身为剑桥大学彼得学院的一位年轻讲师，赫伯特·巴特菲尔德（Herbert Butterfield）在年仅26岁时便出版了《历史的辉格解释》，成就了自己的美名。[1110]虽然备受争议，虽然他本人并不真正关心进化论，但他的观点事关“进步的朋友和敌人”，因此仍然是对新近涌现的社会共识的一次有用矫正。巴特菲尔德推翻了目的论历史观（认为历史发展是一条贯穿过去与现在的直线）。对巴特菲尔德来说，“进步”的观念很可疑，同样可疑的还有如下概念，即在任何冲突中总是好人获胜坏人失败。他所使用的具体例子是文艺复兴引发宗教改革，并接着产生了当代世界。普遍的看法（即他所谓的辉格观点）认为，从开始的天主教文艺复兴到宗教改革再到现代世界，这条直线式的发展一帆风顺，它在很大程度上归功于路德促进人类更大自由的意图。[1111]巴特菲尔德认为，这种观点假定了“事件虚假的连续性”：辉格史学家“喜欢想象宗教自由是从新教中美好地产生，但实际上它是从完全不同的事物中痛苦而勉强地产生的，那就是宗教改革之后悲惨的世界”。[1112]巴特菲尔德认为，从历史学家的角度而言，这种习惯的动机从最广泛的意义上说源自当代政治。现代历史学家对民主自由思想或自由主义传统的热情使他们得出结论：过去的人们也在朝着这些目标努力。[1113]巴特菲尔德认为，这种趋势的一大后果，就是辉格史学家过分喜爱对过去进行道德判断：“对他们来说，子孙后代的声音就是上帝的声音，而史学家就是子孙后代的声音。他们的特点就是往往自视为法官，但实际上单凭他们的方法和才能只适合担任侦探。”[1114]这种道德判断的流行导致辉格史学家犯了另一个错误，认为有意识的罪过比无意识的错误更邪恶。[1115]巴特菲尔德为这样的立场感到不安。他提出了另一种观点，即历史所能做的就是以越来越多的细节和越来越少的删节来接近其主题。对他来说，所有的道德判断都是多余的，因为历史学家不可能进入过去年代人们的思想中，也因为历史上的重大争论并不在“正邪”两派之间展开，而是在对立群体之间（不一定只有两个）展开，而他们持有关于事件和社会走向的对立思想。用现在的观点评判过去，这为过去的事件强加了现代的心态，而这些事件本不能用这种方式加以理解。[1116]
巴特菲尔德的观点是对进化思想的一种抑制，但也只是抑制而已。随着时间的推移，更多结果不断产生，为这种叙述添砖加瓦，形成压倒性的优势。进步这个词的使用变得越来越少，但进化不断发展壮大，甚至开始渗透历史本身。20世纪20年代的发现推动了这样的观点，即对人类完整历史的呈现也许会在某一天成为可能。物理学领域类似的发展则进一步助长了这个愿景的不断膨胀。
15 物理学的黄金年代
从1919年欧内斯特·卢瑟福首次分裂原子，到1932年他的学生查德威克发现中子，物理学经历了它的黄金年代。这期间几乎每年都有一些重大突破诞生。在这一阶段，美国还远远不是世界物理学领域的领头羊，而是在这之后才逐渐成为领导者。物理学黄金年代的所有开创性工作集中在欧洲的三个地方：英国剑桥的卡文迪许实验室、哥本哈根的尼尔斯·玻尔理论物理研究所以及靠近德国马尔堡的古老大学城哥廷根。
对于卢瑟福在20世纪20年代的一位门徒马克·奥利芬特来说，卡文迪许实验室的主门厅，即实验室主任的办公室所在地是这样的一幅场景：“没有铺设地毯的地板，暗淡的清漆松木门以及沾满污渍的灰泥墙，肮脏的玻璃天窗中透下的光淡淡地照着这一切。”[1117]但是，对于同样在那里接受过训练的C. P.斯诺来说，虽然他也在自己的第一部小说[1117-0]《搜索》中对这里的实验室进行了描写，却没有提到清漆和脏玻璃之类的东西。“我不会轻易忘记卡文迪许实验室的周三会议。对我来说，它们是我亲身经历过的令人兴奋的科学精华所在。它们是浪漫的——如果你愿意这么理解的话，但还无法与我不久将会知晓的［科学发现的］最高体验相提并论。周复一周，我在阴冷的夜里离开，听见东风从古老街道上呼啸而过。我内心洋溢着澎湃的热情，因为我亲眼见到、亲耳听闻并亲身接近了世界上最伟大运动的领导者。”接替麦克斯韦于1919年担任卡文迪许实验室主任的卢瑟福显然同意这一观点。在1923年英国物理学会的一次会议上，他突然的叫喊吓了同行一跳：“我们生活在物理学的英雄时代！”[1118]
在某些方面，卢瑟福本人（现在的他面色红润，留着小胡子，嘴上总是叼着熄灭的烟斗）便是物理学英雄时代的直观体现。在第一次世界大战期间，粒子物理学一直或多或少陷于停滞。卢瑟福战时的官方职务是在英国海军部从事潜艇探测技术的研究工作。但他仍在职责允许的范围内继续开展物理学研究。而在战后的第一年，即1919年4月，就在阿瑟·爱丁顿正准备前往西非检验爱因斯坦的预言之时，卢瑟福寄出了一篇论文，就算他从未做过任何别的研究，这篇论文也会让他名垂青史。单从论文的标题你可能看不出这一点：《氮气中的不规则效应》（‘An Anomalous Effect inNitrogen’）。正如卢瑟福往常的实验风格一样，该实验的设备简陋到堪称粗糙的地步：一根装在密封黄铜盒子中的小玻璃管，一端连接着一块锌硫化物的闪烁屏幕。黄铜盒子内充满氮气，然后向玻璃管中通入一个α粒子源，即来自镭的放射性气体氡所发出的氦原子核。当卢瑟福观察锌硫化物屏幕上的活动时，激动人心的时刻到来了：屏幕上的闪烁与氢原子产生的闪烁没有明显区别。既然系统中没有氢原子，怎么会产生这样的结果呢？这催生了卢瑟福论文第四部分中著名的悲观主义句子：“从目前得到的结果来看，我们很难回避这样的结论，即α粒子与氮原子碰撞产生的长射程原子并非氮原子，而很可能是氢原子。……如果情况属实，我们必须定论，氮原子发生了衰变。”但报界没有那么谨慎。他们奔走相告：欧内斯特·卢瑟福爵士已经实现了原子分裂。[1119]卢瑟福本人也意识到了自己研究的重要性。他的实验暂时让他从反潜艇研究中分了心。他向监察委员会自我辩护道：“如果，我有理由相信我已经让原子核发生了衰变，那么这一发现的意义要比第一次世界大战更大。”[1120]
从某种意义上说，卢瑟福取得的成果相当于炼金术士孜孜以求的目标，即将一种元素嬗变为另一种元素，在他的实验中是将氮元素嬗变为氧元素和氢元素。（历史上首次）人工嬗变的发生机制也非常明确：一个α粒子，即原子量为4的氦原子核。它在轰击一个原子量为14的氮原子时，取代了一个氢原子核的位置（卢瑟福很快将其命名为质子，proton）。因此这里的算法变成了：4+14—1=17，生成氧同位素O17。[1121]
这一发现的意义，除了自然存在可变性这一哲学意义之外，还在于它开启了研究原子核的新途径。卢瑟福和查德威克立刻开始探索其他轻量原子，观察它们是否有同样的表现。结果显示，确实如此。硼、氟、钠、铝、磷，都存在可以探测的原子核：它们不仅仅是固体物质，而且具有一定的结构。针对所有轻量元素的研究耗时五年，但随后出现了问题。根据定义，较重元素的特点在于具有许多电子组成的外层电子壳，它们构成了强大的电屏障，要想穿过它们需要更强的α粒子发射源。对于詹姆斯·查德威克和他在卡文迪许实验室的年轻同事来说，前进的道路是明确的——他们需要探索将粒子加速到更快速度的方法。卢瑟福对此并不相信，宁愿采用简单的实验工具。但在其他地方，尤其是美国，物理学家已经意识到了未来的实验方法有赖于粒子加速器。
从1924年一直到1932年，查德威克最终分离出中子，这期间核物理学领域没有产生突破性进展。在量子物理学（quantum physics）领域，情况则完全不同。尼尔斯·玻尔理论物理研究所于1921年1月18日在哥本哈根正式成立。研究所用地由哥本哈根市提供，选址恰好毗邻足球场（玻尔和弟弟哈拉尔德·玻尔都是优秀的足球运动员）。[1122]四层高的大楼外形呈“L”形，包括报告厅、图书馆、实验室（对理论物理学研究所来说，实验室这一配备略显奇怪），以及一张乒乓球台——玻尔同样擅长此项运动。“他的反应迅速而精准，”奥托·弗里希说，“他还拥有强大的意志力和耐力。在某种程度上，这些素质也体现了他科学研究的特点。”[1123]一年之后，玻尔荣膺诺贝尔物理学奖。这让他成了丹麦的英雄，就连丹麦国王也想接见他。但实际上，一项更值得注意的研究在这一年中占据了主导地位——玻尔终最终为化学和物理建立了相互之间的必然联系。1922年，玻尔表明原子结构与19世纪的俄国化学家门捷列夫绘制的元素周期表有着紧密的联系。就在第一次世界大战爆发之前，他实现了第一次突破，解释了电子如何以一定的形态绕原子核旋转，以及这一发现如何有助于解释不同的物质晶体发出的光谱特性。这一自然轨道的想法还将原子结构与马克斯·普朗克的量子概念联系在一起。现在，玻尔进一步认为，连续轨道的电子壳层只能容纳规定数量的电子。他提出了这样的想法，即某些元素之所以具有相似的化学性质，是因为它们具有相似的外层电子排布，而这些外层电子是化学反应中最常用到的。例如，他将钡和镭这两种元素进行了比较。两者都是碱土金属，但原子量差异很大，分别在元素周期表中排在第56和第88号元素。玻尔对此的解释是，原子量为137.34的钡具有的电子壳层由内到外依次含有2，8，18，18，8和2（一共56）个电子。原子量为226的镭具有的电子壳层分布则依次为2，8，18，32，18，8和一2（共88）。[1124]除了解释它们在周期表中的位置，这两种元素的最外电子层都含有两个电子，这意味着钡和镭的化学性质相似，尽管它们在其他方面存在明显差异。正如爱因斯坦所说，“这是思想领域中最美妙的乐章”。[1125]
在20世纪20年代，物理学的重心（当然是指量子物理学）转移到了哥本哈根（Copenhagen），很大程度上就是因为玻尔。从各种意义上说，他都是一个伟人。即使过程痛苦而缓慢，他仍致力于精确地自我表述，并督促别人同样自律。他为人慷慨、慈祥，完全没有那些可以轻易破坏人际关系的对抗性本能。但哥本哈根的成功也与这样的事实有关，即丹麦是一个中立的小国，在那里可以忘却英国人、法国人、德国人、俄国人和意大利人之间的国民对抗。20世纪20年代共有63位著名物理学家曾在哥本哈根从事研究，其中包括英国的保罗·狄拉克、德国的沃纳·海森堡和俄国的列夫·郎道。[1126]
除此之外，瑞士—奥地利人沃尔夫冈·泡利也名列其中。1924年的泡利23岁，身材矮胖，遇到难以解答的科学难题时容易意志消沉。尤其有一个问题让他徘徊于丹麦首都的街道，百思不得其解。这个问题也让玻尔非常为难。它源于一个事实，即当时没人能理解为什么所有围绕原子核运动的电子不会都挤到内电子层里去。随着电子以光的形式释放能量，这本来应该发生。然而，现在所知的是，每层电子都经过排布，所以内电子层永远只包含一条轨道，而下一层则包含四条轨道。泡利的贡献是证明了每条轨道都不能容纳超过两个电子。一旦轨道上含有两个电子，这条轨道就“满了”，其他电子则被排斥，被迫进入下一轨道。[1127]这意味着，内电子层（一条轨道）不能容纳两个以上的电子，第二层（四条轨道）不能容纳超过八个电子。这被称为“泡利不相容原理”（Pauli's exclusion principle），其美妙之处部分在于扩展了玻尔对化学性质的解释。[1128]例如，氢原子在第一轨道上有一个电子，具有化学活性。但氦原子在第一轨道上有两个电子（也就是说轨道是“满”或“完整”的），所以几乎是惰性的。3号元素锂内电子层上拥有两个电子，第二层上有一个，所以化学性质非常活跃。但是拥有十个电子的氖，则由于内电子层有两个电子（填满轨道），第二层的四条轨道上有八个电子（再次填满），因而也是惰性的。[1129]所以玻尔和泡利共同表明了元素的化学性质不仅是由原子占有的电子数量决定，还由这些电子在轨道壳层的分布决定。
接下来的1925年是物理学黄金年代的鼎盛时期，活动的中心暂时转移到了哥廷根。第一次世界大战前，英国和美国的学生会定期去德国完成学业，而哥廷根是他们经常停留的地方。此外，哥廷根大学所保持的声望和地位都优于魏玛时期的其他大学。玻尔于1922年在那里发表过一次演讲，并受到了一位青年学子的批评，后者纠正了他观点中的一处错误。玻尔自有玻尔式的宽宏，他对此并不介意。“讨论结束时，他朝我走过来，邀请我当天下午跟他一起去海恩山散步，”沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）后来写道：“我真正的科学生涯从那天下午才刚刚开始。”[1130]事实上这不仅仅是一次散步，因为玻尔邀请这位年轻的巴伐利亚人前往哥本哈根。海森堡还没有准备好在两年内离开哥廷根，但两年之后玻尔仍一如既往地欢迎海森堡。他们立即着手解决量子理论的另一问题，即玻尔所谓的“对应”（correspondence）问题。[1131]它来源于这样的观察，即在低频率下，量子物理学和经典物理学走到了一起。但这怎么可能呢？根据量子理论，能量（和光一样）是以小股的形式释放的；而根据经典物理学，它们则是以连续形式释放的。海森堡热情满怀地回到哥廷根，但也心存疑惑。而海森堡和泡利一样痛恨困惑。因此，在1925年5月底，当他曾多次发作的花粉症再度光临时，他请了两星期假，在赫里戈兰岛这个北海德国海岸的狭窄岛屿享受没有花粉的时光。海森堡是一位优秀的钢琴家，还能背诵大段的歌德作品，他体格强健（喜欢登山），长距离的散步和令人心旷神怡的海水浴也理清了他的思路。[1132]海森堡在这寒冷清新的环境中产生的想法后来被称为“量子奇异性”的第一个例子。海森堡认为，我们应当停止设法将原子的内部活动具象化，因为不可能直接观察这么小的东西。[1133]我们所能做的就是测量其属性。所以，如果某些东西在某一时刻被测得呈连续状态，而在另一时刻呈离散状态，那就是现实的状态。如果两次测量结果都存在，说它们不一致也毫无意义：因为它们只是测量而已。
这就是海森堡的核心见解，但在忙碌的三周里他更进一步，开发了一种被称为矩阵数学的数学方法。这种方法起源于大卫·希尔伯特的思想，将获得的测量结果都集中在一个二维数表中，其中两个矩阵可以相乘得出另一个矩阵。[1134]在海森堡的方案中，每个原子可以被一个矩阵代表，又受到另一个矩阵的“支配”。如果用“钠矩阵”乘以“光谱矩阵”，结果应该得出钠光谱波长的矩阵。令海森堡和玻尔非常满意的是，事实确实如此。“这是原子结构第一次拥有了虽然出人意料但是毫无疑问的数学基础。”[1135]海森堡将他的创造/发现命名为量子力学。
1925年，路易·德布罗意（Louis de Broglie）在巴黎发表了一个新理论，这让理解海森堡的想法变得更加容易。普朗克和爱因斯坦都曾指出，迄今为止都被视为波的光，有时也可以表现出粒子的特征。德布罗意反转了这一想法，他认为粒子有时会表现为波。德布罗意的理论甫一提出就得到了实验的证明。[1136]物质的波粒二象性是第二个奇异的物理概念，但它很快流行起来。原因之一在于另一位天才，奥地利人埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）的研究。他对海森堡的看法感到困惑，却着迷于德布罗意的想法。对于物理学家这个职业来说，时年39岁的薛定谔已经相当“老迈”，他补充了这样的观点，即沿着轨道绕原子核运动的电子，其运动方式不像行星，而像波。[1137]此外，这种波的模式决定了电子轨道的大小，因为为了形成一个完整的圆形轨道，波必须符合一个整数而不是分数（否则波将陷入混乱）。这反过来决定了轨道离核的距离。薛定谔的研究在1926年春夏的《物理年鉴》上以四篇长论文的形式发表。这些论文行文考究，解释了玻尔的轨道位置。支撑其理论的数学基础也被证明与海森堡的矩阵类似，只是更为简单。知识再一次融合在了一起。[1138]这一轮最后的奇异思想诞生在1927年，再次来自海森堡的发现。时值2月底，玻尔已前往挪威滑雪，海森堡独自在哥本哈根的大街小巷徘徊。一天深夜，在他位于玻尔研究所楼上的房间，爱因斯坦曾说过的一句话勾起了海森堡脑海中深层次的思考：“理论决定了我们能够观察到的东西。”[1139]当时早已过了半夜，但他打算出来透透气，于是他走了出去，艰难地穿过泥泞的足球场。在他散步的过程中，一个念头开始在他的脑子发芽。不同于诸天的浩瀚，量子物理学家研究的世界小得难以想象。海森堡扪心自问，莫非在原子水平存在认识的极限？为了确定一个粒子的位置，它必须撞击锌硫化物屏幕。但是这会改变其速度，意味着它不能在关键时刻得到测定。相反，如果用一个粒子散射的伽马射线测量其速度，比如，将其撞向不同的轨道，而它在测量时间点上的确切位置已经发生了改变。这一观点后来被称为海森堡的不确定性原理（uncertainty principle），它假定电子的确切位置和精确速度不能同时确定。[1140]这在实践和哲学两方面都令人不安，因为它意味着亚原子世界的因果关系永远无法测量。了解电子行为的唯一方法是运用概率规则进行统计。“即使在原则上，”海森堡说，“我们也无法知道当下的所有细节。出于这个原因，我们观察到的所有东西都是从大量的可能性中选择出来的，也是对未来可能性的一种限制。”[1141]
然而，爱因斯坦从未对量子理论的基本概念（即我们对亚原子世界只能做统计上的理解）感到满意。这成了他和玻尔之间争论的焦点，直到他生命的终点。1926年，爱因斯坦给哥廷根的物理学家马克斯·玻恩写了一封著名的信。“量子力学需要密切关注，”他写道，“但内心的声音告诉它这并不是真正的雅各。量子力学理论让许多东西变得圆满，但它并不能让我们更接近上帝的秘密。无论如何，我深信，上帝不掷骰子。”[1142]
在近十年时间里，量子力学一直在制造新闻。在黄金年代的鼎盛时期，关于这一研究主题的论文中，德语论文的数量超过用其他所有语种发表的论文数量总和，这凸显出德国在这一领域的卓尔不群。[1143]在那段时间里，实验粒子物理学一直止步不前。时至今日，我们已经很难解释个中缘由，而早在1920年，欧内斯特·卢瑟福做了一个非凡的预言。在伦敦皇家学会发表著名的贝克尔演讲时，卢瑟福透露了一年前他的氮气实验的一些内幕，但他也接着对未来的研究做了猜想。[1144]他提出除了电子和质子外，原子还可能含有第三种主要成分。他甚至对该成分的一些性质作了描述，对此他说，该成分将带有“零核电荷”。“这样的原子成分，”他认为，“将具有非常新颖的属性。它的外部［电］场几乎为零，与原子核的性质非常接近，因此应当能够自由地从物质中穿过。”他说，这种原子成分虽然很难被发现，却是非常值得寻找的：“它应该很容易进入原子结构，并可能要么与原子核融为一体，要么被核的强烈力场分解。”如果该成分确实存在，他说，他提议将其命名为“中子”。[1145]
与1911年卢瑟福在曼彻斯特揭示原子结构时的情形一样，詹姆斯·查德威克在贝克尔演讲时同样在观众席中聆听。毕竟他现在已是卢瑟福的得力助手。不过在当时，他并未真正领会他老板对于中子的热情。电子和质子的对称性，即负电和正电，似乎是完美无缺的。其他物理学家可能从来没有读过贝克尔演讲的讲稿（这是个大体上乏味的演讲），因此他们的思想也没有得到启发。但是在整个20世纪20年代后期，各种异常现象逐渐出现，其中一个较为有趣的现象就是原子量和原子序数之间的关系。原子序数是由原子的核电荷数和质子数决定的。因此，氦的原子序数为2，但其原子量为4。对银元素来说，相应的原子序数和原子量分别为47和107，铀元素则是92和235（或238）。[1146]当时的一个普遍理论认为，原子核中存在着额外的质子，与电子结合从而保持中性。但这又产生了另一个理论上的异数：要将电子这样微小而轻质的粒子封闭在原子核内，需要极强的能量。而当原子核受到轰击，其结构发生改变时，这种巨大的能量应该表现出来，然而这从没发生过。[1147]在20世纪20年代早期的大部分时间里，人们都忙于用其他轻量元素重复氮的嬗变实验，所以查德威克几乎无暇他顾。然而，就在这些异常现象没有表现出圆满解决的迹象之时，他转而接受了卢瑟福的看法：中子（neutron）这样的粒子一定存在。
查德威克进入物理研究领域是缘于一次阴差阳错的机缘巧合。[1148]他是个腼腆的人，粗犷的外表掩盖了他与生俱来的善良。他本来希望成为一名数学家，但他在曼彻斯特大学排队注册时站错了队伍，而面试他的物理学家给他留下了深刻印象，他也因此转向了物理学。他曾在柏林大学的汉斯·盖革门下学习，但没来得及在第一次世界大战爆发前离开，所以在战争期间一直滞留在德国。到了20年代，他渴望开启属于自己的学术生涯。[1149]一开始，寻找中子的实验毫无进展。卢瑟福和查德威克都认为它是质子和电子紧密结合的产物，所以设计了各种不同的实验方法（用理查德·罗兹的话来说）来“折磨”氢原子。接下来的研究则比较复杂。首先，德国物理学家沃尔特·波西（Walter Bothe）在1928至1930年间研究了诸如锂和氧等轻元素被α粒子轰击后释放出的γ辐射（一种强光）。奇怪的是，他发现不仅硼、镁、铝等元素可以释放强烈的辐射——这在他的意料之中，因为α粒子使这些元素发生了衰变（正如卢瑟福和查德威克已经表明的）——但铍元素同样可以释放强辐射，而它并不会在α粒子作用下发生衰变。[1150]波西的实验结果让剑桥的查德威克和身在巴黎的居里夫人的女儿艾琳·居里（Irène Curie）以及她的丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot）大为震惊，他们纷纷采纳了这个德国人的方法。很快，两个实验室都各自发现了异常现象。查德威克的学生H. C.韦伯斯特在1931年春天发现“α粒子射入方向上［铍释放出］的辐射强度要大于相反方向上的辐射强度［即更具穿透力］”。这一发现的重要性在于，如果该辐射是γ射线（也就是光），那么它应该均匀地朝各个方向发出，就像光从灯泡中发出一样。另一方面，粒子的行为则与此不同，它很可能被撞向α粒子的射入方向。[1151]查德威克认为：“这就是中子。”[1152]
1931年12月，艾琳·约里奥—居里向法国科学院宣布，她重复了波西的铍辐射实验，并对其进行了标准化的测量。她因此计算出铍释放的辐射能量是轰击它的α粒子能量的三倍。这个数量级显然意味着该辐射不是γ辐射，其中必然涉及一些其他的成分。遗憾的是，艾琳·约里奥—居里从未读过卢瑟福的贝克尔演讲，因此她想当然地认为铍辐射是由质子引起的。仅仅两周之后，在1932年的1月中旬，约里奥—居里夫妇发表了另一篇论文。这一次他们宣布，石蜡在受到铍辐射轰击后，释放出了高速质子。[1153]
当查德威克在2月初从早晨的邮件中读到法国物理学期刊《法国科学院院报》的这种说法时，他意识到这种描述和解读存在严重错误。任何称职的物理学家都知道单个质子比单个电子重1836倍，所以一个质子完全不可能被电子轰击出原子核。在查德威克阅读这份报告时，一位名叫费瑟的同事进了他的房间。他也读过这篇文章，并急切地想要提醒查德威克注意它。那天上午的晚些时候，在他们的每日进度会上，查德威克和卢瑟福讨论了这篇论文。“当我告诉他约里奥—居里夫妇的观察结果以及他们的看法时，我看见他的表情变得愈发惊讶。终于，他突然大喊道：‘我不相信！’如此急躁的话语完全出人意料，在与他所有的长期合作中我都不记得有过类似的场景。我用这个细节来强调约里奥—居里夫妇的观察报告令人震惊的效果。当然，卢瑟福也认同我们必须相信这一观察结果，但对其做出的解释则完全是另一回事了。”[1154]查德威克不失时机地重复了该实验。令他兴奋的第一件事是，他发现铍辐射可以畅行无阻地穿过2厘米厚的铅块。接下来，他发现铍辐射可以将一些元素的质子轰出40厘米远。无论这种辐射是何方神圣，它都威力巨大，而在电荷方面，它还是中性的。最后，查德威克撤掉了约里奥—居里夫妇曾使用过的石蜡片，以观察铍辐射直接轰击元素时产生的效果。通过示波器来测量辐射，他首先发现，无论被轰击的是哪种元素，铍辐射都能代替其中的质子，而至关重要的一点则是，被取代的质子释放出的能量之大，是γ射线所无法产生的。及至此时，查德威克已从卢瑟福身上学到了一些东西，其中就包括低调陈述的习惯。在他匆匆投给《自然》杂志的名为《论中子存在之可能性》的论文中，他写道：“很明显，我们必须要么放弃这些碰撞中能量和动量守恒定律的应用，要么接纳关于辐射性质的另一种假说。”在补充说明了他的实验似乎是首次有证据表明一种“不带净电荷”粒子的存在之后，他总结道：“我们可以将其设想为卢瑟福在他的贝克尔演讲中讨论过的‘中子’。”[1155]他所观察到的过程是4He+9Be→12C+n，这里的n即代表质量数为1的中子。[1156]
对于卢瑟福和查德威克来说，这一发现的实质非常明显。而约里奥—居里夫妇则由于未能明辨该粒子的本质而陷入窘境（虽然这两个法国人后来也作出了自己的发现）。查德威克经过十个昼夜的奋战，确保了自己是中子的第一个发现者。实际上他最初是在剑桥大学卡皮察俱乐部的一次会议上宣布了自己的结果。该俱乐部由卡文迪许实验室的俄国物理学家彼得·卡皮察创办。震惊于剑桥大学拘谨的等级构成，卡皮察将其首创的俱乐部作为一个讨论平台，在这里等级并不重要。这个俱乐部在每周三集会，而在精疲力竭的查德威克宣布他发现了物质的第三个基本成分的那天晚上，他发表了非常简短的演讲，然后开玩笑地说道：“现在我只想被氯仿麻醉，然后在床上躺上两个星期。”[1157]由于这一发现，查德威克荣膺诺贝尔物理学奖。这种新粒子的电中性属性为人们对原子核的探测提供了更加深入的方式。事实上，其他物理学家已经开始考虑他的发现之后的问题了——但在某些情况下，他们并不喜欢自己的所见。
带着实用性和深刻的哲学意义，物理学正在成为科学的女王和接近自然的根本途径。抛开自然的可变性不谈，物理学最具有哲学意义的方面在于它与天文学的交集。
此时此刻，我们需要暂时回到爱因斯坦身上。就在他创立相对论之时，大多数科学家都想当然地认为宇宙是静态的。19世纪的人们已经了解了许多关于恒星的新知识，包括测量它们温度和距离的方法，但天文学家还没有观察到由天体构成的星系，或者它们正彼此远离的现象。[1158]但相对论给天文学家带来了惊喜：爱因斯坦的方程预言，宇宙必然要么膨胀，要么收缩。这是一个完全出人意料的结果，它看起来如此怪异，甚至爱因斯坦本人也这么觉得，以至于他运用计算对自己的理论进行修正，使他理论中的宇宙保持静止。后来，这一修正被他称为自己职业生涯中犯下的最大错误。[1159]
然而奇怪的是，一些科学家虽然接受了爱因斯坦的相对论以及在此基础上的计算，却从来不接受宇宙常数，以及基于该常数的修正。年轻的俄国科学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）是第一个促使爱因斯坦重新自我审视的人（“宇宙常数”实际上是弗里德曼的用词）。弗里德曼的童年颇为悲惨。他的母亲抛弃了他残忍、傲慢的父亲，并带走了还是孩子的小弗里德曼。但她被判犯有“破坏夫妻忠诚”罪而被王室判处独身，也被迫放弃了小弗里德曼。近二十年的时间里，他都没能见到母亲。弗里德曼自学了相对论，在这期间他意识到爱因斯坦犯了一个错误，即无论宇宙常数是否成立，宇宙都必然要么膨胀，要么收缩。[1160]他觉得自己敢于改进爱因斯坦理论的想法令人振奋，于是开发了一个数学模型来证明自己的观点，并将它寄往德国。不过，到了20年代早期，阿瑟·爱丁顿已经证实了爱因斯坦的一些预言，爱因斯坦因此名声大噪，信件如雪片般飞来，而弗里德曼的想法也在这雪崩般的信件中遗失了。[1161]不屈不挠的弗里德曼尝试面见爱因斯坦，但也没能成功。直到他们俩一位共同的同事向爱因斯坦介绍了弗里德曼之后，他才终于得以正视这个俄国人的想法。结果，爱因斯坦经过重新考虑，开始改变他对宇宙常数及其意义的看法。但将弗里德曼的思想向前推进的却不是爱因斯坦。在20世纪20年代，比利时宇宙学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）和其他科学家以弗里德曼的思想为基础，逐渐充实并完善了对均匀膨胀的宇宙的几何描述。[1162]
理论终归是理论。而行星、恒星和星系也绝非小巧的实体。它们占据了广阔的空间。当然，如果宇宙真的在膨胀，应该就能被观察到。实现这一目标的方法之一就是通过对当时被称为“螺旋星云”的天体进行观察。现在我们知道，星云是遥远的星系，但在当时的望远镜条件下，它们只是太阳系外天空中模糊不清的东西而已。没有人知道它们是气态还是固态物质，也没有人知道它们的大小或与地球相隔多远。就在那时，人们发现从螺旋星云发出的光会向光谱的红色端偏移。而多普勒效应（Doppler effect）能够说明这种现象具有怎样的意义。多普勒效应以其发现者克里斯琴·多普勒的名字命名，他是奥地利物理学家，于1842年首先解释了这一观察结果。当一列火车或一辆摩托车朝我们行驶过来时，它发出的噪音会发生改变，然后当它经过并离我们而去之时，它发出的噪音会再次发生变化。原因很简单：随着火车或摩托车逐渐靠近，声波也离观察者越来越近，其时间间隔会缩短。当火车或摩托车逐渐远离，相反的效应也出现了。噪音的声源一直在远离，所以声波之间的间隔也越来越长。而光也会产生与声波大致相同的现象：光源向某处接近时，在该处就会观察到光向光谱的蓝色端偏移；而当光源远离某处时，光则向光谱的红色端偏移。
1922年，维斯托·斯里弗在亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台就这一现象进行了第一个关键的测试。[1163]洛厄尔天文台建于1893年，原本用于探测火星上的“运河”。在这种情况下，斯里弗预计会在螺旋星云的一侧（旋转远离观察者的部分）观察到红移，而在另一侧观察到蓝移（因为螺旋朝向地球旋转）。结果是，他发现在他所考察的40个星云中，有4个只出现了红移。这是为什么？几乎可以肯定的是，这种混乱之所以会出现，是因为斯里弗无法真正确定星云距离地球有多远。这使他对红移和距离的关联出现了问题。但观察结果仍然颇具启发性。[1164]
又过了三年，个中缘由终于得以澄清。1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）用一台当时最大的望远镜，即架设在洛杉矶附近的威尔逊山上直径100英寸的反射式望远镜，成功地识别了多个星云旋臂中的单个恒星，从而证实了许多天文学家的猜想，即“星云”实际上是完整的星系。哈勃还确定了一些“造父变星”的位置。造父变星即亮度呈规律性变化的恒星（周期范围从1到50天不等），它从18世纪晚期以来已为人所知，但直到1908年，哈佛的亨丽埃塔·莱维特才证明了恒星的平均亮度、大小以及它们与地球的距离之间的数学关系。[1165]利用所能观察到的造父变星，哈勃计算出20个星云到地球的距离。[1166]他的下一步计划是将这些距离与它们对应的红移关联起来。哈勃总共收集到了24个不同星系的信息，他观察和计算的结果简单而令人激动：他发现其中存在着一个简单的线性关系。星系离我们越远，发出的光产生的红移就越强烈。[1167]这被称为哈勃定律，虽然原始的观察是基于24个星系做出的，但自1929年以来，该定律已被证明适用于成千上万的星系。[1168]
爱因斯坦的预言因此再一次得到证实。他和弗里德曼以及勒梅特的计算通过实验得到了证明：宇宙确实处在不断膨胀的过程中。许多人花了一些时间才适应了这一观点。它涉及了关于宇宙的起源、性质以及时间的各种启示。一时间，宇宙膨胀思想带来的即时影响几乎让哈勃与爱因斯坦齐名。各种荣誉随之而来，牛津大学授予他荣誉博士学位，《时代》周刊将他作为封面人物详细介绍，而他工作的天文台也成了名人到访洛杉矶时的必经之地：阿道斯·赫胥黎，安德鲁·卡内基和安妮塔·露丝等都专程到此一游。哈勃一家也成了好莱坞明星的座上宾：埃德温的妻子格雷丝·哈勃在30年代初所写的信件中提到了他们与海伦·海斯、埃塞尔·巴里摩尔、道格拉斯·费尔班克斯、沃尔特·李普曼、伊戈尔·斯特拉文斯基、弗里达·冯·里希特霍芬（D. H.劳伦斯的遗孀）、哈波·马克斯和查理·卓别林共进晚餐的故事。[1169]这招来了同行的嫉妒。他们指出，哈勃远远不配被称为当时的伽利略或哥白尼。作为一个观察者，他也并非十分敏锐。由于其他人已经预料到了他的发现，因此他的贡献是有限的。但哈勃完成了艰苦的基础性工作，得出了足够精确的数据，让持怀疑态度的同行再也不能藐视宇宙膨胀的理论。这是20世纪最惊人的思想之一，而让它变得毋庸置疑的正是哈勃。
就在物理学为解释诸如宇宙这样的巨大现象添砖加瓦的同时，它同样在其他微观世界的领域取得了进步，尤其是分子世界，从而帮助我们更好地了解化学。19世纪已经见证了化学，尤其是工业化学的第一个黄金年代。德国的崛起很大程度上就是由于化学，而希特勒也非常重视将德国的国力恢复到19世纪时的水平。比如，在第一次世界大战爆发前一年，德国的硫酸产量已经从只有英国的一半攀升到了超过英国50%的水平，通过现代电解法生产的氯气，产量也三倍于英国，而德国在世界染料市场所占的份额更是达到了令人难以置信的90%之多。
20世纪理论化学的最大突破出自莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）之手，他关于化学键的思想与基因和量子等概念具有相同的基础性意义，因为它表明物理学是如何支配分子结构，而结构又是如何与化学元素的性质乃至外观相联系的。鲍林解释了为什么有些物质是黄色液体，另一些却是白色粉末，还有一些是红色固体的个中缘由。物理学家马克斯·佩鲁茨对此的评价是，鲍林的研究成果将化学转变成了“可供理解，而非只能单纯记忆的学科”。[1170]
鲍林生于1901年，他的父亲是俄勒冈州波特兰市附近的一名药剂师。鲍林拥有健全的自信人格，这显然让他的职业生涯如虎添翼。作为一名年轻的大学毕业生，他放弃了哈佛大学的入学邀请，宁可选择了另一家高校继续深造。该大学创办之初名为思鲁普理工学院，但在1922年更名为加州理工学院，简称Caltech。[1171]部分出于鲍林所取得的成就，加州理工逐渐发展成为一个重要的科学中心，但当他第一次到达那里时，学校只有三栋建筑，周围是30英亩的荒草地和矮栎林，外加一座橘园。鲍林最初希望研究一种新技术，可以显示化学品所形成的不同形状的晶体与构成该晶体的分子的实际结构之间的关系。人们已经发现，如果将一束X射线射向一枚晶体，这束射线将以一种特定的方式分散开来。突然之间，一种检测化学结构的方法成为可能。这种方法被称为X射线晶体学。在鲍林拿到自己的博士学位之时，该方法几乎刚刚处于起步阶段，但他很快意识到自己的数学和物理水平都根本不足以对新技术进行充分利用。他决定去欧洲求学，去结识当时最伟大的科学家：尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔和沃纳·海森堡等。正如他后来写道的：“可以说，1926年我刚到欧洲的时候，我有点儿震惊，因为我发现周围有好些人都比我聪明。”[1172]
就他自己的兴趣——化学键的性质而言，收获最为丰盛的要数他对苏黎世的那一次造访。在那里，他遇到了两个不太出名的德国人：沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London），他们开发了一种将电子和波函数应用于化学反应的思想。[1173]简单说来，想象一下这样的场景：两个氢原子彼此靠拢。每个氢原子都由原子核（质子）和一个核外电子组成。随着两个原子之间的距离越来越短，“其中一个的核外电子会受到另一个的原子核的吸引，反之亦然。在某一点上，其中一个的核外电子会跳入另一个原子的怀抱，而同样的事情也会发生在另一个原子身上”。他们将这一现象称为“电子交换”，并声称这种交换每秒钟可以发生数十亿次。[1174]从某种意义上说，电子们“无家可归”，它们之间的交换构成了将两个原子彼此“黏合”的力量，“建立起具有一定长度的化学键”。他们的理论将泡利、薛定谔和海森堡的研究成果结合在一起。他们还发现这种“交换”决定了分子的结构。[1175]这是一套非常优雅的理论，但在鲍林看来却有一个缺点：这不是他的理论。如果他自己要想扬名立万，还需要将该理论向前推进。等到鲍林从欧洲返回美国的时候，加州理工已经取得了长足的进步。在威尔逊山建造世界上最大望远镜的谈判已在进行，哈勃即将在那里开展工作。一座喷气推进实验室也在规划中，而T. H.摩根也即将加盟该校，创建新的生物实验室。[1176]鲍林决心胜过他们所有人。在整个20世纪30年代初，他发布了一个又一个的报告，全都来自同一个项目，也全都与化学键（chemical bond）有关。他在海特勒和伦敦的研究基础上取得了辉煌的成功。他早期对生命的基本成分（碳）的实验，以及后来关于硅酸盐的实验都表明，这些元素可以根据其电子关系进行系统分组。这被称为“鲍林规则”。他指出，其中一些键的键能比其他键要弱，这有助于解释化学性质。比方说，云母是一种硅酸盐。所有的化学家都知道，它们会裂开形成薄而透明的片状。鲍林成功地表明，云母的晶体在两个方向上具有很强的键能，而在第三个方向上的键能则较弱，这与观察结果完全一致。第二个例子是众所周知的硅酸盐——滑石。它的特点是各个方向上的键能都很弱，所以它不会裂开，而会碎掉，形成一堆粉末。[1177]
鲍林的研究成果不但让他人景仰，也让他自己非常满意。[1178]对于常见物质看得见的性质，终于有了原子、电子层面的解释。20世纪始于物理学和生物学的基础性发现，而现在，化学领域也见证了同样的发现。知识再一次开始走向融合。从1930至1935年间，鲍林平均每五周就发表一篇关于化学键的新论文。[1179]他在32岁时当选为美国国家科学院院士，是有史以来获得该荣誉的最年轻科学家。[1180]一时间，他已经遥遥领先，很少有人能望其项背。爱因斯坦曾出席他的一场演讲，之后也承认鲍林超过了他。与众不同的是，鲍林投往《美国化学学会学报》的论文未经评阅就直接发表，因为编辑找不出合格的评阅人。[1181]尽管鲍林意识到自己需要做一些总结性工作，但在整个20世纪30年代他都忙于撰写原创论文，没时间用一本书来总结他的所有研究。终于，他在1939年出版了《化学键的性质》。这本书彻底改变了我们对化学的理解。它立即成为标准文本并被译成多种语言。[1182]事实证明，它对第二次世界大战后分子生物学家的发现有着至关重要的作用。
