了两条狭缝？

量子长裤

我记得有一次我从洗衣店里取出一条长裤。我很困惑，因为我正穿着这条长裤。我茫然地站了几秒钟，确信自己是这条量子长裤的主人，而它正处于不同位置的长裤叠加态。

然后有人告诉我，我有两条一模一样的长裤，只是以前我没有留意。我之前的那种辩解是在考虑量子力学。在量子力学中，你永远不会做出简单的解释，简单的解释永远行不通。

发射器中激发的光可以像粒子一样运动，但双缝实验表明，它在穿过狭缝时可以像波一样运动。

在艾萨克·牛顿的“经典物理”中，一切都是合理的，粒子与波截然不同。量子论模糊了这个边界。

原因很复杂

爱因斯坦在瑞典领取诺贝尔奖的时候，年轻的丹麦物理学家兼足球爱好者[4]尼尔斯·玻尔正在把量子论应用到整个原子上。

原子由几种粒子构成，包括聚集在原子核中心的质子，以及在原子核外、像蜜蜂绕着蜂巢一样嗡嗡飞行的电子。（原子核里也有中子，但当时尚未被发现。）

众所周知，发光原子发出的光，其值是该原子所特有的。例如，热铁发出的光与热镍发出的光频率不同，相反，当光照射在原子表面时，它们吸收不同颜色的光。以前这很难解释，因为人们认为光是一种平滑的波状物质。可是，一旦我们知道光有时由特定能量的粒子构成，就有可能解释它与物质的相互作用。光子能有特定的值，所以电子能也有特定的值。

在玻尔的量子论中，电子并不是围绕着原子核快速地随机移动的。相反，它们穿越无形的球面，且这些球面间隔的距离是特定的。玻尔把这些球面称为“电子壳层”，但很明显他应该称之为“玻尔比特”(1)。

玻尔设想的原子是一个三维的太阳系，这是人们至今还在绘制的原子图像。然而，电子和行星的区别在于，行星能够以它喜欢的任意距离绕太阳运行。引力在空间的每一点都起作用，并随着距离的增大而平稳地减小。所以只要以正确的速度避免被吸过去，行星就能够在任意轨道上运行。

但电子壳层不同。电子不能吸收任意的能量，因为能量被分割成特定的值（我们说电子壳层是量子化的）。

低能量的电子固定在靠近原子核的壳层上，但如果它吸收一个光子，就会获得推力，从而绕着更远的壳层轨道运行。假设壳层之间的距离是固定的，只允许一定能量的跃迁，那么就只有特定的光束能与特定的原子相互作用。

假设两个壳层之间的距离是20eV。如果电子吸收一个20eV的光子，它就能完美地跃迁，但如果我们向原子发射19eV的光子，就什么也不会发生。原子中不允许发生19eV的跃迁，因此光子会继续穿过，就好像原子不在那里一样。

这意味着两个壳层之间的电子不存在中间能量值。因此，当电子吸收一个光子并跃迁到更高的壳层时，它不会通过中间的“真空地带”。它显然是瞬间从内壳层跳到外壳层的，这就是所谓的“量子跃迁”。我并不是说电子在壳层之间瞬间移动……但看起来就是这样。

量子跃迁是指电子从一个壳层消失，出现在下一个壳层，并在这个过程中吸收一个光子（如果获得能量）或释放一个光子（如果失去能量）。具有讽刺意味的是，“量子跃迁”一词在日常生活中往往意味着巨大的变化，但它实际上指的是可能发生的最小改变。

玻尔不确定为什么电子在特定的能量轨道上运行，而且还产生量子跃迁。但这解释了他想要的东西，所以他把一堆想法混杂在一起，决定不要想太多。

从本质上讲，玻尔利用现有的物理概念做了一幅拼贴画，就像一个孩子从父母的日用织品柜偷布料，然后把它们粘在一起，形成了真实但丑陋的画面。而且，由于没有人能做得更好，所以所有人都接受了，并把它贴在自己的冰箱上。

玻尔这样回答

无论如何，量子跃迁的确解释了一些非常重要的事情。质子对其电子有吸引力，在我们前面看到的光电效应中，电子必须克服这种吸引力。我们把粒子的这种相互吸引的属性称为“电荷”，它有两种不同的形式，分别是正电荷（质子）和负电荷（电子）。带相同电荷的粒子相互排斥，就像磁铁的同名磁极一样；而带相反电荷的粒子相互吸引。

从本杰明·富兰克林和他的风筝-雷电实验开始，人们就知道了电荷（顺便说一句，这是个真实的实验，而不是什么都市传说）。[5]电荷究竟是什么，现在这个问题变得很复杂（我们将在第12章弄清楚）。但无论你知不知道是什么导致了电荷的复杂性，它都提出了一个很好的问题：如果电子携带的电荷与质子的相反并且吸引质子，那么为什么电子不会螺旋式地飞向原子核使原子萎缩？为什么原子不会灭亡？

玻尔的回答是，那将违背能量量子化的原理。靠近原子核的、最低壳层的电子，处于能量阶梯的最底层，它吸收任何能量值都不可能向内偏移。

一旦电子处于最低壳层，失去能量的唯一方法就是彻底摆脱能量阶梯，简单地说就是湮灭。电子可能拼命地想要往原子核移动，但能量量子化的原理比电荷吸引法则更深层、更本质。

电子之王

量子论刚开始在欧洲萌芽的那段时间，粒子物理领域无可争议的领袖是英国物理学家J. J.汤姆孙—他不仅指出电子带负电荷，还最早发现了电子。

今天，汤姆孙的骨灰被埋在艾萨克·牛顿旁边。在剑桥大学，物理系位于J. J.汤姆孙大道。哦，他还被授以爵位。他也获得了诺贝尔奖。他的六个学生也是如此。

但，是他发明了量子长裤吗？

发现电子及其性质是汤姆孙的至高荣耀。他利用电弧的偏转证明了电子的存在，并测量了电弧的重量。因为电有质量，所以它一定是由同样具有质量的粒子构成的。

汤姆孙于1897年4月30日宣布这一发现。几个人在讲座结束后跑来祝贺他成功愚弄了世人。[6]不可能有比原子更小的东西，对吧？

但毫无疑问，电子是真实存在的。最小的原子是氢原子，而电子的质量只比氢原子的两千分之一大点儿，但它仍然是真实的。汤姆孙最开始想要将其命名为“微粒”来纪念牛顿，而美国物理学家卡尔·安德森则想要称之为“负电子”[7]（我们都认为这是能想到的最好的名字），但“电子”这个名称取而代之。

汤姆孙有许多著名的学生，包括发现了原子核的欧内斯特·卢瑟福，以及指出电子必须在壳层轨道中绕原子核运行的尼尔斯·玻尔。

然而，在汤姆孙的学生里，有一个人的发现最具革命性：电子并非总是粒子，它们有时像光子一样具有波动性。J. J.汤姆孙的儿子乔治·汤姆孙发现了这一点。

光有时是粒子，有时是波，这一点令乔治很感兴趣，所以他决定看看电子是否具有同样的性质。

如果电子具有波动性，那它显然是很小的波，因此长期以来没有被探测到。为了在双缝实验中使电子衍射，乔治·汤姆孙需要一组很小的双缝（更小的波需要更小的间隔），这不是一件容易的事情。

为了解决这个问题，他找到了一些赛璐珞胶片，就像电影摄像机里使用的那种。之所以选择这种材质，是因为其中的原子按一定的间隔排列，就像原子尺度上的双缝，然后乔治发射了一束穿过它的电子。

果然，在双缝的另一侧，电子束分裂成斑马条纹，意味着电子必须像波一样相互干涉。（特别注意：实际上，在之前外村彰的实验中，他使用的粒子就是电子。但我觉得如果我在那时宣布电子是波，会引起大众的恐慌、骚乱和我们所知文明的终结，所以我撒谎了。）

人们都知道电子是一种粒子，原来它也可以像光波一样叠加和衍射。乔治因此获得了诺贝尔奖。

1908年，J. J.汤姆孙因为证明电子是粒子而获得诺贝尔奖；1937年，他的儿子又因为证明电子不是粒子而获得诺贝尔奖。这真是太有趣了。我喜欢想象汤姆孙家的圣诞晚餐有多么尴尬：J. J.汤姆孙和乔治·汤姆孙面对面坐着，两个人都面带愁容，他们戴着五颜六色的纸帽子，漫不经心地擦拭着自己的奖牌，汤姆孙夫人则局促不安地坐在他们中间。“亲爱的，你们谁想吃梅子布丁(2)吗？”

(1)　原文是“Bohrbits”，Bohr是玻尔的名字，bit是比特—二进制的单位，也可以理解成一个个点，本章标题“星星点点”的原文就是“Bits and Pieces”。这里有一点调侃的意思。—译注

(2)　J. J.汤姆孙曾经提出一种原子模型，他认为在原子中，电子悬浮于均匀分布的带正电物质里，就像梅子散布在布丁里一样，因此也叫“梅子布丁模型”。这一模型后来被欧内斯特·卢瑟福推翻。—译注