物理学与物理学家们（zt）

eisenstange

神话中的神话
　　　　
　　有一天，如果一位教授了多年实验课的老先生突然看到学生递上来的一份实验报告，上面的测量数据是0.001159652188(4)。他开始一定是一笑付之，肯定是哪位同学偷懒按了计算器，懒得竟然连有效数字都不改。如果他打开书本查到这个数据的理论值是0.001159652133(29)，一定会气得暴跳如雷，偷懒尚可原谅，编造数据则真的是迹近无耻了，何况这个误差范围竟然在10^(-10)以内（一百亿分之一），编的也太离谱了：）
　　　　然而遗憾的是，他眼前的数据都是确凿无疑的，因为他面对的这个理论是人类有史以来最精确的理论量子电动力学。
　　　　
　　事情还得从头说起，量子力学和相对论的建立以后，人们一直试图把这两朵奇葩统一到一起。经过多番努力，这一伟业终于在大物理学家狄拉克(Dirac)手中完成。著名的Dirac方程就是相对论性的量子力学波动方程，它成功的解释了诸如氢原子能级分裂的问题。Dirac指出，氢原子的2S(1/2)和2P（1/2)两个能级事实上是一样的,这个也为当时的实验所证实。看上去一切都完美的结束了，然而上帝又一次和人类开了个玩笑。
　　这个玩笑就是著名的兰姆移位（Lamb shift）实验。二战结束后，实验上的微波技术得到了极大的发展。（呵呵，这都是拜二战时各国玩命地发展雷达所赐。仔细想想，我们能够享受到今天的幸福生活，二战实在是功不可没。核能，喷气式飞机，火箭，计算机，雷达等等，如果不是二战地催动，少说也要推后好几十年，然而这种科技的巨大进步竟是以上亿的生命为代价，实在就，，，）。在1947年，Lamb和Retherford用射频波谱的方法终于发现氢原子的2S（1/2)和2P(1/2)能级并不是完美的吻合，而是存在着一个能级差,这个就是著名的兰姆移位。兰姆本人也因为这次精彩加精密的测量而荣获1955年诺贝尔物理学奖这个实验给当时的人们几乎是灾难性的打击，然而顽强的物理学家们痛定思痛，终于萌生了量子电动力学的
　　　　念头。这个号称有史以来最精确的理论一出世就是一个怪胎，其一是它在数学上的计算繁复不堪，失去了物理学传说中的简洁美。连玻尔都十分的不以为然，他的口号是，我不相信上帝会把它的面貌这样复杂地描述给我们听。老玻尔始终还是沉浸在量子力学“简明”的数学美感之中。其二是它采用的数学方法说白了就是类似级数一级级的展开，这个被很多崇尚解析的数学家视为极度异端，因为起码连展开的收敛性无法保证。三，它自身也无法自圆其说，数学家的担忧不是没有道理，著名的红外发散就是一个无法克服的障碍。终于有勇士完美地解决了这个问题。J.Schwinger，16岁就成为物理学家的神童，数学上的任何技术问题都可以轻易克服。他用无比繁复的形式对量子电动力学做了解说，其中引入了著名的重正化方案(Renomalization)来克服发散。 R.Feynman,另一个天才性传奇人物，他用无比简单的图论方法对量子电动力学做了说明,这个就是著名的费曼图(Feynman Diagram).当人们试图努力把这两位天才的思想融和到一起的时候，另一个惊人的消息从遥远的日本传来，物理学家朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)在完全独立的情况下自创了第三种对量子电动力学的解读方案，而且好像也是正确的。这次人们算是彻底昏倒，好在我们这个星球上天才从来不缺，美国人Dyson终于以神话般的技艺证实这三种说法是等价的。终于在1965年，J.Schwinger,Feynman, 和朝永三人共享当年的诺贝尔物理奖。
　　　　
　　量子电动力学的成功是空前的，它标志着电子和光子被人类彻底征服。1900年就发现的著名的阴极射线——电子到此为止没有任何秘密而言，它的一切秘密都被人类所掌控。开头提到的数据就和电子最隐私的个人数据g因子相关。（测量的是a, a=(|g|-2)/2，要是电子MM知道自己的胸围被物理学家测到精准到一百亿分之一，会不会吓得花容失色？：P)。实验的精度达到百亿分之一，可是所有物理学家都顽固地相信，这个误差始终还是出在实验那边的。这也是人类强大自信心的表现吧。
　　兰姆移位实验，直接促使了量子电动力学的诞生，足可进入十大物理实验的排名：P

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从牛顿力学的危机到相对论的建立——谈寻找以太的实验
　　　　
　　“迈克尔孙－莫雷寻找以太的实验是物理学史上最著名的实验之一，它曾经是让所有人充满希望的实验，也是几乎让所有人绝望的实验。它的彻底失败直接导致了牛顿力学的空前危机，并终于在二十世纪初引发了人类时空观的彻底变革......”
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　　还是从中学物理课本上引用的伽利略的那段话开始说起吧，
　　 "......在匀速行驶的船中，水滴依然垂直下落，而不会偏向船尾：你向不同方向抛投物体，尽管物体飞行时船在前进，但你不会发现向船尾比向船头容易抛得更远......你无法根据舱内的任何现象来确定船是在正常的航行或是停在岸边。“
　　伽利略无疑是历史上认识到在一个匀速运动的参考系和一个静止的参考系上作任何实验结果都不会有差别的第一人。而大物理学家牛顿更是看到了这一观点的深刻意义所在。他一直在思考自己的牛顿三定理究竟普适到何等程度。终于，在他的著作<<自然哲学的数学原理》一书中牛顿从哲学的高度解决了自己的困惑。他认定存在着一个绝对静止的空间，在这个空间里时间是均匀地流逝着的。在其他所有相对这个绝对空间匀速运动的参考系里面力学规律（他的三定律）都是适用的，正如我们大家所熟知，这种参考系叫惯性系。如果是非惯性系（相对绝对空间存在加速度的参考系）怎么办？牛顿也不慌不忙地引入了惯性力的概念，即在非惯性系内的受力物体另加上一个与加速度反方向的惯性力即可。于是，处在一个自由下落电梯中的我们，就可以心安理得地这样解释自己的失重：我们的身体除了向下受到的重力以外，还受到与电梯（非惯性系）的加速度相反方向的惯性力了。两种力方向相反，大小相等，刚好扯平，所以我们感受不到重力是很自然的事情了。
　　　　 牛顿的理论是天衣无缝的，至少在他那个年代的科学家们看来如此。伟大的牛顿不仅在一团迷雾中指清了光明的所在，而且更重要的是，他给了所有人以强大的信心。生活在牛顿时代的物理学家几乎是历史上最单纯幸福的一代。在伟人牛顿的光环笼罩之下，他们几乎不用再担负任何哲学上的艰涩思考而放手拓展数学在物理学上的应用，一批批数学物理大师滚滚而出，拉各朗日(J.L.Lagrange)，拉普拉斯(P.S.Laplace)，哈密顿(W.R.Hamilton)，泊松(S.B.Poisson )，直至后来登峰造极的麦克斯韦(J.Maxwell)。从古到今对物理学真正最具信心的也是这代人，从来也没有人像他们那样自负（或者说狂妄）过，这其中典型的如拉普拉斯。
　　　　 当年在法国皇帝拿破仑举行生日庆典的宴会上，大物理学家拉普拉斯把自己的新作《天体力学》一书毕恭毕敬呈给了皇帝预览。这位拉普拉斯大人在物理学和数学上学识相当了得，但究其人品实在平平，从雅各宾派专政到如今的拿破仑皇帝，他自己也搞不清向多少人宣誓效忠过了，其实从他热衷献寿礼这件事本身就可看出端倪。不料这次皇帝翻了翻他的书，却十分不满地问道，拉普拉斯，我翻了这许多页，你怎么只字没有提到上帝？即使是卑躬屈膝已经成了习惯的拉普拉斯，这次也终于挺直了腰杆，自豪地回答道，“陛下，我的假设中并不需要上帝。”
　　　　 拉普拉斯不愧是个解偏微分方程的高手，他那著名的宣扬拉普拉斯决定论的豪言壮语也带有偏微分方程特有的味道，“如果有人能告知我整个宇宙诞生初期的条件和宇宙边界的条件，我甚至可以计算出整个宇宙的演化历程！”这等几乎是疯子的言语，在当时却激起一大片的轰然喝彩之声。阿基米德曾经也声称给他一个杠杆他能撬起整个地球，那不过是夸张地形容了一下杠杆的威力而已，阿基米德本人也未必打算亲自尝试。而这次拉普拉斯的“嚣张”竟然使得人人跃跃欲试！每一个沉醉在牛顿力学辉煌胜利中的人都是同样的想法，拉普拉斯的话原则上并非没有道理，以后的物理学家们只需沿着伟人牛顿指引的路走下去便是，甚至根本不须出什么才能特异之士，只要有几代人在数学计算上的平庸积累之后，物理学就会成为一个历史名词了。
　　　　 现在想来，拉普拉斯等人的狂妄也着实太过了些。早在1889年，法国的大数学家，物理学家庞伽莱(H.Poincare)在解决看似很简单的三体问题(三个物体在相互引力下的运动）时就发现纵然力学方程可以很快的列出，而我们始终是不可能找到完美的解析解的，而且他发现解的结果对初始条件极其敏感，任何初条件的细微变化最终会导致整个系统的混乱无序，顺着这条路走下去就是从上世纪六七十年代一直红到今天的混沌科学。这个算是给拉普拉斯决定论第一个耳光。更响亮的还在后面，那是1920年前后以玻尔为代表的哥本哈根学派创立的以几率诠释为根基的量子力学。至死坚持拉普拉斯决定论的爱因斯坦忍无可忍，与玻尔一派展开了一场哲学上的激烈争论。其实即使是爱因斯坦这些决定论的忠诚捍卫者，他们头脑中的时空观与拉普拉斯的也完全不可同日而语。总之后来这些曲折离奇的变故，纵使第一智者牛顿泉下有知，也会惊得目瞪口呆的。
　　　　 牛顿力学的危机，倒并不是出现在力学的本身，而是在其旁支电磁学上。相对独立的电磁学自诞生以来就积累了无数纷繁杂乱的公式，直到有一天碰到了它们的终结者－麦克斯韦。1864年 麦克斯韦用魔术般的数学手法将整套电磁学浓缩在四个简单的联立方程之中，并以此预言了电磁波的存在。这不仅在物理学上是件了不起的大事，甚至有人这样评论，两千年后的人们回想起公元1864年，首先忆起的只怕不是曾经轰动一时的美国南北战争的爆发，而只是朴素简单的麦克斯韦方程。
　　麦克斯韦方程究其根本来说是凌驾于牛顿力学之上的，而当时的人们宁愿相信它是牛顿力学最杰出的产物，甚至它的创始者麦克斯韦本人也坚持这样认为。当然，人们很快发现麦克斯韦方程相当古怪，它并不满足被牛顿视为根基所在的伽利略变换（惯性系之间的坐标变换）。这其实已经给牛顿力学亮了红灯，但生性乐观的人们宁愿给出另一种解释，麦克斯韦方程只在牛顿指出的绝对静止的参考系中成立。这种解释立时引发了人们对牛顿力学的最后也是最高潮的狂热，寻找以太！
　　正如本文开头伽利略所指出的，绝对静止的参考系和匀速运动的参考系是任何力学实验也无法区分的，然而以麦克斯韦方程为根基的电磁场可以敏锐地判断到底那个参考系是绝对静止的。当时人们类比声波，认为全空间充满了一种电磁波赖以传播的介质---以太。虽然以太本身的力学性质被赋予得诡异无比，但兴奋得发了昏的人们已经顾不上那些细枝末节了，因为寻找地球本身相对以太的速度，也就是相对数百年前牛顿指出的绝对静止空间速度的实验已经开始了。

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（二）
　　　　 这个实验就是1887年开始的著名的迈克尔孙－莫雷实验，当时人们已经能够利用光学上光程差引起的干涉条纹的移动来进行极其精细的测量。地球相对太阳的公转速度大约是30公里/秒，那么不管太阳相对以太的速度多少，一年之中地球相对以太的速度总有超过30公里/秒的时候，而这个速度完全可以被迈克尔孙－莫雷干涉仪所探知。这在当时被认为是人类物理学的最后一件盛事，几乎所有的物理学家都备足了香槟酒指望得知结果后大大地狂欢一把。然而实验的结果让所有人都寒心不已，无论怎样地调整角度，改变光的波长，在高山上测量，在矿井里测量，在不同的大陆测量，在不同的季节测量，干涉仪显示的结果始终是零。难道真的是上帝眷顾，我们可爱的地球恰好就是绝对静止的空间所在？早就经历了日心说，地心说之争的物理学家们是根本不会相信茫茫宇宙中平凡的地球会如此幸运的。那问题究竟出在哪里？很多人已经想到到迈克尔孙－莫雷实验零结果意味着地面发出的光速始终是恒定的，它并不以地球的运动而带来很小的偏离。当时所有人的头脑里伽利略的速度叠加律是根深蒂固的，在一辆以速度v向前行驶的火车上朝前方打开电筒，光波的传播速度应该是C+v （C是光速,约为30万公里 /秒）。但既然地球明显相对着以太（绝对静止空间）在运动，为何光速始终不受影响？没有合理的解释，人们只能又在可怜的以太身上编织更加匪夷所思的特性来扯圆自己的说法。1892年物理学家洛仑兹和菲兹杰若提出了任何相对以太运动的物体都会有一定程度的长度收缩，这个收缩刚好弥补了干涉仪上的条纹移动。这等牵强的解释不得不让人想起了笑话中那位只有本事锯掉箭杆的“外科”医生。在一眼望不到边的苦闷和绝望中头一个警醒地认识到以太本身可能存在问题的还是庞伽莱，他在1900年就这样写道，“我们的以太真的存在吗？我相信，再精确的测量也不能揭示任何比相对位移更多的东西。” 当然真正解开这个死结的是人类的骄子，牛顿以后最伟大的物理学家爱因斯坦。他在1905年那篇著名的论文《论运动物体的电动力学》中明确指出“引入以太根本就是多余的，因为我在这里提出观念将不需要具有特殊性质的绝对静止的空间。” 年青的爱因斯坦宣告了把时空更紧密地联系在一起的狭义相对论的诞生。他的理论中彻底放弃了牛顿的那个绝对静止的空间，取而代之的是光速不变原理（光在任何参考系的速度都是恒定的）和相对性原理。洛仑兹费劲心机弄出来的那个长度收缩成了相对论的一个显见的结论。
　　　爱因斯坦不仅是人类中极其罕见的敢于突破常规，不被表面现象迷惑的天才，而且他是以美学的观点思考物理学并取得极大成功的第一人。在爱因斯坦万物平权这个朴素的美学观点中，牛顿那个相比其他惯性系都显得无比优越特殊的绝对静止空间就显得格外得刺眼了。同时警惕无比的爱因斯坦也注意到前文中提到的非惯性系相比惯性系也未免有了太多的特殊性，就此他萌生了广义相对论的想法。广义相对论的基本原理在于著名的等效原理，爱因斯坦指出，在一个相当小的时空范围，不可能通过实验来区分引力和惯性力的。如在一个密封舱内，观察者发现一个物体以重力加速度g自由下落，他根本无法判断是到底是由于地球的吸引导致物体下落还是在根本无引力的空间密封舱本身以加速度g向上运动引起的。得出的推论便是，我们这个空间，凡是有引力的地方都不是真正的惯性系，倒是在引力场中自由下落的局部空间，由于引力和惯性力两者相消，才可被称作局部惯性系。
　　　牛顿关于绝对空间和绝对时间，惯性系和非惯性系的定义到此算是被改得面目全非。当然牛顿的那套时空观更符合人们惯有的思路，爱因斯坦的相对论就对理解能力多少要有些挑战了，人类的思维总是由简单到复杂，这是不可避免的趋势。

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（三）
　　从牛顿力学的危机到相对论的诞生，这一段崎岖坎坷的历史为后来兴起的科学哲学做了极好的注释。一个科学理论的建立第一要解释当时实验条件下的种种现象，第二当然理论本身要自洽，不能有自相矛盾的地方，这两点牛顿力学完美的做到了。随着时间的推移，人们的认知手段不断完善，会陆续发现一些理论解释不了的地方，此时人们的第一反应并不是立刻发展新理论取而代之，而是在旧理论中加入一些假设的前提，比如此例中人们赋予以太的一些光怪陆离的性质。后来发现不能解释的地方越来越多，人们的前提也越来越多，慢慢地有的附加前提实在太过牵强（如洛仑兹的那个奇怪的长度收缩），有的则和其它的前提相互冲突，这时候新理论的出现就迫在眉睫了，一如相对论的诞生。更需要指明的是科学的承继性是很强的，相对论并不是彻底推翻了牛顿力学，而是扩展了它。牛顿力学只是相对论在低速情况下的近似。这一点很多业余物理学家都没有意识到，所以每次看到他们厚厚的论文中那些宣称推翻相对论的醒目字眼，我就不由得感到一阵阵悲哀，他们很多人几年，十几年，甚至一辈子的辛苦努力其实都是白费了。
　　我倒是真诚地建议业余物理学家们不妨考虑一下在时间和空间的概念适用限度以下的东西。具体说在普郎克时间(5.4×10^(-44)秒，普郎克长度（1.6×10^(-35)米）以下，时间和空间彻底失去了意义，不能区分过去，现在和未来，也无法分辩上下，前后和左右，因果关系也不复存在。在这段范围里，你们的各种理论没有相对论的束缚，大可各展所长，例如可以说我们的四维时空只是N维空间的压缩（N=5,6,7...任意)等等，只要最后记住延伸到正常时空时，理论要回到相对论即可。关键行文中要郑重声明相对论只是你的理论在某某情况下的近似，这样的论文虽然由于作者数学功力有所不逮仍不免是一塌糊涂，但我保证即使再挑剔的专家也不敢只看一眼就断然拒绝了。
　　

爱因斯坦的光子箱
　　这是一个彻头彻尾的思想实验，也是最富戏剧性的实验。这个实验肇始于爱因斯坦和玻尔等人的那场关于量子力学基本原理的世纪辩论。那是一场火星碰地球的智慧大碰撞，爱因斯坦和玻尔二人宛如多年以前在川中岛合战中守望相持的上杉谦信和武田信玄：) 玻尔等人认为量子力学的一个根本原理是测不准原理，就是在微观情况下无法同时测准粒子的位置和动量，时间和能量。譬如在显微镜下“看"一个电子，当你要精确厘定电子的位置，根据光学原理则必须要用更高频率的光去照射，而光波频率越高，能量也就越大，电子本身也会被光波的能量冲撞的摇摆不定，从而动量的不确定性也就越大了。
　　　　
　　1930年在第六届索尔维（Solvay）会议上爱因斯坦则是针锋相对地用他的光子箱向玻尔发难。光子箱的结构很简单，一个匣子挂在弹簧称上，一个相机快门一样的装置控制匣子内光子的射出。每次射出光子的时间由快门控制，弹簧称上可以读出整个盒子因光子出射而减少的质量，根据大名鼎鼎的爱因斯坦质能关系E=CM**2得出光子的能量，这样原则上时间和能量不存在不能同时确定的问题。据说玻尔看到这个装置登时口吐白沫，经过紧急抢救时的输氧加上彻夜的苦思之后，玻尔终于搬来了救星，呵呵，那竟然是爱因斯坦本人的广义相对论。发射出光子后，光子箱的质量减少纵然可以精确测出，然而弹簧秤收缩，引力势能减小，根据广义相对论的引力理论，箱子中的时钟会走慢，归根到底时间又是不确定了。这次轮到爱因斯坦吐血三天了，他费劲心思找来的实验居然成了量子力学测不准关系的绝妙证明，还被玻尔等人堂而皇之的载入他们的论文之中。整个事件曲折离奇，好莱坞的编剧只怕也相形见绌，不过我一直在想的问题是,如果爱因斯坦本人晚几年发表他的广义相对论,一切又会如呢。。。。。。

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物理学与物理学家们(6)——E=MC^2
题记：
　　　　 如果这也算一场物理学实验的话，它则是最大程度上影响了二十世纪全人类命运的实验。
　　　　
　　　　(一)
　　　　 二战结束后不久就有人用战争中死亡的人数除以希特勒那本臭名昭著的《我的奋斗》一书中的字数，便得出每个字的背后就藏着若干条人命的结论。其实真正要说杀人，古往今来也从来没有杀得过这个简单的E=MC^(2)的。
　　　　 爱因斯坦(A.Einstein)在构造出狭义相对论不久，就从中推导出了这个古里古怪的公式。当然从哲学上论起，人类也是第一次认识到质量居然和能量有如此密不可分的关系，质量再轻的物体蕴含的能量也是极度惊人的。
　　　　 很快即使是小学生也拿这个这个著名的公式计算诸如一颗米粒到底含有多少能量，这些能量又足以让全国的灯光亮上多少时间之类的问题。饶舌的记者们采访爱因斯坦时问得最多的也是这个公式，爱因斯坦微笑着反复解释，这个能量只是纯粹是数学推理的结果，有很大的哲学意义，但是丝毫没有实用的价值，大家尽可以把它当个数字游戏来玩。记者们耸耸肩，和爱因斯坦一起轻松地笑着。
　　　　此时是公元1905年，无论小学生，记者，还是伟大的爱因斯坦，他们都没有意识到他们已经一起开始在玩人类历史上最危险的一个游戏。
　　　　
　　　　（二）
　　　　 哈恩(O. Hahn)现在的人们大概是不熟悉了，但这个名字注定是要载入史册的，因为他是人类历史上第一个跨进核门坎的人。如果非要类比的话，不妨想像一下盗取天火的普洛米休斯。
　　　　 哈恩是一个典型的严谨，执着，聪敏的德国科学家，早年学化学出身。在那段物理学的黄金岁月里，继1895年著名的伦琴射线(X光)被发现之后，居里夫人又陆续提炼出了钋，镭等放射性元素震动了全世界。当时核物理在整个物理学中一枝独秀，居里夫人本人也获得了1903年的诺贝尔物理奖和1911年诺贝尔化学奖双份荣誉（好厉害的MM：P）。哈恩的研究兴趣也开始转向了放射化学这方面来，不过他自己还没有来得及开始，轰轰烈烈的一次世界大战倒先开始了。
　　　　 即使是从小就深受科学熏陶，凡事都要问个为什么的哈恩，当看到“一切为了德意志母亲”当时这个当时激动了每一个德国人的标语，一股爱国主义激情也不由得油然而生（好个油然而生?！）。他毫不犹豫地穿上军装到了西线，作为深受参谋部欣赏的化学博士，亲自在战场上监督毒气弹的发射。每当对方阵地上一阵黄雾飘过，他就在望远镜里看到英法士兵痛苦地扔下步枪捂着眼睛在战壕里辗转翻滚。己方兴奋已极的士兵一面抓住他的手脚把他高高抛到空中一面齐声喊起了“德意志万岁”的口号。他也和士兵们一起真诚得兴奋过，然而在睡梦中这等惨状一次又一次深深刺痛了他。到底是什么使自己痛苦不堪，他苦苦思索后想到，也许是良心吧。
　　　　 战后他发誓不再让自己的双手沾上血腥，埋头核物理的研究中。在此其间，哈恩和奥地利女物理学家梅特涅一起合作了很多研究放射性的实验。在1938年冬天一个寒冷的下午，他在实验室里用慢中子轰击铀核时发现异乎寻常的状况，铀核像被子弹击中的玻璃那样裂成碎片。等他耐心地“捡”起了所有碎片之后再称重，发现竟然比没有打碎前的铀核轻了少许，一瞬之间爱因斯坦的公式E=MC^(2)流星般地在脑中划过。联想到实验中莫名其妙地释放出来的巨大能量，难道这个就是传说中的核裂变？
　　　　 他简直不敢相信自己的眼睛，马上把实验步骤和数据寄给了当时远在瑞典避难的合作者梅特涅查实。不知道后来希特勒是不是因为没留下这位在核物理上极其了得的犹太女人而后悔，哈恩反正是从来不理会纳粹党的警告的，一直保持着和她的联系。梅特涅很快回复，恭喜他观察到了人类历史上第一次导致质量亏损的核裂变，并认定参与裂变的铀核就是铀的同位素 U235。（梅特涅身为犹太MM物理学家，连犯希特勒两大忌讳，想在德国混下去也难。）
　　　　 得知结果的哈恩极度兴奋之余，不免也暗暗心惊，当时战争的乌云已经又一次笼罩在欧洲上空。他实在无法想象自己的发现会被人们用来干什么……

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（三）
　　　　 无论从那个角度上讲，意大利人费米（E. Fermi）都是物理学中不世出的奇才，而且很有可能是最后一个在实验物理和理论物理上都有过极大贡献的人。这种真正全才性的人物在他之前好像也只有伟大的牛顿。
　　　　 核裂变发现不久后，人们就搞清楚了链式反应的机制，每当一个铀核被中子敲碎，它会自动释放出几个中子去击打其它铀核，核反应就像垮倒的多米诺骨牌一样滚滚前行，再也控制不了它的脚步，当然伴随反应的以E=MC^(2)为计算公式的骇人听闻的能量释放。
　　　　 当然要实现链式反应的第一步就是要有大量的慢中子。中子源人们早就有了，不过中子减速一直是个超大难题。这个难题终于被费米在一次核物理实验中意外的解决。
　　　　 当时在罗马大学的费米买到了一些放射性元素氡，马上高兴得像孩子一样用这门出了名的“中子炮”来轰击各种物质，短时间内就发现了不少新的放射性元素。一天为了研究银板被中子轰击后的放射性，他在银板背后放了个计数器来探测银板的放射性强度。这个实验本来很普通，他顺利做完了以后突发奇想，在银板和中子源之间插了块铅版，计数器上显示的银板的放射性反而增加了一些。费米微微一笑，这个是他意料中的，中子源里发出的快速中子被铅板一挡速度不免减慢，而正如前文所述慢中子撞击引起的放射性比快中子强得多的多，最后自然导致计数器上的数字增加。费米向来是个童心很重的人，玩了一下铅板，又把手头上所有能找到的东西都插在中子源和银板之间试了一下，例如铁片，铝片，铜片等等。当他偶然把石蜡板插在二者之间的时候，计数器突然疯了一样大声尖叫起来，他一看数据更是惊得目瞪口呆，计数器上显示的放射性比原来强了十倍不止。
　　　　 整栋物理大楼的人都给这刺耳的啸声吸引到费米的实验室来，大家捂着耳朵讨论着这个不可思议的现象。费米一时陷入了深思，到底中子碰到了石蜡中的什么东西竟然减速的如此厉害。突然间他想到一定是石蜡中的氢，也就是质子！他猛地拍了拍自己的脑袋，想起早年在中学物理课上计算两个小球非弹性碰撞时就已经得出了的当两个小球质量相等时碰撞损失的能量最大的结论，损失能量最大不正意味着最大限度地被减速吗，要不是碰到和自己质量差不多的质子，中子哪里能减速的那么快！要说世界上氢最多的地方，那不就是最常见的水吗，当然如果是中子更丰富的重水(氘核，由一个质子一个中子组成)那就更理想不过了。（两个小球相撞后粘在一起的习题相信每一位上过高中的朋友都做过，想到利用两个质量相等的小球碰撞能损最大的原理来给中子减速也不复杂，其实有时候物理学就真的这么简单，但关键要想的到。）
　　　　 找到了减速中子的关键所在，费米高兴地几乎要蹦起来，摩拳擦掌准备大干一场。他让所有其他物理学家（包括玻尔，爱因斯坦等人）在内最羡慕的倒不是他极其深厚的理论素养和对数字天赋的敏感，甚至也不是他独步天下的实验技能，而是他把实验室里的东西马上工业化的超强能力。当年在哥本哈根的时候，连玻尔，海森堡这些大师级人物都敬服地称他为“量子工程师”。
　　　　 费米兴奋地开始规划在自己祖国的心脏罗马建成人类历史上第一个反应堆。他彻夜不眠地设计整个反应堆的工艺流程，认真考虑着可能遇到的每个技术性难题。大到整个工地的施工图，小到某个零件的设计图，他都亲自参与。不过这个时候莫意大利的法西斯头子墨索里尼开始收紧了套在知识分子脖子上的绞索，彻底寒了心的费米逃到大西洋彼岸的美国。
　　　　 从某种意义上说，轻易放走费米是墨索里尼生平犯的最严重的一个错误，甚至比他在1940年冒然向英法宣战错得更远。
　　　　
　　　　
　　　　（四）
　　　　 1941年的一天，大物理学家玻尔（N. Bohr）在被法西斯德国占领已久的丹麦首都哥本哈根的家中静静地看书，仆人走过来说有个德国军人想见他。一向温文尔雅的玻尔也不禁急得跳起来喊道，“不是和你说了吗，我不见任何德国人，更不用说德国军人。”谁知那个穿着军装的德国人已经径直走到了玻尔的面前，玻尔放下眼镜歪着头看了半天，惊讶得几乎合不上嘴巴，因为来人正是大物理学家海森堡 ( W. Heisenberg)。
　　　　 二人在此种尴尬的情况下会面，不由得四目相对，千言万语一时也不知从何说起。纳粹占领哥本哈根之后，好端端的玻尔理论物理研究所就此精英四散，心直口快的泡利(W. Pauli)避祸远走奥地利，海森堡也回去报效祖国了，犹太籍的物理学家精明点的早就打点行装逃往英美，迟钝点的现在都在集中营。即使巨人爱因斯坦也早就离开了他的祖国，在那里人们不仅烧光了他写的相对论书籍，还有人出十万马克买他的人头。玻尔想想当年和海森堡他们一起共创量子力学那段美好的时光，当真恍若隔世。这些人间最智慧的一群精英，每个人都可以毫不费力地精确预测电子运行的轨道，却没有一个人能够计算出自己的人生。
　　　　 此时的海森堡已经因为他纯正的日尔曼血统和在物理学上的无上威望被希特勒任命为第三帝国铀计划的总负责人。玻尔也清楚不能再向以前那样畅所欲言了。慢慢地从海森堡的只言片语中玻尔终于了解到他正担负着一项绝密的计划，大概就是制造一种利用核裂变的巨大能量的炸弹。海森堡本人其实也正陷入了一场前所未有的痛苦之中，为了祖国他是一定要把原子弹造出来的，为了全人类就一定不能造出来。他这次来访是想邀请玻尔加入他们的核计划，但也可以理解有意把这个计划泄漏给玻尔。
　　　　 海森堡走后，玻尔越想越是心惊：纳粹德国工业基础雄厚，资金充裕，海森堡，哈恩等人都是物理上一等一的人才，他们要是搞出这种威力奇大的原子武器实非难事，那人类只怕就真的要万劫不复了。想到这里他又不免自我安慰，海森堡未必一定会尽全力吧，但转念再想，以自己和海森堡相交数十年之久，他的脾气再清楚不过了，那是个标准的不达目的决不罢休的德国人阿，何况这次有可能事关全德的存亡。
　　　　 玻尔早就有离开丹麦的打算，此时更是打定了非走不可的主意。在英国间谍的帮忙下，他被人像货物一样塞入一架运输机中。起飞前粗心的飞行员竟然忘记发给他氧气面罩，饶是这个前丹麦国家足球队守门员身体粗壮得非常人可比，下了飞机后仍不免去了性命半条。
　　　　 爱因斯坦很快收到了玻尔通报的这一情况。他早就意识到了当年的那个E=MC^(2)闯下了何等大祸。早在1939年他就向美国总统罗斯福发出那封历史上著名的建议信，提醒他德国人可能正在研制一种威力之大亘古未见的武器，它的能量就像太阳一样浩瀚无穷，可以毫不费力地摧毁地球上每一个城市。罗斯福看到信之后微微犹豫了一下，身边的秘书及时点醒当年不可一世的拿破仑就是因为没有采用蒸汽船的提案到底也没能渡过英吉利海峡。
　　　　 总统点点头在文件上签上了自己的名字，耗资达20亿美元之巨的曼哈顿工程滚滚启动。

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（五）
　　　　 随着守门员的一声哨响，这场史无前例的A-B杯(A Bomb)足球赛决赛就此拉开序幕。实力超群的德国队一边有威名赫赫的老队长海森堡（量子力学创始人之一，1932诺贝尔物理奖获得者），率先向核时代攻入第一球的放射化学之王超级前锋哈恩 （1944年诺贝尔化学奖得主）， 钢铁后腰盖革（H.Geiger，粒子探测器之父，费米那个中子减速实验里呜呜叫的就是著名的盖革计数器），中场核心博克(W. Bothe, 中子的发现者之一，1954年诺贝尔 物理奖得主)，老而弥坚的金牌守门员劳厄 ( M. Laue, 发现晶体中的X射线衍射现象，后世生物学的极大发展首功应该算他, 1914年诺贝尔物理奖得主)，他们的教练是现代物理学中的教父级人物普郎克(M.Plank, 1918年诺贝尔物理奖得主)。
　　　　 （插一句，德国人当真了得，即使按照希特勒那么严格的血统标准清洗掉一半左右的德籍犹太科学家甚至如爱因斯坦，剩下的所谓“纯种”日尔曼科学家也足可以对抗全世界，何况还跑了一个标准的日尔曼人大科学家玻尔。二十世纪没有了日尔曼人和犹太人的物理学简直不可想象。纳粹德国敢以一国之力对抗全世界绝非偶然。）
　　　　 阵容豪华的美国队有新人秀的第一名队长奥本海默(R. Oppenheimer，著名的原子弹之父)，跑在左边的是梦幻边锋劳伦斯 (E.O. Lawrence, 回旋加速器的发明人，1939年诺贝尔物理奖得主)，现在控制球的是新进前锋西伯格 (G.T.Seaberg, 有钚之父之称，对第一颗原子弹的研制成功居功至伟，1951年诺贝尔化学奖得主)，刚转会的那是著名的中场发动机量子工程师费米 （首创历史上第一个反应堆，1938年荣获诺贝尔物理学奖），那个摇摇晃晃心不在焉的是右路主攻手贝特（H.Bethe ，理论部的负责人，1967年诺贝尔物理奖得主），身穿绿色球衣积极跑动的是扎实的后卫冯&#8226;诺伊曼 （ J. von Neumann，大数学家，计算机的发明人，原子弹研制计算工作的负责人），那个无所事事的在球架上演算数学题的正是豪华版守门员玻尔 （量子力学的主创者，1922年诺贝尔物理奖得主）。替补队员中有前途无量的小伙子费曼（R. Feynman ，1965年诺贝尔物理奖得主）。再来看一下观众席，观众气氛十分热烈，天哪，坐在那里替美国队摇旗呐喊的不就是爱因斯坦吗（＃％×！）
　　　　
　　　　 被称作原子弹之父的奥本海默这等人物的成长和成功标志着美国已经开始取代德国成为全球物理学的研究中心。奥本海默自小就以神童自负，学识渊博，兴趣广泛，尤好各国文学，有过目不忘的本领，于物理学更是天赋惊人，几乎是一点就会，一会就通，更难得的是他风度翩翩，有一种领袖群伦的气质，能协调好各种关系，规划各方面进度，这一点在后来被称为人类第一系统工程的曼哈顿计划中显得尤其重要。开始时即使奥本海默本人仍对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100多名工程技术人员就足够了。但到1945年时，他愕然发现麾下竟然有了1000多名科学家，自己担任主任的洛斯阿拉莫斯实验室更是有“诺贝尔奖获得者的集中营”之称。 （这些人中有一些中国人，其中包括著名的实验物理学家吴健雄MM。当时人们打仗打昏了头，什么都换算成军事单位，邱吉尔一直抱怨斯大林什么都听不懂，只听得懂对方有多少个师，美国人也习惯把钱学森当成五个陆军师来算，那这一千多科学家抵多少个师，嗯，掰着指头好好算一下。。。。。。）
　　　　 1942年11月，在美国芝加哥大学的地下实验室里，费米的夙愿总算达成，人类第一个原子反应堆成功运转。看着抽插自如的铀棒灵活地控制着整个链式反应的进程，费米微笑了，他跑遍整个芝加哥城才买到战时的奢侈品——一瓶香槟。在开香槟前，心情激荡的每个人都在香槟酒的标签上写下自己的名字，当然也包括费米本人。
　　　　 原子弹原理上早就很明了，中子减速剂也已经找到，似乎唯一的问题就是提纯铀235了。这个着实让人头疼，因为天然铀中每一千个铀原子当中只有七个是铀２３５，其余的都是铀２３８。铀238吸收中子的能力大大强过兄弟铀235。原子弹中的铀只要稍微掺杂一点铀238，就休想爆炸。提纯铀235的技术相当复杂，主要是利用二者质量不同采用离心分离，具体细节也是二战结束后通过好多年的技术积累才完善。
　　　　 但很快美国人很快就不必因此而烦恼了，西伯格找到了替代品钚。1942年8月，大批量的钚在费米的那个实验室第一次被分离出来。人类历史上第一颗原子弹就是钚弹。
　　　　 形势是相当喜人，曼哈顿工程总负责人奥本海默在辛苦工作之余，有时也会开车到附近的高岗上，望着新墨西哥州一望无际的沙漠，一边品着啤酒，一边想着另外一个半球的竞争者们不知道干得怎么样了。
　　　　
　　　　 德国的铀计划起点很高。在那里人类第一次在实验室里分离出纯铀235，也第一次观察到核裂变，即使从铀矿石储量来说德国也相当丰富，何况他们还控制了几乎整个欧陆的工业。平心而论，即使纳粹党最疯狂的时候，希特勒等纳粹党魁对科学家还是相当尊重的(犹太人当然除外)。因此海森堡对率先研制出原子弹颇具信心。
　　　　 自从费米发现中子减速的机制以后，摆在人们面前的减速剂有石墨和重水两种。德国著名核物理学家布雷格教授根据自己的推算认识到石墨实在是一种最佳的减速剂，当真英雄所见略同，此时的费米正从美国杜邦公司一口气买了十吨上等石墨。布雷格马上要求位于拉齐步日的一家军工厂制造出一批特殊规格高纯度的石墨片，谁知道被该厂的总工艺师施密特狠狠摆了一道。施密特估计这些奇怪的石墨片有军事用途，于是在其中掺杂。布雷格拿到这些石墨片后实验当然是屡试屡败，越来越怀疑自己的计算出了问题，于是彻底放弃了石墨，转而指望重水。重水当然也是不错，但整个欧洲只有远在挪威的一家重水工厂。英国的特工忒也了得，一次引爆就把几吨重水白白地流到了地下，海森堡听到这个消息，气得说不出话来。此时费米的反应堆已经在成功运转了。
　　　　 再后来盟军的飞机加强了对德空袭。一次空袭警报之后，海森堡掸掸头上的尘土，走出防空洞，却发现自己的秘密实验室已经炸的连它妈妈都不认得了，他长长叹了口气，知道第三帝国的铀计划到此彻底破产。（从此刻开始，战争时摧毁敌方的核设施成了第一要务，二十年前以色列空军奇兵突出炸毁了伊拉克的核反应堆，此刻仍生死不明的萨达姆当时几乎气得倒仰。嗯，联网打红警时偶们也是这么干的！！！）
　　　　 在战争后期，海森堡一帮人倒也逍遥，他们躲到乡下一个偏僻的地方，似乎已经被全世界遗忘。连粮食都成了问题，海森堡只好亲自出去挖土豆，在田里有时候抬头望望蔚蓝的天空他也在想，盟军的飞机会不会突然丢下这种超级炸弹，如果这样又会有多少同胞死于非难？不管怎样，他也只能安慰自己，多少也算是尽力而为了。
　　　　 晚餐后哈恩，博克等人点起蜡烛在海森堡悠扬的钢琴声中开始讨论一些理论上的问题。随着战线逐渐延伸到德国境内，他们也听到了隆隆的炮声。海森堡想起了家里的娇妻爱子，一刻也不能等了，冒着炮火骑着自行车回到家里，刚抱起最小的那个儿子还没来得及亲吻，美军的吉普车就开到了房门口。
　　　　 美军士兵冲进来的时候，哈恩还在和人在黑板上写写画画，争个不休，对此情形他先是一愣，然后用英语和美国大兵说道，“请少等一下，ok?我们的问题很快就讨论完了。”当夜这些人被临时关在附近一家农户的马厩里，一间隐隐散发着粪臭的马厩竟然一口气圈起来七个诺贝尔奖获得者，也算是千古奇观。
　　　　 即使在战俘营里，这些生性高傲的德国人还是不服气，在他们眼里，实力强劲如他们都造不出原子弹固然是天意使然，那帮美国佬们估计也没戏。在一九四五年八月的一天，他们和往常一样安静地吃着早餐，突然听到广播里报道，美国人在日本广岛投下了一颗被称作原子弹的超级炸弹，广岛全城尽毁，他们一齐放下刀叉，面面相觑，谁也说不出话来。
　　　　

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（六）
　　　　 把时钟再往前拨一下，在公元１９４５年７月１６日５时许，在新墨西哥州一个荒僻的沙漠里，奥本海默，费米，西伯格，贝特，费曼一干人等在微风中一齐望着远处那个尖塔顶端名叫胖子的怪东西出神。
　　　　 每个人都是激动的难以自抑，其实激动倒是在其次，更多只怕是紧张。在打碎魔瓶之前，谁也不知道会钻出怎样的一个怪物。但是有一点大家均无异议，今天五点三十分之前的人类和五点三十分之后的人类永远不会一样了。
　　　　 一向持重的奥本海默对这个爆炸比较悲观，认为不一定成功，军方代表，总统特别顾问基斯塔科夫斯基大大不以为然，他始终充满了信心，两人就此打了十美元的赌。费米则和人打了另一个赌：理论部的贝特估算此次的爆炸当量大约两万吨TNT，很多人根本不信会那么大，费米通过自己的计算支持贝特的结果，并和他们打赌，在第一时间让他们得知爆炸的当量。坐在吉普车里的费曼打得赌更奇怪，他和身旁的人赌自己敢不用防护镜直接肉眼观看人类第一次核爆，旁人当然不信，费曼通过计算认定自己是在危险范围以外的。
　　　　 五点三十分正，人类第一颗原子弹“胖子“点火成功，首先是一道闪电掠过人们的眼睛，还没等人反应过来，就出现了一个巨大的火球，一边缓缓上升，一边变换着自身的颜色，金色，金黄，深蓝，再到紫色，整片沙漠被照得通亮无比，然后火球变成了著名的蘑菇云，一直冲到三千多米高的空中，引起的气流甚至搅动了高达一万多米的同温层。
　　　　 人们刚回过神，惊天动地的地震波就迎面扑来，这股震波不知掀碎新墨西哥州多少人家的玻璃，甚至远在澳大利亚的一家研究所里的地震记录仪也忠实地记录了这次核爆。性情粗暴的基斯塔科夫斯基也顾不上震波，一下子从两米高的观测台上跳下来，朝奥本海默胸口就是一掌，急着向他讨要十美元。奥本海默早就被眼前的奇观惊得呆住，只是用梵语反复念着古印度名诗<罗摩衍那>中的一段“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”不怕地震波的倒也不止基斯塔科夫斯基一个，费米从壕沟中一跃而起，把早就握在手中的碎纸片向空中撒去。望着被风刮得四面散开的纸屑，费米微一沉吟，就欢喜地喊叫道，“我赢了，这次爆炸的当量在一万八千吨和两万吨之间！”后来仪器测量的结果证实了费米的估算。至于坚持要用肉眼的费曼，最后还是摘下了黑色护目镜，躲在吉普车玻璃的后面，成了用肉眼观察核爆的第一人。旁人忙紧张地问他到底怎么样，费曼慢条斯理的回答道，这种千载难逢的奇观不用肉眼看看，那才后悔终身那。
　　　　 人类的一个新时代，原子时代，终于到来了。

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“牛顿不说话，他只是高深莫测地笑着。”

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物理学与物理学家们(7)——卢瑟福ALPHA粒子散射实验暨量子力学发展史
  
　　　　 你可以从一根连续的线上，随便剪下任意的一段长度。你也可以从一杯水中喝掉任意任意少的水。而物理学家们总喜欢把物体或者运动分成无穷小段来考虑，这已经成为惯例。反正拉丁语中有一句经典名言：自然不突变（Natura non facit saltus)。
　　　　 而普朗克大声地告诉我们，不是这个样子的。不可能存在一点五或二点五个量子之类的说法。能量的最小份额就是一个量子所携带的能量，普朗克给出的公式是 。ν是电磁波的频率，而h则按照惯例命名为普朗克常数。这个原本拼凑出来的常数竟成了物理上最著名的三个常数之一，另外的一个是牛顿万有引力常数G，光在真空中传播的速度c。黑体辐射的任何能量都是它的整数倍。
　　　　
　　　　 纵使普朗克在学界威望了得，大部分人也没有在意他的假说。但是有个年青人却深刻地认识到它的重要性。
　　　　 他就是爱因斯坦。
　　　　 造化弄人。爱因斯坦自己也没想到亲自接生的量子力学若干年后竟成他发誓也要扼死的对象，要不是玻尔一帮人的精心呵护，量子力学的命运还不知会怎么样呢。
　　　　 爱因斯坦的光量子理论是解释光是如何射到金属表面打出电子的。这在物理学上称为光电效应。19世纪物理学最成功的理论之一是推翻了牛顿的光粒子学说，确立了光的波动学说，而迈克斯韦方程则将光牢牢钉到电磁波中去，无数的实验证明了这一结论。
　　　　 但是光电效应和看来确凿无疑的波动理论格格不入。简单点说，光更象一个个粒子钻入原子，并将电子硬碰出来，就象小孩子们常玩的弹子一样。而每一个粒子，按爱因斯坦的说法，就是普朗克提出的量子，能量不可再分的那一种。
　　　　 几乎每个物理学家对这个解说都在大摇其头。关于光是粒子还是波的说法人们已经争了几百年，好不容易将光验明正身收了场。不料，爱因斯坦却将旧案翻了过来。
　　　　 还是让事实来讲话吧。
　　　　 检查的方法很明确，你不是赞成光是粒子么。那么所有的粒子都具有动量（质量与速度的乘积），那你找到光存在动量的证据不就完了。
　　　　 重任落在美国物理学家康普顿身上。
　　　　 康普顿是个研究射线的专家。他既喜欢拉提琴，也喜欢打网球，而且由于出了名的力气大，不仅经常拉断琴弦，而且打出网球的速度简直比得上他研究的宇宙射线。当然他最喜欢的还是跑便全球测量各地宇宙射线的强度。
　　　　 一次，他带上设备远赴墨西哥。在站台上，人们看到一个轻松的美国绅士手拄文明棍，后面跟着一大队被仪器压弯了腰的墨西哥小伙，警察检查行李的时候，认定他那宝贝仪器是用来造炸弹用的。可怜的康普顿即使衣冠楚楚，也不得不在龌龊的拘留室中留了一宿。
　　　　 康普顿将X射线入射到石墨晶体上，并在其背面测得散射的X射线的波长有位移。这称为康普顿效应。
　　　　 用康普顿自己在的论文《X射线在轻元素上散射的量子理论》作出的结语来说："对这个理论的实验证明，非常令人信服地证明，辐射光子既带有能量，有带有定向的动量。"
　　　　 看来原有的观念需要再次更新，人们不得不尴尬地接受光既是粒子，也是波的看法。
　　　　 不要感到不习惯，这里蕴藏着一个更本质的思想，直接促使了量子力学的诞生，可是纵使天才如爱因斯坦当时也没有深想下去。

1911年的第一界索尔维会议的气氛是沉闷的。
　　　　 索尔维本人是个比利时的化学工业家，曾因获得氨碱法制碱的专利而发了大财。这位科学致富的知识分子对物理学，尤其是理论物理学情有独钟，虽然自己在这方面无甚造诣，却可以请到世界上第一流的理论物理学家来到布鲁塞尔召开国际性物理会议。
　　　　 这次会议聚集了二十三位欧洲一等一的物理学人才。他们面无表情地听完了普朗克和爱因斯坦的报告。即使在距提出普朗克常数11年之久，普朗克仍小心翼翼地用上假设的字眼儿。而爱因斯坦的狭义相对论在那时也不过被认为是毛头小伙变的魔术而已。
　　　　 两个宇宙常数，h和c都在那时提出，它们一个代表宏观，一个代表微观，但都没得到一致的确认。光速c是相对论中必不可少的基础，而没有普朗克常数，后来的量子力学无从谈起。
　　　　 最后，会议的发起者，老态龙钟的洛仑兹站起来发言，老人的声音有些含混：
　　　　 "非常有可能，在我们这些人在这里讨论这些复杂混乱的问题时，在地球上某个僻静的角落，某一个思想家已经解决了它。"
　　　　 所有在座的人都沉默不语。
　　　　
　　　　 没有人料到路该怎么走下去，因为此时--
　　　　 26岁的尼尔斯.玻尔还在卡文迪许实验室的卢瑟福手下当助手，每天揉着红红的眼睛苦无收获。
　　　　 11岁的维也纳中学生泡利深更半夜一个人跑到野外观察星象。
　　　　 10岁的海森堡已经可以流畅地奏出巴赫的狂想曲。
　　　　 9岁的狄拉克经常沉默地缩在教室一角。
　　　　 3岁的朗道已显现顽强执拗的天性。