奇书网

第3章 贵族炸弹和花粉（第1页）

第3章　贵族、炸弹和花粉

二象性公爵

许多年前，青春懵懂的我去一所大学参加面试，坐在我面前的是四位杰出的科学家，他们问我对量子论了解多少。我当时太蠢了，在申请书里提到了量子论，所以他们想考考我，让我跌落一两个能量壳层。

我滔滔不绝地讲了一大堆关于波和粒子的事实，试图让他们觉得我非常了解，直到有个人举手示意，让我别说无意义的话，并且非常温和地问我：“那么，电子究竟是粒子还是波？”然后她坐回去，看着我不知所措的样子。我一点也不为那次经历感到痛苦，因为平心而论，她问的是一个无解的问题。

电子和光子有不同的行为方式，这个谜团被称为“波粒二象性”—这个术语的创造者是法国贵族、第七代布罗意公爵路易·皮埃尔·雷蒙（简称路易·德布罗意）。第一次世界大战期间，德布罗意在军队中服役，之后他坚持接受历史学和物理学的教育，他认为这对理解人类的过去和未来至关重要。

德布罗意20岁的时候，量子论已经成为科学界的一件大事，所以他决定写一篇关于这个核心谜题的论文。有没有可能宇宙中的事物既不是粒子也不是波，只有当我们做实验的时候它们才呈现出相应的形式？电子和光子是否以某种方式在两种状态之间来回跳跃？我们这些脑袋是否能在量子层面上理解大自然究竟在做什么？

谈到波的时候，我们可以根据它的频率（每秒钟波撞击的次数）和波长（相邻波峰之间的距离）计算它的能量。

由于我们也可以根据运动粒子的质量和速度计算它的能量，德布罗意提出了一个问题：为什么不能让这两个能量相等？如果知道某种物质的粒子属性，我们就能计算出它的能量，然后换一种思路把它想象成波，波的能量就等于我们刚刚计算的能量。能量是波物理学和粒子物理学之间的“翻译者”。

起初，这一建议遭到了质疑。难道我们真的要说每个粒子都有波长，每个波都有质量吗？对德布罗意而言幸运的是，爱因斯坦非常喜欢他的想法，并开始在演讲中表示支持（这总不会有什么坏处）。

根据德布罗意的方法，你可以取任意一个你喜欢的粒子，然后计算它的“粒子波长”。只要计算出粒子波长，你就可以搭建大小合适的双缝，并向它发射粒子，从而在另一侧得到干涉条纹。虽然我们无法想象一个物体同时是粒子和波，但我们的确可以计算并得出可靠的数据。

而且，这也是可行的。1944年，欧内斯特·沃兰利用德布罗意的理论，在食盐晶体中衍射出比电子重数千倍的中子。[1]也可以用同样的方法将质子衍射出，尽管令人惊讶的是还没有人做过这个实验，至少没有相关的记录。但事后来看，我可能不该在那封大学申请书中声称我做了这个实验。

有点极端

质子、中子和电子都像波一样运动，这一点既深刻又古怪。世界上每一个物体都是由这些粒子构成的，我们把包括自己身体在内的万物都视为粒子，所以我们也都是波。你的身体有波长，如果以某种方式把你射向合适大小的双缝，那么你也会发生衍射。

如果你感到好奇，我们可以这样说：把一个普通人以每秒30米的速度从大炮中射出，他的德布罗意波长约为0。0000000000000000000000000003米。如果我们能找到方法，让人体中的所有原子都排列成一条直线，并且有合适大小的双缝，衍射就能真正发生。我估计在早期实验中，你会用炮弹炸掉志愿者的手。

目前，桑德拉·艾宾伯格保持了最大衍射物的世界纪录，她在2013年成功地用一整个C284H190F320S12N4分子进行了波干涉。810个原子同时穿过双缝，在双缝的另一侧与自己叠加。[2]这还远远比不上完整的人体，但我们必须从某个地方开始。

海森堡登场

在布莱恩·科兰斯顿扮演的新墨西哥州从事违法活动的化学老师出现之前（1），沃纳·海森堡是世界上最优秀的数学家之一。不同于关注实验结果的普朗克、爱因斯坦和德布罗意，海森堡更喜欢研究已完善的理论，并喜欢看到理论扭曲崩溃，而不担心这对实验人员意味着什么。

众所周知，海森堡对现实世界的物理学一无所知，在他的博士生涯中，有人问他简单电池的工作原理，他答不上来[3]（这让我感到安慰，因为很明显，海森堡也遭遇了令人难堪的面试官）。

尽管对实际问题一无所知，海森堡的数学才华是无与伦比的。1920年，他受聘为阿诺尔德·索末菲工作。索末菲是帮助玻尔设计原子理论的物理学家之一。

索末菲交给海森堡一个涉及光本身如何分裂的数学难题。海森堡不到两周就解决了，但他的方案太复杂，索末菲没有接受。索末菲认为他不可能这么快就找到答案，直到几个月后，更著名的物理学家阿尔弗雷德·朗德发表了完全相同的观点，进而赢得了荣誉。[4]

那次经历之后不久，海森堡转到丹麦哥本哈根研究所与尼尔斯·玻尔共事，这里很快成为世界量子研究的堡垒。也许他为索末菲无法接受自己的天才而感到失望，也许他希望为一位诺贝尔奖得主工作［索末菲被提名了84次（诺贝尔奖），但从未获奖］。不管怎样，海森堡从头开始，成为玻尔最顶尖的学生和最亲密的朋友之一。

那是海森堡的黄金时代，他发现自己身处欧洲最聪慧的头脑之间，这些人创造了当今量子力学仍在使用的方法和公式。海森堡与玻尔一起去山里远足，也会把其他醒着的时间都用于讨论粒子的奇特行为。那段时间海森堡赢得了真正的尊重，也收获了真正的快乐。

悲哀的是，海森堡的后半生太有争议。当纳粹主义席卷欧洲的时候，许多科学家为了避祸而远遁美国。海森堡却留下来了，纳粹招募他帮忙制造原子弹。

根据一些历史学家的说法，海森堡试图从内部破坏纳粹的阴谋，因为在战后的采访中，他准确地描述了如何制造一枚原子弹，尽管他的计划从未成功实施。也许他搞清楚了一切，但他闭口不言，就是为了遏制纳粹的势力。[5]

然而，在2002年，人们发现了海森堡与玻尔之间的一些通信，这些信件使真相更加扑朔迷离。似乎海森堡很享受研制原子弹的过程，他之所以失败，是因为缺少优秀的工作团队（优秀的科学家都在美国），而他自己根本不会做实验。[6]很可能，所有设备都是由电池操作的。

没有人确切地知道那段时间海森堡的道德立场是什么。当时他确实因为宣扬犹太人物理学家爱因斯坦的成果而惹上麻烦，是在母亲的帮助下才摆脱了困境。海森堡夫人与希姆莱夫人是好朋友，后者是党卫队首领海因里希·希姆莱的母亲。当海森堡惹上麻烦时，海森堡夫人打电话给她的朋友，直截了当地说：“让你儿子别招惹我儿子！”[7]

说起海森堡的政治观点，我怀疑他只是没有认真思考自己行为的道德含义，只是想解决人们给他的物理问题。