20世纪的科学怪杰鲍林-第21部分
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索末菲的讲座富有传奇性。与将来的鲍林不同，在课堂上他不是一个魔术师，而是组织规范和条理明晰的楷模。他的演讲风格足以引起学生们的兴趣，语速中等可以让他们仔细做笔记，思维条理清楚，引导他们理顺量子物理学的主要论点，使他们不致于在这一新兴领域遍布矛盾的荆棘丛中迷失方向。每一步他都要仔细地把物理发现同数学解释联系起来，在黑板上表明如何用数字来解释并揭示真实世界中的现象。在20年代中期，索末菲六个学期一轮的量子物理学讲座是那些对这一领域真正有兴趣的学生的必修入门课。他在慕尼黑的研究院，与哥本哈根的玻尔研究院和哥廷根的玻恩研究院一起，被认为是世界上学习量子物理的三大中心。
然而，同他的讲座风格同等重要的是，索默菲乐于与每个学生保持密切的联系。在普鲁士贵族拒人于千里之外的表象下，是一位热心、诚恳并善于鼓励学生的慈父般的老师。他邀请学生到家里去举行业余演奏会（索末菲的钢琴弹得相当出色），他喜欢在一家小咖啡馆里谈论物理，边讲边用铅笔在桌上写下算式，他还每星期抽出很长的时间与每个学生进行交谈。在这些研究讨论中，他会询问他们工作的进展，提出指导意见，并给予鼓励。索末菲具有一种独特的德国式的乐观精神：他坚信德国科学和德国音乐与哲学一样，代表了人类的最高成就，而且德国思想的理性发展必将最终破解原子的秘密。这只是时间和方法的问题。他让学生们把精力集中在较小的、力所能及的问题上，而不允许他们把时间浪费在复杂的大理论问题上，从而帮助他们建立起信心。他常说：“当国王建造宫殿的时候，马车夫更忙。”在尝试制作王冠之前，他要保证学生首先是一个合格的木匠。如果说，尼尔斯·玻尔在20年代中期对围绕在他的原子模型理论周围的疑云日益悲观，日渐成为量子物理学的忧心忡忡的哲学家，那么，索末菲则可以说是量子物理学乐观的工程师。
在培养成功的物理学家方面，他的研究院是无与伦比的。爱因斯坦在1922年写信给他说：“我特别欣赏您培养出了如此众多的青年才俊。”据估计，第二次世界大战前在德国教书的所有物理学家中，有三分之一在索末菲的研究院里做过学生或助教。这些才俊包括劳厄、德拜、沃尔夫冈·泡利、维纳·海森伯、保罗·埃瓦尔德、汉斯·贝特、保罗·爱泼斯坦、格雷戈尔·文策尔、瓦尔特·海特勒、福里茨·伦敦、卡尔·贝歇尔特以及外国学者爱德华德·康顿、埃西多·拉比、爱德华·泰勒、劳伦斯·布拉格和鲍林。他的许多学生在学术上超过了他。他们所有人都从他那里学到，没有什么是不可能的。海森伯说：“我从玻恩那里学到了数学，从玻尔那里学到了物理，而从索末菲那里学到了乐观。”
研究原子时，乐观是不可或缺的。大家越来越清醒地认识到，玻尔—索末菲关于电子沿轨道转动的原子模型不能说明问题。原来的困惑仍旧得不到解释：运动的电子为何不会丧失能量撞向原子核？为何它们只能呆在特定的轨道上运动？电子如何“跃迁”？而且现在又出现了新的不可思议的现象。在20年代初，法国的一位博士生普林斯·路易斯·德布罗意提出，电子表现出波和粒子的双重特性；换句话说，物质，至少在原子水平，具有光的性质。美国贝尔实验室的研究人员在1927年证实，电子在穿过晶体时会发生衍射，就像光波和X射线那样。1923年，另一位美国科学家阿瑟·霍利·康普顿发现了光具有粒子特性的强有力的证据。接着，两名青年丹麦科学家戈尔德施密特和乌伦贝克发现电子会“自旋”。粒子怎么会是波，而波怎么又会是粒子呢？波怎么能“自旋”呢？
在加州理工学院，鲍林听说过很多玻尔—索末菲原子模型存在缺陷的议论。但在最后得到证明之前，他仍然信奉这一模型和其他相关的理论。他在1925年12月份还认为，基于玻尔—索末菲量子理论的计算“简洁明快，论据充分”。但仅过了几个月，到了1926年夏天，他已开始用一种新的思路来看待原子了。
这起始于他与索末菲的第一次谈话。对于德语，鲍林从祖父母那儿学了一点，后来又在俄勒冈农学院学过两年；他的这点德语加上索末菲有限的英语，他俩得以进行深入的会谈。鲍林问，也许您还记得在加州理工学院访问时见过我？遗憾的是，院长忘记了。索末菲让鲍林描述一下他的研究兴趣和他希望在慕尼黑取得的成果。鲍林热切地谈起他希望继续在加州理工学院的一项工作，关于氯化氢气体介电常数的研究。然而鲍林吃惊地发现，索末菲“并不怎么在意我的建议”。和多数德国科学家一样，院长认为美国物理学总的来说不登大雅之堂。（他告诫一位准备拿奖学金到伯克利深造的德国青年物理学家说：“不要对此过于认真。在美国的日子会非常好过。那儿任何年轻人都能成为助理教授。”坏管怎样，德国的习惯是教授制定研究课题，而不是学生来定。索末菲让鲍林给他几天时间考虑，然后让鲍林研究一个他并不是十分热心的问题，关于电子自旋的一系列严密的运算。
鲍林对待这项工作的热情好比是完成母亲在他十多岁时给他安排的课余工作：他没有取得什么进展，很快就放弃了努力。他的兴趣在别的事情上。他回忆说：“我思考着几乎每一个悬而未决的理论问题。”
当时他特别感兴趣的是一个氯化氢问题。鲍林试图用一种量子理论来精确地预测电场对极性分子运动的影响。他的理论预测与实验结果相当接近，这使他确信问题出在实验测量不精确或者是自己的理论尚不完善，而玻尔—索末菲原子模型是正确的。在离开美国赴欧洲之前他正思考着以一定角度给电场加上一个磁场。如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场将会对分子运动产生可以测得的影响——而经典理论认为不会产生这一种作用。这将为量子理论提供新的证据。鲍林最终说服索末菲让他着手进行这项工作。鲍林在1926年5月22日给诺伊斯的信中写道：“索末菲说，下个月德拜将在苏黎世召集一次有关磁场的会议，会上将宣讲我的成果，因而我必须在此之前搞出些名堂来。”
鲍林废寝忘食地开始工作，在书桌前一坐就是几个小时，在笔记本上写满了公式、草图和心得。爱娃在6月2日写道：“莱纳斯忙着解决他的氯化氢问题，一会儿兴高采烈，一会儿闷闷不乐。”到6月10日，鲍林能从理论上证明，如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场应该会有相当大的作用。他一面等待帕萨迪纳实验室证实他的结论，一面用德语写就了一篇论文。索末菲在6月21日把这篇论文带到了苏黎世的会议上。几天之后，鲍林收到索末菲的一份电报，叫他到瑞士去阐述他的观点。
爱娃仍然记得那年6月底乘火车穿越阿尔卑斯山脉的旅行——葱翠的山坡，火红的罂粟，戴着蓝色头巾的农村妇女——还有她丈夫的激动心情。鲍林引起了索末菲的关注。他的观点受到了重视。到达苏黎世后，他们应邀与院长和其他几位科学家到德拜家用餐。在后来几天时间里，鲍林介绍了自己的理论，听别人的报告，并和几位欧洲最著名的物理学家随意地进行了交谈。爱娃写道：“他专心地倾听着，兴奋异常。我很高兴看到他这样。”
另一件令鲍林格外激动的事情是有机会同大家谈论最多的欧洲青年物理学家泡利交换看法。泡利出生于维也纳一位化学教授家庭，17岁那年，在听完爱因斯坦关于相对论的一次演讲之后，他站起来说那位科学巨匠的结论中有些错误，从而声名鹊起。18岁的时候，他为百科全书撰写相对论条目。1925年，他还只有25岁，就发表了“不相容原则”，从而在玻尔—索末菲原子模型描述电子状态的三条原则之外又加了第四条。他还表明，任何两个电子都不会有完全一致的量子数。这样，他就确立了自己在物理学发展史上的地位。戈尔德施密特和乌伦贝克运用泡利的第四条量子数原则，发现了电子“自旋”的新特性，即电子绕自己的轴旋转的特性。自旋有两种，一种与电子的轨道平行，一种与电子的轨道相反。按照不相容原则，一对电子只要自旋方向相反，就能相容于同一个轨道。成对电子的思想立刻引起了化学家，至少像鲍林这类化学家的强烈共鸣，因为他们对路易斯共用电子对成键的理论是相当熟悉的。
与此同时，泡利也由于他一位同事所称的“过分诚实”而声名狼藉。如果他认为某种理论粗制滥造，他会直截了当，有时甚至是无情地加以鞭挞。连好脾气的保罗·艾伦费斯特也受不了泡利尖刻的批评，对他说：“我喜欢你的论文，而讨厌你的为人。”鉴于鲍林的论文指出了泡利有关极性分子思想的缺陷，也许他会受到冷遇。
在一次报告间歇，鲍林跑到泡利面前，向他讲述自己几星期来的辛勤工作表明玻尔—索末菲量子物理学模型是对经典理论的改进。泡利彬彬有礼地听他讲完，给了他四个字的答复：“没有意义。”也许是觉察到了自己的评论给对方的打击，他补充说：“如果在两年之前，你会出名的。”两年之前寻找支持玻尔—索末菲的论据还是有意义的。但是现在，至少对泡利这样天才的欧洲青年物理学家来说，那一理论已经过时。一年前，一种新的称为量子力学的思维方式已经诞生，从而宣告了玻尔—索末菲理论的死亡。
新力学
泡利的朋友维纳·海森伯是玻尔—索末菲理论的主要杀手。他俩是互补的一对。泡利是内向稳重、善于严密分析的兄长（年长一岁半），而海森伯是容易冲动、具有创新精神的闯将。他们的学习生涯颇为相近，海森伯比泡利晚一两年：他们都在慕尼黑索末菲处获得博士学位。在那里，一年级研究生海森伯初识泡利并成为好朋友；两人都赴哥廷根跟随玻恩深造；然后两人都在哥本哈根当过玻尔的助手。玻恩是新物理学的思想教父之一；两人都受到玻恩怀疑论的影响并崇尚数学。玻息传授给他博士后学生的思想是，在描述原子时使用的空间和时间概念不应当受到描述较大物体时使用的相同概念的限制。他同时也传授给了他们一个数学家对于混乱、矛盾的玻尔—索末菲原子模型的厌恶。到了1924年，泡利和海森伯就已经把修补玻尔—索末菲原子理论的努力称之为“骗局”。
海森伯将终止这场骗局。他认为这一谬误的症结在于，研究人员试图用一个编造出来的、电子沿轨道运行的模型来硬套越来越奇怪的实验结果。海森伯决定忘掉轨道，把模型抛到脑后。他把玻尔—索末菲模型从自己的大脑中抹去，然后完全基于观测到的数据在脑海中构筑纯粹的数学公式。没有人能够看到在轨道上运行的电子，但是你可以看到它们发出的光。海森伯把注意力集中在光谱数据上。他曾患枯草热在北海一个多石的小岛上养病，就在那充满传奇色彩的几天里，海森伯仅仅依靠可观测的数据，创造了一种描述量子物理的新的数学方法。玻恩和他的一个学生帕斯卡尔·约尔丹对此又作了整�
