第6章
机器

“一战”后，在卢瑟福的领导下，卡文迪许实验室蓬勃发展。奥本海默在这里之所以不开心，是因为他不是一名实验物理学家。对于实验物理学家来说，剑桥大学毫无疑问是奥本海默认为的那种中心。20世纪30年代初，C. P. 斯诺——比奥本海默稍晚一点——在这里接受过科学训练。在他的第一部小说，出版于1934年的《探索》中，斯诺借一个虚构的年轻科学家之口赞颂了这段经历：

卡文迪许实验室的那些周三例会令人难忘。于我而言，它们是科学方面我全部个人激情的真髓。你可以把它们称为一种浪漫。它们还没有达到不久后我就将体验到的［与科学发现相关的］那种最高层次的体验。但每一个星期，当我离开，走在寒夜中，东风从沼泽地吹过古老的街道时，我的内心却充满了一种光芒：我亲眼见过世界上最伟大运动的领导者们，亲耳听过他们的话，还和他们有着密切的关系。

实验室与以前相比更为拥挤，呈现出破败的迹象。马克·奥利芬特曾经回忆起他第一次站在卢瑟福办公室外走廊里的情景，注意到“没铺地毯的地板、暗黑的涂漆松木门、污损的水泥墙壁和透过肮脏的玻璃照射进来的昏黄的自然光”。奥利芬特还记录下了这位卡文迪许实验室主任当时——20世纪20年代后期，卢瑟福50多岁时——的样子：“一个大个子、面色红润的人接待了我。他淡黄色的头发正在变少，但胡子很浓密，待人接物也很和善。我的部分童年时光是在阿德莱德市后山上的一个小山村度过的，他让我强烈地联想到那里一个兼作邮局的百货店的老板。卢瑟福立刻让我感到宾至如归，轻松自在。他说话时有点口齿不清，不时用火柴点燃一根烟斗，喷出像火山一样的烟雾和灰烬。”

借助简单的实验设备，卢瑟福继续做出惊人的发现。除了发现原子核外，最重要的成果出现于1919年。当时卢瑟福即将从曼彻斯特大学迁往剑桥大学，他在4月寄出了这篇论文。之后，在卡文迪许实验室，他和查德威克继续开展这方面的研究。这篇1919年的论文实际上总结了卢瑟福在战时4年不多的空余时间里做出的一系列研究发现。“一战”期间，卢瑟福一边为海军部做潜艇探测方面的研究，一边几乎是独自一人支撑起曼彻斯特大学的实验室。论文分四个部分，前三部分为第四部分“氮的一个反常效应”铺平了道路，而这个部分具有革命性。

欧内斯特·马斯登对α粒子散射的研究使卢瑟福发现了原子核。1915年，在曼彻斯特大学实验室的日常实验研究中，马斯登又发现了一个奇怪的现象，这一现象催生了新的科学发现。马斯登当时在用α粒子——氦核，原子量为4，从一根装有氡气的小玻璃管发出——轰击氢原子。在实验中，他将氡气管固定在一个密封的铜盒里，盒子的一端装有硫化锌闪烁屏。他先抽空盒子里的空气，然后充以氢气。从氡气发出的α粒子像弹珠一样撞击氢原子（原子量大约为1），将能量转移给它们，使一些氢原子飞向闪烁屏。通过在闪烁屏后插入吸收用的金属箔 直至闪烁信号消失，马斯登得以测量出这些粒子能够飞行的距离。 与预计的一样，在和较重的α粒子发生碰撞后，质量较小的氢原子能飞出比α粒子更远的距离——据卢瑟福说，大约是α粒子飞行距离的4倍——就像弹珠游戏中较小的弹珠与较大的弹珠发生碰撞时的情况一样。

这些结果都不足为奇。但卢瑟福后来回忆说，马斯登还注意到，在盒子被抽成真空后，玻璃氡气管自身“产生了许多像氢产生的那样的闪烁”。他又试了一根石英管，之后又用了一块镀有镭化合物的镍盘，结果都观察到了与氢相似的明亮闪烁。“马斯登据此得出结论，这些是强有力的证据，证明氢来自放射性物质自身。”这个推断如果是正确的，那么将会是一个令人震惊的发现，因为截至此时，放射性原子在衰变过程中只被发现释放α粒子（氦核）、β粒子（电子）和γ射线。但这个推测并不是唯一的可能。卢瑟福也不太可能轻易接受这一结果。毕竟，他——三种基本辐射中两种的发现者——从未在辐射的射线中发现过氢。1915年，马斯登回新西兰的大学教书了。卢瑟福继续研究这个奇怪的反常现象。他对自己的研究目标有清楚的认识。“我偶尔会找半天空闲尝试一些我自己的实验，”他在1917年12月9日写信给玻尔说，“已经得到了一些我认为将最终被证明有重大意义的结果。我希望你在这里，这样就能与你详细讨论这些问题。我正在检测和计数被［α粒子］撞击并运动的较轻的原子……我也正在尝试用这一方法击碎原子。”

卢瑟福的装置与马斯登的很相似，是一个带阀门的铜盒，可以将气体注入或者抽出盒子，盒子的一端装有一块闪烁屏。他用一块镀有镭化合物的圆台形铜盘作为α粒子源。整套实验装置如下：

马斯登的反常氢原子最可能的一种解释是污染。氢密度小、化学性质活泼，并且是无处不在的空气的微量组分。因此，卢瑟福研究这个问题的根本策略是严谨的排除法：不断缩小盒子中氢原子源的可能范围，最终确定氢原子来自哪里。他首先通过研究证明，单靠放射性物质本身是不会产生这些氢原子的。他还证明，这些粒子与马斯登用α粒子轰击氢气的实验中被撞击飞出的氢原子有相同的质量和预期飞行距离。卢瑟福还把干燥的氧气或者二氧化碳注入抽空的铜盒中，他在两种情况下都发现，来自放射源方向的氢原子由于与这些气体的原子发生碰撞而减速，因而闪烁屏上的闪烁变少了。

之后，卢瑟福试着使用干燥的空气。结果令他大吃一惊。当注入干燥的空气时，闪烁次数不是像注入氧气和二氧化碳那样减少，而是增加了一倍。

在他1919年那篇论文革命性的第四部分中，卢瑟福在开篇谨慎地写道，这些新发现的闪烁“从肉眼看与氢闪烁的亮度大致相当”。他继续研究它们。如果它们是氢原子，那么它们仍然可能来自污染，但卢瑟福首先排除了这种可能。他证明，这些闪烁不能简单地用水蒸气（H2O）中的氢来解释，因为进一步干燥空气对闪烁的数量造成的影响微乎其微。灰尘也可能像危险的病菌一样藏匿氢原子，于是他用长长的脱脂棉塞来过滤注入盒子里的空气，但发现闪烁的数量几乎没有变化。

由于氢原子增加的现象出现在空气中，但没有出现在氧气和二氧化碳中，因此卢瑟福推断它“一定是因为氮气或者空气中的某种其他气体”。氮气占空气的78%，因此这种气体似乎最有可能是氢原子增加的原因。卢瑟福做了一个简单的实验来验证这种猜想：比较注入空气和纯氮气两种情况下闪烁的数量。实验证实了他的直觉：“在相同条件下，用纯氮产生的长距离闪烁的数量比用空气多。” 最后，卢瑟福得出结论，氢原子事实上来自氮而不是直接来自放射源。卢瑟福以英国科学家一贯的低调审慎宣布了他惊人的发现：“从迄今为止获得的结果看，很难避免这样的结论：［α］粒子轰击氮出现的长距离原子不是氮原子而可能是氢原子……如果确实如此，那么必然的结论便是氮原子被轰击解体了。”很快，各大报纸就用更直白的文字报道了这一发现。1919年的新闻头条赫然写道：“卢瑟福爵士分裂了原子。”

与其说是分裂，不如说是嬗变，有史以来的第一次人工嬗变。当一个原子量为4的α粒子与一个原子量为14的氮原子碰撞时，击出一个氢原子核（卢瑟福不久后建议将其称为质子），其净结果是一个氧原子，但这个原子的形式是氧的一种新的同位素氧-17（4加14减1）。产生的氧-17的量很少，少到不够供人呼吸。在每30万个α粒子中，只有大约1个能够突破氮原子核周围的电势垒，完成这种创生新元素的“炼金术”。

但这个发现提供了一种研究原子核的新方法。在此之前，物理学家们射向原子核的射线在原子核的外围就会被弹开，他们也只能测量放射性衰变过程中从原子核自发地发出的辐射。现在，他们拥有了一种能够探究原子核内部的技术。卢瑟福和查德威克不久后又研究了其他轻原子，结果表明，其中的大部分——硼、氟、钠、铝、磷——都能被轰击解体。但进一步沿着元素周期表往后，一个势垒的障碍便隐然出现了。卢瑟福使用的天然放射源只能发射出相对低速的α粒子，这些α粒子没有足够的能量穿透重核越来越强、难以克服的电势垒。查德威克和卡文迪许实验室的其他人开始谈论寻找将粒子加速到较高速率的方法。藐视复杂设备的卢瑟福则很抗拒。无论何种情况下，加速粒子都是一件困难的事情。一时间，新生的核物理科学停滞不前了。

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除了卢瑟福的那群“男孩”外，还有几名单独在卡文迪许实验室工作的研究者，他们都是J. J. 汤姆孙理念的继承者。其中有一个人的研究兴趣与其他人不同，但有一定的相关性。这个名叫弗朗西斯·威廉·阿斯顿的实验物理学家身材颀长、举止潇洒、体格健壮、家境富有。他的母亲是伯明翰一名枪炮制造商的女儿，父亲是哈伯恩的一名金属商。还是个孩子时，阿斯顿就用汽水瓶作为“弹药筒”制造苦味酸炸弹，设计并放飞巨大的薄纸热气球。阿斯顿终身未娶，在1908年继承去世的父亲的财产后，他滑雪、制造摩托车并参加摩托车赛、拉大提琴、环游世界。1909年，32岁的他在火奴鲁鲁停下了脚步，在那里学习冲浪，他后来将冲浪称为最美妙的运动。阿斯顿还是卢瑟福星期天在剑桥大学的戈格斯高尔夫球场打高尔夫球的惯常球友之一。正是阿斯顿在英国协会1913年的年会上宣布，在艰苦的努力后，他利用陶土管和扩散的方法分离出了氖的两种同位素。

阿斯顿最初是学化学的，伦琴发现X射线使他转向了物理学。1910年，他接受汤姆孙的邀请来到了卡文迪许实验室。正是因为汤姆孙似乎在阳极射线放电管中将氖分离成了两种组分，阿斯顿才付出艰辛的努力，试图用气体扩散法证实其差异。汤姆孙发现，通过对他的放电管施加平行的磁场和静电场，他能分离出各种原子束流。他的放电管中产生的束流不是阴极射线，他正在处理的是被正电板（带正电的阳极）排斥的“射线”。这种射线是被剥离掉电子的原子核束流：电离化的原子。它们能通过向管中引入气体来产生，或者将固体材料镀到阳极板上，在这种情况下，当放电管被抽成真空并且阳极被加载电压后，材料电离化的原子就会“沸腾”而出。

在通过磁场时，辐射束流中速率不同的原子核会偏转成彼此分离的组分束，速率上的差异体现了不同的原子核间质量的差异。组分束在静电场中做不同程度的偏转则取决于原子核的电荷，而电荷的差异反映的是它们不同的原子序数。“通过这种方法，”乔治·德海韦西后来写道，“可以证明放电管中出现了很多种原子和原子团。”

“一战”期间，阿斯顿在伦敦西南方的范堡罗皇家飞机制造公司工作，研发质地坚韧的涂料和纤维织物，用作飞机的遮盖物。他一直在努力思考汤姆孙的放电管。他想明确证明氖是存在同位素的——汤姆孙还没有信服——同时研究是否有可能分离其他元素的不同同位素。阿斯顿认为正电射线管就是答案。然而它虽然在普通的测量方面表现良好，在精确度上却无法令人满意。

1918年，阿斯顿回到了剑桥大学。此时他已经在理论上解决了这个问题，并开始建造他设想的精密仪器。这种仪器可以给气体或镀层充电，使其电离为电子和原子核，并使发射出的原子核通过前后两个狭缝，产生刀锋般的粒子细束，就像光谱仪中狭缝拦成的光束。之后，粒子束会通过一个强静电场，这将把原子核按种类分离成不同的束流。分离后的束流继续向前通过一个磁场，这一磁场将按质量进一步分离束流中的原子核，产生出分离的同位素束流。最后，按类分离的束流落在照相机的胶卷上。胶卷上有刻度，可以记录下它们的精确位置。这样，磁场使分离的束流偏转的程度——粒子使胶卷变黑的位置——就高精度地反映了其各组分原子核的质量。

阿斯顿称他的发明为质谱仪，因为它能按质量分离不同的元素以及同一元素的不同同位素，就像光谱仪按频率分离不同的光一样。质谱仪立即获得了惊人的成功。玻尔后来说，“在1920年1月和2月给我的几封信中，卢瑟福说他为阿斯顿的工作感到高兴”，这一工作“给卢瑟福的原子模型提供了一个令人信服的证明”。自然界中存在281种天然的同位素，在此后的20年间，阿斯顿确定了其中的212种。阿斯顿发现，除了氢是一个显著的例外，他测量的所有元素的原子量都非常接近整数。这为元素在本质上是简单地由质子和电子组合而成（即由氢原子组合而成）的理论提供了强有力的证据。对化学家们来说，天然元素的原子量之所以不是整数，是因为它们常常是不同同位素——它们的原子量是整数——的混合物。例如，正如他后来在一个讲座中解释的那样，阿斯顿证明，“毫无疑问，氖是由同位素氖-20和氖-22组成的，它的原子量20.2是这些同位素以大约9比1的比例混合而成的结果”。甚至连汤姆孙都对这一解释表示满意。

但为什么氢是一个例外呢？既然其他元素都是由氢原子组合而成的，为什么作为基本构件的氢原子的原子量却是1.008？当4个氢原子组合成氦原子时，为什么原子量缩减为了4，而不是4.032？为什么氦的原子量并不正好是4，而是4.002？为什么氧的原子量并不正好是16，而是15.994？这些各不相同，与整数的极小差异意味着什么呢？

阿斯顿推断，既然原子不会解体，那么说明一定有某种非常强大的力量将它们结合在一起。这种“黏合剂”现在称为结合能。要产生这种结合能，结合在一个原子核中的氢原子需要贡献出它们的一点点质量。这个质量亏损是阿斯顿根据他的整数法则将氢原子与其他元素的原子进行比较时发现的。此外，阿斯顿还认为，原子核可以结合得或紧或松。不同的紧密程度对应于大小不同的结合能，不同的结合能又对应于或多或少的质量，这就解释了那些微小的差异。阿斯顿使用了堆积系数（packing fraction）来表示所测原子量与整数之间的差异。粗略地说，堆积系数就是一个元素的原子量与整数的偏差部分除以该整数。 “高堆积系数，”阿斯顿指出，“表明结合疏松，因此是低稳定性的，低堆积系数则相反。”他绘制了一张堆积系数的曲线图，根据这张图，元素周期表广阔的中部区域的元素——如镍、铁、锡——拥有最低的堆积系数，因而最稳定，而位于元素周期表两端的元素——如位于轻的一端的氢和位于重的一端的铀——则拥有高堆积系数，因此最不稳定。他还说，在所有元素，特别是那些拥有高堆积系数、稳定性最低的元素中，都有质量被转化成了能量，紧锁在原子核中。比较氦和氢的原子量会发现，几乎1%的氢的质量消失了（4/4.032=0.992=99.2%）。“如果我们能使［氢］嬗变成［氦］，将会有1%的质量消失。根据现在已经通过实验证明的相对论质能关系［阿斯顿在这里引用了爱因斯坦的著名方程 E=mc 2 ］，这将释放出巨大的能量。因此，把一杯水中的氢变成氦，将会释放出足够的能量，驱动‘玛丽女王号’全速跨过大西洋再返回。”

在1936年做的这个讲座中，阿斯顿继续推测这种能量释放的社会后果。他说，在必要的知识的武装下，“我相信，正如普通化学家合成化合物一样，原子核化学家将能合成元素，并且，可以肯定，在某些反应中，亚原子能量将会被释放出来”。阿斯顿继续说：

我们身边的有一些人说，这种研究应该立法禁止，理由是人的破坏力已经够大了。毫无疑问，果真如此的话，那我们的史前祖先中守旧的类人猿就应该反对煮熟食物这一革新，并指出使用火这种新做法有严重的危害性。我个人认为，亚原子能量无疑是能被我们所用的，总有一天，某人会释放和控制它那几乎无穷的威力。我们不能阻止他这样做，只能希望他不要只把它用来炸飞他隔壁的邻居。

阿斯顿1919年发明的质谱仪无法将原子的结合能释放出来。但借助它，他发现了这种结合能，并发现了那些相对不稳定，如果适当处理，就最有可能释放出结合能的元素。因为这些工作，阿斯顿于1922年获得了诺贝尔化学奖。在与玻尔同届接受诺贝尔奖后——“斯德哥尔摩是我们一直梦想的城市”，常和他一起旅行的姐姐后来回忆说——他回到卡文迪许实验室，建造更大、更精密的质谱仪，并且习惯在晚间开展实验，因为据他的姐姐说，阿斯顿“特别厌恶各种人类噪声”，包括隔墙传来的谈话声。“他非常喜爱动物，尤其是猫，无论大小。他会不嫌麻烦地亲近它们，但他不喜欢好汪汪叫的那类狗。”尽管阿斯顿非常尊敬欧内斯特·卢瑟福，但这位卡文迪许实验室主任的非凡成就一定对他始终是一种考验。

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在粒子加速器方面，美国居于领导地位。美国人的机工传统曾推进了工厂和多样化的军工建设，如今也延伸到了实验室建设上。1914年，在一次拨款听证会上，一名国会议员问一名证人：“物理学家是干什么的？我在众议院发言时被问到，在通常意义上物理学家究竟是干什么的，我回答不上来。”但第一次世界大战使物理学家是干什么的这样的问题变得明显起来，使科学对技术尤其是军工技术发展的价值变得明显起来，政府支持和私人基金的支持随即接踵而至。1920年至1932年的12年间，新增的美国物理学家的人数在先前60年增长人数的基础上翻了一番。他们比年长的同行们接受了更好的训练，其中至少有50人凭借美国国家研究委员会、国际教育委员会或者新设立的古根海姆研究基金会的资助在欧洲接受过科学训练。到1932年时，美国大约有2 500名物理学家，3倍于1919年时的人数。在20世纪20年代以前，《物理评论》（ Physical Review ）——在美国物理学家中的地位就像《物理学杂志》（ Zeitschrift für Physik ）之于德国物理学家——一直被欧洲物理学界认为是一个笑话，或者最多是一份山沟沟里的出版物。但在之后的10年间，杂志的页数比此前增加了一倍以上，还在1929年扩版为双周刊。无论在剑桥、哥本哈根、哥廷根还是柏林，杂志一出版，立刻就有读者热切地浏览它。

对于美国这第一代现代科学家，心理测量学家曾经做过详细的访谈和研究，好奇地想了解这究竟是什么样的一群男人——这个群体中几乎没有女性——他们又是从什么样的背景下涌现出来的。一项研究发现，中西部和太平洋海岸的小规模文理学院是当时最盛产科学家的地方（相比之下，在同一时期，新英格兰在培养律师方面表现杰出）。在这项研究调研的物理学家中，尽管有少数实验物理学家是农夫的儿子，但有半数的实验物理学家和足足84%的理论物理家是专业人士——往往是工程师、医师和教师——的儿子。在规模最大的一项调研中，接受调研的64名科学家——包括22名物理学家——没有一人的父亲是无须技能的体力劳动者，也几乎没有物理学家的父亲是商人。几乎所有这些物理学家都或是头胎生的孩子或是长子。在所有被研究的科学家当中，理论物理学家的平均言语智商最高，集中在170上下，几乎比实验物理学家高出20%。理论物理学家的平均空间智商也最高，实验物理学家位居第二。

在上述对64名“美国最杰出的科学家”——包括22名物理学家——的研究中，研究者产生了如下这样一幅美国科学家青少年时代的组合画像：

他可能曾是一名多病的孩子，或者早年就失去了双亲之一。他有非常高的智商并且在少年时代就开始大量阅读。他往往感到孤独和“异样”。他很腼腆并且远离他的同学。他对女孩的兴趣不算强，上大学之后才开始约会。他晚婚……有两个孩子，并在家庭生活中找到了安全感。他的婚姻比平均水平更稳定。直到大学三年级甚至四年级，他才决定成为一名科学家。让他下定决心的（几乎无一例外）是一个大学项目，在这个项目中，他有机会开展一些独立的研究——自己发现东西。一旦在这类工作中找到了乐趣，他就决不会再回头了。对于自己选择的这份职业，他感到无比满意……他努力、一心一意地在实验室里工作，通常一周工作7天。他说工作就是他的生活，几乎没有什么娱乐休闲活动……电影令他厌烦。他会回避社交和政治活动，宗教在他的生活和思想中不起任何作用。与任何其他兴趣或活动相比，科学研究似乎更能满足他本性的内在需要。

显然，这些描述很贴合罗伯特·奥本海默。和当时的美国物理学界一样，这个被研究的群体中的大部分人都出身在新教家庭，另有少数人——少于在美国人口中的占比——出身在犹太教家庭，没有人出身在天主教家庭。

在一项针对加州大学伯克利分校科学家的心理学研究中，通过罗夏墨迹测验、主题统觉测验（Thematic Apperception Test） 以及访谈等手段，研究者对包括6名物理学家和12名化学家在内的共40名科学家开展了心理测验。测验发现，科学家考虑问题的方式大致与艺术家相同。研究还发现，虽然科学家和艺术家在个性方面不像在认知方面那样相似，但两个群体都同样不同于生意人。引人注目的是，在这项研究中，有近半数的科学家自己报告说，在自己还是一个孩子时，身边就没有了父亲。“他们的父亲或者死得早，或者工作远离家庭，或者与孩子关系疏远、不愿提供情感支持，这使他们的儿子几乎完全不了解他们。”那些成长过程中父亲一直都在身边的科学家将他们的父亲描述为“固执、严厉、冷漠和情感保守”。（此前的研究发现，一些艺术家中也有类似的父爱缺失，生意人中则没有这种现象。）

心理测量学家刘易斯·M. 特曼（Lewis M. Terman）指出，这些非常聪明的年轻人通常缺少父爱，并且“羞怯、孤僻”，“在社交活动中不活跃，对亲密的个人关系、团体活动以及政治漠不关心”，他们是通过某些更个人化的发现——而不是通常报道的独立研究的乐趣——找到他们进入科学的道路的。指导他们研究的往往是一名父亲般的科学教师。在这些学生的心目中，这名导师最突出的品质，排在第一位的，不是教学能力，而是“权威、和蔼以及职业尊严”。一项对200名这样的良师的研究表明：“这些教师的成功似乎主要依赖于他们以父亲的角色出现在学生面前的能力。”一名缺少父爱的年轻男性，找到了一名权威、和蔼、有尊严的代理父亲，认同他，进而仿效他。在这一过程的后续阶段中，这名独立的科学家自己又会努力成为一个名垂青史的导师。

1928年，未来将创立美国大机器物理学（big-machine physics）的人比奥本海默早一年来到了加州大学伯克利分校。欧内斯特·奥兰多·劳伦斯比奥本海默年长3岁，并且在许多方面与奥本海默正相反，是综合了美国人特点的一个极端。他和奥本海默都是高个，都有一双蓝眼睛，都被寄予厚望。但劳伦斯是一名实验物理学家，来自南达科他州草原上的小镇。他有挪威血统，父亲是地方教育官员和师范学院院长。他先后在南达科他大学、明尼苏达大学、芝加哥大学和耶鲁大学求学，获得哲学博士学位。按他的学生、后来的诺贝尔奖得主路易斯·阿尔瓦雷茨的说法，他“对数学思维抱有一种近乎厌恶的态度”。他性格外向，有些孩子气，骂人最厉害也只是“可恶！”和“哦，胡说！”，即使是在显贵聚集的加利福尼亚波希米亚园地（Bohemian Grove），身处各界名流之中也不会感到不自在。他还是一个高明的推销员，他的学费和生活费均来自他一个农场一个农场地推销铝制厨房用具。在发明精巧机器方面，他很有天赋。在父母和弟弟的陪伴下，劳伦斯开着一辆雷奥汽车公司产的“飞云”轿车从耶鲁大学来到加州大学伯克利分校，吃住都在教工俱乐部。按捺不住的雄心在燃烧——为物理学，也为他自己——他每天从清晨工作到深夜。

早在1922年，也就是劳伦斯进入研究生院的第一年，他就开始思考怎样产生高能量。他精力旺盛、慈父般的导师对他的这种努力表示鼓励。威廉·弗朗西斯·格雷·斯旺（William Francis Gray Swann）是一名英国人，先是在哥伦比亚特区私营的卡内基研究所的地磁部门做研究，之后加入了明尼苏达大学。随着他的学术地位不断升高，斯旺领着劳伦斯首先迁到了芝加哥大学，之后又转到了耶鲁大学。在劳伦斯获得哲学博士学位和一定的学术声望后，斯旺说服耶鲁大学，使劳伦斯跳过传统的四年大学讲师任期，直接担任物理学助理教授。斯旺于1926年离开耶鲁大学是劳伦斯决定迁到西部的一个原因，西部的加州大学伯克利分校为劳伦斯提供了一个副教授职位，还有一个好的实验室以及许多研究生助手供他使用，年薪3 300美元，耶鲁大学不愿意提供相同的待遇。

劳伦斯后来说，在伯克利，“我有机会回顾我的研究计划，看看我是否可以顺利地涉足原子核的研究，因为卢瑟福的开创性工作和卢瑟福学派已经清楚地表明，对实验物理学家来说，下一个重大的研究前沿无疑是原子核”。但正如阿尔瓦雷茨后来解释的那样，“卢瑟福的技术单调乏味……使许多有前途的核物理学家望而却步。简单的计算表明，如果核子具有兆级电子伏特 能量的话，那么经一微安电力加速的轻核都要比世界上镭的供应总量有价值得多”。

α粒子，或者最好是质子，能在一个放电管中产生，如果再对它们施以电排斥力或者电吸引力，就能使它们加速。要使这些粒子突破重原子核的电势垒，似乎需要上兆伏的电压，但没有人知道怎样才能在一段必要的时间内将其约束在某一位置，而不至于因火花或过热造成电击穿。问题的实质出在机械上和实验上。毫不奇怪，这个问题吸引了在小镇和农场长大，从小就在用无线电做实验的年轻一代美国实验物理学家。1925年，劳伦斯少年时代的朋友和明尼苏达大学的同学默尔·图夫（Merle Tuve）——斯旺的另一名学生，此时在卡内基研究所工作——和其他三名物理学家合作，将高压变压器浸在油中，成功实现了短暂但令人印象深刻的加速。其他人，包括麻省理工学院的罗伯特·范德格拉夫（Robert J. Van de Graaff）和加州理工学院的查尔斯·C. 劳里森（Charles C. Lauritsen），也在研究加速器的开发。

此时的劳伦斯在从事更有前景的研究，但心里仍惦记着高能问题。1929年春天，就在奥本海默到来前4个月，劳伦斯有了基本的构思。“在伯克利他最初还是一名单身汉的日子里，”阿尔瓦雷茨后来写道，“劳伦斯有很多夜晚都在图书馆里广泛阅读……获得博士学位必须通过的法语和德语考试他都只是勉强及格，因此他对这两种语言都不熟练，但他仍然一晚接着一晚认真地翻阅外文过刊。”劳伦斯的强迫症就是严重到了这样的程度。但这样的努力得到了回报。在浏览德文的《电工学进展》（ Arkiv für Elektrotechnik ）时——这是物理学家很少阅读的一份电气工程学杂志——劳伦斯碰巧读到了挪威工程师罗尔夫·维德勒（Rolf Wideröe）发表的一篇论文《关于产生高电压的一个新原理》。这个标题吸引住了他。他研究了论文中附的照片和插图。这些内容已经把原理解释得足够清楚了，使劳伦斯可以着手行动，不用烦心费力地阅读整篇正文。

维德勒深入地阐释了一名瑞典物理学家在1924年确定的一个原理，并找到了一种巧妙的方法来避开高电压问题。他将两个金属圆筒排成一条直线，连上电压电源，并抽空圆筒里的空气。电压电源提供25 000伏的高频交流电，这种电流的方向会不断快速地切换。这意味着它既能被用来“推”正离子，也能被用来“拉”正离子。给第一个圆筒加载-25 000伏的电压，将正离子注入一端，当正离子离开第一个圆筒向第二个圆筒运动时，它们将被加速到25 000伏 。之后，改变加载的电压，使第一个圆筒带正电压，第二个圆筒带负电压。这样，在第一个圆筒“推”和第二个圆筒“拉”的共同作用下，正离子将被进一步加速。增加更多的圆筒，每一个比上一个长，就可以使这些离子不断加速。理论上，你可以让它们一直加速，直到它们从中心位置向外散射得很远，撞到圆筒的筒壁为止。维德勒的重要创新在于使用相对小的电压使粒子不断加速。“这个新想法，”劳伦斯后来说，“立即给我留下了深刻的印象，这是我一直在试图解决的加速正离子的技术问题的真正答案。没有更仔细看这篇论文，我立即就估算出了能将质子加速到一兆［伏］以上能量范围的直线加速器的大体特征。”

但劳伦斯的计算立刻让他气馁了。这种加速器的管子将“有好几米长”，他认为对实验室来说这太长了。（今天的直线加速器长度可超过2英里。）“因此，我问了自己一个问题，是否有可能不使用排成一条直线的大量圆筒形电极，而是通过向两个电极配置某种合适的磁场，让正离子不断往复地通过这两个电极？”劳伦斯构想的这种配置是一个螺旋。“他几乎立刻就想到了这种策略，”阿尔瓦雷茨后来写道，“可以通过施加一个磁场，将直线加速器‘卷’成回旋加速器。”因为在这样一个场中，磁力线会导向离子的运动。提供一个适时的推动力，粒子将会做螺旋状回转。随着粒子不断被加速，螺旋将不断变大，因而变得难以限制在一定范围内。在对磁场效应做了一些简单的计算后，劳伦斯揭示了回旋加速器一个意外的优势：在磁场中，慢速粒子完成它们较小的回环与快速粒子完成它们较大的回环所需的时间精确相等，这意味着借助每一个交替变换的推动力，这些粒子可以一起被高效地加速。

兴高采烈的劳伦斯想将这一想法立即告诉全世界。教工俱乐部一个还没睡的天文学家被拉来验算他的数学。第二天，劳伦斯向他的一名研究生大谈回旋加速器的数学，却对他的论文实验没有表现出丝毫兴趣，这令这名研究生大感吃惊。“哦，这个，”劳伦斯告诉这名困惑的学生，“嗯，对于这些问题，你现在的了解和我一样多，你只管自己向前努力就是了。”第二天傍晚，在穿过校园时，一名教员的妻子与这名年轻的实验物理学家擦肩而过，听到一声惊呼：“我要出名了！”

之后，劳伦斯去了东部参加美国物理学会的一个会议。他发现同行中认同他想法的人并不多。这个想法没有让机械师们感到兴奋，他们认为散射问题看来是无法克服的。默尔·图夫也持怀疑态度。劳伦斯在耶鲁大学的同事和密友杰西·比姆斯（Jesse Beams）认为，如果它能运转起来就会是一个好主意。尽管劳伦斯以行动果敢著称，但也许是因为没有人鼓励他，也许是因为这个主意虽然在他的头脑中很清晰确定，但实验台上的机器却没那么可靠，他不断推迟建造他的回旋粒子加速器。在那些雄心勃勃，发现自己离登顶辉煌未来之巅只差一步的人中，劳伦斯并不是第一个。

1929年夏末，与弗兰克在桑格雷-德克里斯托山的洛斯皮诺牧场共度了一个假期后，奥本海默开着一辆破旧的灰色克莱斯勒轿车来到了加州大学伯克利分校。（这个牧场现在的名字叫Perro Caliente，在西班牙语中的意思是“热狗”。当奥本海默了解到这片土地可以出租时，他也是这样欢呼的。） 他吃住都在教工俱乐部，并且与劳伦斯这个性格完全相反的人成了密友。在劳伦斯身上，奥本海默看到了“难以置信的活力和对生活的热爱”，他“整天工作，外出打网球，继续工作到深夜。他的兴趣如此活跃而实际，与我截然相反”。他们常常一起骑马，劳伦斯穿着马裤，在美国西部的这片土地上，却使用英式马鞍 。奥本海默认为这是劳伦斯在努力和与农场有关的一切保持距离。当劳伦斯有空可以外出时，他们会开着劳伦斯的“飞云”轿车到约塞米蒂国家公园和死亡谷旅行。

来自汉堡大学的杰出实验物理学家、未来的诺贝尔奖获得者奥托·斯特恩（Otto Stern）为劳伦斯提供了必要的鞭策（尽管劳伦斯后来先于斯特恩获得诺贝尔奖） 。斯特恩时年41岁，在布雷斯劳大学获得博士学位。圣诞假期后的某个时候，劳伦斯和斯特恩惬意地乘船摆渡过当时还没有桥的旧金山湾，去旧金山就餐。劳伦斯又把他关于粒子在约束磁场中旋转加速到无限能量的早已讲熟的故事讲了一遍。斯特恩没有像许多其他同行那样先是斯文地咳嗽，然后改变话题，而是以德国人的方式拿出了劳伦斯最初的那种热情，对着劳伦斯大吼，让他立即离开餐馆，回去投入工作。劳伦斯得体地等到了第二天早晨，然后逼着他的一名研究生，让他在完成博士考试备考后就立即投入这一项目。

以下是这种仪器最终的俯视和侧视图：

维德勒加速器的两个圆筒变成了两个黄铜电极，形状像被劈成两半的圆柱形量筒。电极安装在一个真空室中，而真空室则安装在大电磁铁圆形、扁平的磁极之间。

在两个电极（由于形状酷似字母D，它们后来被称为D形盒）之间的空间，中心点的位置，一根加热的细丝和一个氢气出口一同作用，产生进入磁场的质子。两个D形盒交替充电，在质子环绕通过时对它们“推拉”加速。在这些粒子被加速了大约一百个螺旋环路后，它们会以粒子束的形式被引出，射向一个标靶。1931年1月2日，使用一个4.5英寸的真空室和加在D形盒上不足1 000伏的电压，劳伦斯和他的学生M. 斯坦利·李文斯顿（M. Stanley Livingston）产生了80 000伏的质子。

当李文斯顿考虑移去安装在两个D形盒间隙中的精细金属丝网格时——安装网格的目的是避免加速电场影响内部的漂移空间——低加速情况下的散射问题自行解决了。D形盒边缘之间的电场突然开始像透镜一样起作用，通过将粒子转向返回到中间平面来聚焦回旋运动的粒子。“这之后，强度变成了原来的100倍。”李文斯顿后来回忆说。但这种效应太弱了，无法约束速度较高的粒子。李文斯顿因此将注意力转向了磁约束。他怀疑较高速度的粒子束会散开是因为磁铁的极面不完全平整，这种不均匀性导致了磁场的不规则性。根据劳伦斯和李文斯顿在《物理评论》上的记述，李文斯顿冲动地将几片铁箔裁剪成“感叹号形状”的小垫片，试探性地将这些垫片插入磁极面和真空室之间，以纠正偏差。通过这样调校磁场，他们将“ 放大系数 …… 从大约75提高至了大约300 ”（劳伦斯在论文中特地用了斜体来表达成功的喜悦）。1932年2月，利用一个11英寸的加速器，结合电聚焦和磁聚焦，劳伦斯和李文斯顿产生了兆伏级的质子。那时，这种仪器已经有了一个绰号，劳伦斯将于1936年用它作为这种仪器的正式名称：回旋加速器。甚至在发表于1932年4月1日的《物理评论》上的正式科学论文中，劳伦斯也难掩他对这种新仪器科学前景的热望：

假设电压放大率为500，那么要产生25 000 000伏［！］的质子就需要对加速器施加波长为14米的50 000伏的电压。因此，需要分别给两个加速部件施加25 000伏的对地电压。这是完全可以办到的。

为此，磁铁得有80吨重，这比当时物理学领域使用的任何机器都重。此时的劳伦斯已经升为正教授，并开始筹集资金了。

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奥本海默在欧洲读研究生的时候告诉过一个朋友，他梦想在美国建立一个理论物理学的伟大学校。（后来证明是在伯克利，新墨西哥州之后他选择的另一个沙漠。） 劳伦斯似乎梦想过要建立一个高级实验室。两人都以各自的方式渴望成功，但驱动他们的力量各不相同。

奥本海默早年过于挑剔的特点在他求学欧洲以及初至伯克利的那段日子里逐渐演变成了一种令人钦佩的雅致，但他有时仍显得有些过于敏感。奥本海默为自己塑造这样的形象，至少一部分原因是他对庸俗的厌恶，这种厌恶可能源于他对自己的企业家父亲的反叛，也不乏反犹的自我憎恨因素。在这个过程中，他日渐认为雄心以及世俗成就是庸俗的，每年高达一万美元的信托基金收益进一步加深了他的这一信念。这让他困惑于自己的奋斗目标。美国实验物理学家I. I. 拉比后来发问，为什么“那些拥有奥本海默一样才华的人还没有把这个世界上所有值得发现的东西都发现完”。拉比的回答说出了一种可能的限制根源：

从某些方面看，我认为奥本海默在一些领域受到的教育过多了。这些领域是处于科学传统之外的，比如，他对宗教，特别是对印度教的兴趣。这导致了一种对宇宙的神秘感，这种神秘感几乎像雾一样笼罩着他。他对物理学有清晰的认识，关注已经完成的发现。但在那些边缘地带，他往往会感到存在更多的神秘和新颖之处，而事实上并没有那么多……有人或许会把这称为缺乏信仰，但在我看来，这更像是从理论物理学艰深、粗糙的方法转向了一个宽泛直觉的神秘主义领域。

但奥本海默对他认为庸俗的东西、对拉比提到的那些“艰深、粗糙的方法”的反感，必定是另一种更直接、更痛苦的困惑。从外行的角度来看，如果用台球术语来形容，奥本海默优雅的物理学——非数学工作者几乎不可能读懂他的科学论文，而且他是有意如此——是一种翻袋式的物理学。他会利用球台的边角和整个球台，让球反弹落袋，而不是让球直接落袋。沃尔夫冈·泡利以及勤奋、不好与人交往的剑桥大学理论物理学家保罗·狄拉克（Paul A. M. Dirac） ——尤金·维格纳的妹夫——这两位有着强大独创力的数学家是他的榜样。奥本海默是第一个描述所谓量子隧穿效应的人，在这种效应中，一个位置具有不确定性的粒子能以微弱的概率穿过原子核周围的电势垒：先以粒子的形式在电势垒的一侧存在，然后湮灭，并立即在另一侧恢复存在。但乔治·伽莫夫（George Gamow） ——一名在剑桥大学讲学的滑稽的苏联物理学家——提出了实验物理学家可以使用的隧穿效应方程。20世纪30年代末，汉斯·贝特首先提出了恒星内发生的碳循环热核反应机制，他后来也因为这一工作获得了诺贝尔奖。奥本海默则研究了不可见的宇宙边界的微妙之处，提出了垂死恒星的内爆坍缩模型，并描述了一些虽然在理论上可能存在，但要三四十年后才会被发现的天体——中子星和黑洞——因为射电望远镜和X射线人造卫星等探测它们所需的仪器都还没有被发明出来。（阿尔瓦雷茨相信，如果奥本海默能活到这些进展实现的时代，他将会因为他的工作获得诺贝尔奖。）与其说这种独创性领先于时代，不如说是走出了既定的框架。

在1932年3月给弟弟弗兰克的一封信中，奥本海默附了一篇自己写的短文。在这篇有关律己美德的短文中，这种心理和创造性的纠葛贯穿始终。当时的奥本海默还不到28岁。这篇短文值得全文引用，它展示了奥本海默长期以来希望用以净化自己灵魂中任何粗俗污点的自我惩戒式的忏悔：

你提出了一个有关律己美德的难题。你说得对，我确实重视它，而且甚于它的世俗成果——伴随律己而来的精进。我想你也一样。我认为我们只能给出一个形而上学的理由来解释这种评价。然而可以回答你的问题的形而上学解释太多样了，而且彼此全然不同：《薄伽梵歌》、《传道书》、斯多葛哲学、法律的起源、圣维克托的休格、圣托马斯、圣十字若望、斯宾诺莎。这种巨大的差异表明，律己有益灵魂这一事实比任何为它的益处给出的理由都更为根本。我相信，通过律己，尽管并非仅仅通过律己，我们能获得心绪的宁静，从造物的偶然中获得少量但弥足珍贵的自由，获得博爱，获得一种超脱，这种超脱能保护被它弃绝的世界。我相信，通过律己，我们能学会在越来越不利的逆境中保有那些使我们感到幸福的最至关重要的东西，能学会坦然地放弃那些似乎不可或缺的东西。我相信，我们将能够以不受个人私欲扭曲的眼光审视这个世界，并且在这个过程中更容易接受尘世的贫瘠和恐怖。虽然我相信律己的回报比它的直接目标更大，但我不希望你认为没有目标的律己是可能的：就其本性而言，律己要求灵魂服从于某个或许次要的目的。如果这种自律不是虚假的，那么这样的目的就一定是真实存在的。因此，我认为我们应该抱着深深的感激之情去迎接所有那些激发律己的事物，如学习、我们对人类和社会的责任、战争、个人的苦难，甚至生存的需求等等。因为只有通过它们，我们才能获得最起码的超脱，只有这样我们才能获得宁静。

劳伦斯的表达能力远不如奥本海默，但也有力量在猛烈地驱动着他。问题是，究竟是什么在驱动着他。大约与奥本海默写下那篇短文同时，劳伦斯在给弟弟约翰的一封信中袒露过这样一段心迹：“听说你有一段时间情感抑郁，对此我很感兴趣。我也常常会有——有时没有一件事情称心如意——但现在已经习惯了。我能预计到这种沮丧，并且学会了忍受它们。当然，缓解它们的最好办法是工作，但在这样的状态下，有时是很难工作的。”工作只是一种“缓解”的办法，无法彻底解决问题，这暗示了这种抑郁有多严重。劳伦斯在默默地忍受，有几分躁郁：他保持工作，以使自己不陷进去。

对于所有这些情感上的麻烦——奥本海默和劳伦斯是如此，他们之前的玻尔等人，以及之后的一些人也是如此——科学提供了一个避风港：在发现中维护世界。那些用罗夏测验和主题统觉测验研究伯克利的科学家们的心理学家发现，“对体验（往往是感官体验）罕见的敏感”是科学上创造性发现的开始。“伴随这种高敏感度而来的，是思维中对问题里相对不重要或离题的方面的高度警觉。这会使［科学家］假定并寻找那些通常不会被单独挑出来探究的事物的重要意义。这将激励高度个性化甚至自我中心的思维方式。”想想卢瑟福那可能性微乎其微，有关α粒子被反弹回来的直觉，海森伯记起爱因斯坦一句并不引人注意的评价，进而得出结论，大自然只会按与他的数学和谐一致的方式运作，劳伦斯强迫症般地翻阅晦涩的外文杂志，就会发现情况无不如此：

如果不是在科学工作的框架内，这种思维会被认为是妄想症。但在科学工作中，创造性思维要求看到以前没看到过的东西，或者用以前没有想到过的方式去看。这需要跳出“正常”的立场，冒险脱离现实。妄想症患者的思维和科学家的思维并不相同，两者的差异源自科学家有能力和意愿通过科学建立的检验和权衡体系来考察他的幻想或者他提出的宏大概念，并且放弃那些被科学检验证明不正确的想法。正是因为科学为控制和限制妄想性思维提供了这样一个规则和规范的框架，科学家得以放心地进行他们妄想般的思维跳跃。如果没有这种结构，这种不合现实、不合逻辑、甚至怪诞的思维对整个思想和人格结构的威胁将会太大，不允许科学家享有这种幻想的自由。

站在科学的前沿，站在真正新东西的门槛上，这种威胁常常几乎是压倒性的。因此，卢瑟福震惊于被回弹的α粒子：“这是我一生中遇到的最难以置信的事件。”同样，当海森伯构想出量子力学时，他“深感警觉”，透过“原子现象的表面”看到“一种拥有奇特之美的内部”的幻觉让他感到晕眩。同样还有1915年11月，当爱因斯坦意识到他独自苦心研究发展的广义相对论解释了水星轨道反常的现象时——天文学家们超过50年来一直无法解释这一现象——他的那些极端反应。爱因斯坦的传记作者、理论物理学家亚伯拉罕·派斯后来下结论说：“我相信，这一发现是爱因斯坦在他的科学生涯中，也许是他的一生中，最强烈的情感体验：大自然和他说话了，他一定是对的。‘几天来，我激动得都快得意忘形了。’他后来告诉［一个朋友］，他的发现使他心悸。关于他的反应，爱因斯坦告诉［另一个朋友］的甚至比心悸还要强得多：当他发现自己的计算结果与这一尚无法解释的天文观测结果相符时，他真切地感到有某种东西在他的头脑中噼啪作响。”

这种情感风险的补偿可以很大。对科学家来说，在发现的那一刻——存在性最不稳定的那一刻——外部世界，大自然本身，深深地证实了他内心最深处的奇幻信念。向这个世界突然抛下铁锚，利维坦 在他的锚钩上喘息，通过对现实最深刻的断言，他得以从极端的精神紊乱中解脱出来。

玻尔深谙这一机制，并且有勇气将其转化成一种检验工具。据奥托·弗里施回忆，在一次讨论中，有人告诉玻尔讨论的问题让他感到头晕，试图以此改变话题，玻尔对此回应道：“但如果有人说在思考量子问题时他不会头晕，那么只能说明他完全不懂量子问题。”很多年后，奥本海默告诉一群听众，有一次，玻尔听泡利谈一个新理论。因为这个新理论，泡利那段时间受到了攻击。“最后，玻尔问：‘这真的够疯狂了吗？量子力学确实很疯狂。’泡利说：‘我希望如此，但或许还不够。’”对于做出发现所必需的疯狂，玻尔的理解可以解释为什么奥本海默有时会发现自己无法孤身进入那些状态还近乎原始的研究领域。要做到这一点，需要在性格深处有一种坚韧甚至霸蛮，玻尔和劳伦斯性格迥异，但都习得或者被赋予了这一特征，而奥本海默却不幸缺乏这一点。他似乎更适合从事其他工作：就目前而言，建造他梦寐以求的理论物理学校。

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1920年6月3日，欧内斯特·卢瑟福在伦敦英国皇家学会做了贝克尔讲座（Bakerian Lecture） 。这是他第二次应邀做这一著名讲座。利用这次机会，他概括性地总结了科学界当时对“核结构”的理解，讨论了他在上一年成功实现的氮原子的嬗变——这类回顾是这种正式的公众活动的常态。但他还做了一件不同寻常且颇具预见性的事：推测了除电子和质子之外，原子还有第三种主要组分的可能性。他谈到了“可能存在一种质量为1而核电量为0的原子”。卢瑟福认为，这样一种原子结构似乎并非不可能。他猜想，这不会是一种新的基本粒子，而是已知粒子的一种组合，一个电子和一个质子紧密结合，构成一个单一的电中性的粒子。

“这样一个原子，”卢瑟福继续用他惯常的敏锐说，“会有非常新奇的特性。除了很靠近核的地方外，它的外［电］场实际上是0，因此它应该能穿过物质自由地运动。它的存在性可能难以用分光仪探测到，或许也不可能将它限制在一个密封的容器里。”这些可能是它的特性。以下则将是它独特的用途：“另一方面，它应该能够比较容易进入原子结构，可能不是与原子核融合，就是在原子核强烈的场的作用下解体。”如果存在这样一种电中性的粒子——中子——那么它可能将是探究原子核最有效的工具。

卢瑟福的助手詹姆斯·查德威克听了这次讲座，并且认为有理由持不同的看法。查德威克当时29岁。他在曼彻斯特大学接受过科学训练，之后追随卢瑟福来到了剑桥大学。当时的他已经颇有成就，他的两个同事写道，作为一名年轻人，他的成就“不亚于莫塞莱”。但“一战”期间，他一直被关在一个德国拘留营，直至战争结束。这损害了他的健康，也让他感到永无休止的无聊，他渴望推动核物理这门新兴学科的研究进展。一种电中性的粒子将会是一个奇迹，但查德威克认为，卢瑟福推断其存在的证据不够充分。

那年冬天，查德威克发现自己错了。卢瑟福当时邀请他加入一项研究，试图将氮嬗变的结果推广到较重的元素上。通过开发出一台能聚更多光的显微镜并使操作流程更为紧凑，查德威克改进了闪烁计数法。查德威克也懂化学，因此或许还帮助排除了可能的氢污染问题。这是一个一直困扰卢瑟福，挑战着氮嬗变研究结果的问题。“但我也认为，”查德威克在很多年后的一次纪念性讲座中说，“他想要有人陪伴他排遣在黑暗中计数的沉闷乏味，并倾听他精神饱满地演唱《信徒精兵歌》。”

“在实验前，”查德威克有一次告诉一名采访者，“我们必须在实验观察前先适应黑暗，让眼睛适应过来。屋里有一个大包厢，当卢瑟福的个人助手和技师克罗准备仪器装置时，我们就待在里面。也就是说，克罗从镭室取来放射源，将它放入仪器中，抽空仪器中的空气，或者用某些物质充满仪器，然后将各种源放入，按我们的计划设置好实验装置。这期间我们就坐在这个黑暗的房间，这个暗箱里，大约半小时。当然，我们会聊天。”谈论的话题包括卢瑟福的贝克尔讲座。“那时我意识到，那些我怀疑完全错了的观察结果——后来也证明确实错了——与他提出的中子概念没有关系，完全没有。他只是把中子的想法与这些观察结果联系在了一起，因为这个想法已经在他的脑海中驻留很长一段时间了。”

大多数物理学家都满足于电子和质子间看似完全的对称性，一个带负电，一个带正电。在原子之外——例如，在通过一个放电管的被剥离了电子，离子化的物质束流中——或许只需要两种基本的原子组分就足够了。但卢瑟福一直在思考每种元素是如何组合而成的。“他问自己，”查德威克在上述采访中继续说，“不断问自己，原子是如何组合而成的，究竟该怎样弄清楚这一点。当时普遍的想法是，质子和电子是原子核的组分……你究竟怎样才能用一个大的正电荷构造出一个大的原子核？答案就是存在一种电中性的粒子。”

从元素周期表中最轻的元素氢到最重的元素，原子序数——核电荷数，也就是质子数——与原子量的差异在不断增大。氦的原子序数为2，但它的原子量是4；氮的原子序数是7，但它的原子量是14；一直向前，这种差异在不断增加：银的原子序数和原子量分别是47和107；钡的是56和137；镭的是88和226；铀的是92和235或238。当时的理论提出，这种差异是由额外的核内质子造成的，但这些额外的质子与核电子紧密结合，因此其电荷被中和掉了。但当时已经有充分的实验表明，核有确定的最大尺寸，而且随着原子序数和原子量的增加，原子核内能够容纳所有额外电子的空间似乎越来越少。这个问题由于20世纪20年代量子理论的发展而变得更加严重。根据量子理论，如此紧密地约束电子这样轻的粒子需要巨大的能量，当原子核被扰动时，这些能量应该会显露出来，但从未有研究观察到这种现象。原子核中存在电子的唯一证据是它有时会释放β粒子——高能电子。这算得上是原子核中存在电子的一个证据，但由于其他太多难于解释的现象，这个证据还不够。

“因此，”查德威克最后说，“就是这些交谈使我确信一定存在中子。唯一的问题是，要找到它存在的证据是何等困难……这是在我能够作为兼职开始做这些实验后不久的事情。［卡文迪许实验室的］工作很忙，我几乎没有空闲时间，卢瑟福的兴趣偶尔会复燃，但仅仅是偶尔而已。”查德威克将在卢瑟福的祝福下寻找中子，但实验工作的挫折往往由他一个人承担。

寻找一种通过物质时可能很少会留下踪迹的粒子无疑是一种挑战，但对于这一挑战，查德威克有非常适合的性格。他是个腼腆、宁静、恪尽职守和踏实的人，他本身就有些像中子。卢瑟福甚至觉得有必要责备他，因为虽然他将关照和教育卡文迪许实验室的“男孩”们视作自己的首要职责，但他给他们的关心太多了。马克·奥利芬特后来回忆说：“利用他支配的非常有限的材料和资金，查德威克确保研究生们能够获得他们需要的设备。”如果说他初看起来好像“不苟言笑”，那么随着时间的推移，“一个宽厚、助人为乐、慷慨大方的人就逐渐浮现了出来”。奥托·弗里施说，查德威克往往“将他的善意隐藏在生硬的外表后面”。

这一外表是保护性的。查德威克瘦高个、深肤色、前额高耸、薄嘴唇、鹰钩鼻。他的两名传记作者和同事说：“他嗓音低沉，一脸标志性的暗笑，还有一股冷幽默。”查德威克1891年出生在曼彻斯特以南柴郡一个叫伯灵顿的村子里。当他还是一个小孩的时候，他的父亲就离开农村的家到曼彻斯特开了一家洗衣店，看来查德威克是祖母带大的。他16岁时报考并赢得了曼彻斯特大学的两份奖学金，他保留了其中一份并进入这所大学学习，甚至在英国的教育体系内，这个年龄都是偏小的。

他打算学数学。入学面试在一个宽大而拥挤的大厅里公开进行。查德威克排错了队。当他开始回答讲师的问题时，他才意识到被问到的是物理学课程的问题。他太胆怯了，没能为自己排错队做解释。但他对那名物理学讲师产生了好感，因此决定就学物理。上大学的头一年，他感到遗憾，他的传记作者写道：“物理课人很多，而且很吵。”第二年，在听了卢瑟福关于他早年在新西兰开展的实验的讲座后，他便决定全心投身物理学。第三年，卢瑟福给了他一个研究课题。他的腼腆再次使他不知所措，这一次对他职业生涯的影响几乎是致命的：他在卢瑟福介绍给他的程序中发现了一个问题，但没有勇气将它指出来，卢瑟福则认为是他没有发现这个问题。最终，老师和“男孩”消除了误会，查德威克于1911年以第一等荣誉从曼彻斯特大学毕业。

他继续留下来攻读硕士学位，和A. S. 拉塞尔一起工作，接着做盖革、马斯登、德海韦西、莫塞莱、查尔斯·G. 达尔文和玻尔在那些多产的年月里的研究工作。1913年，在获得科学硕士学位后，他赢得了一项重要的研究奖学金，这要求他转去其他实验室，以拓宽他的训练。那时盖革已经回到了柏林，于是查德威克去了盖革那里。那段时间里，查德威克相当愉快。盖革把他介绍给了周围的人，这使查德威克与爱因斯坦、哈恩、迈特纳以及许多在柏林的科学家都熟悉起来。然而，战争中断了这一切。

盖革较早就被作为预备役军官征召走了，他离开时留给了查德威克一张200马克的个人支票。查德威克的许多德国朋友劝他马上离开德国，但其他人说服他等一等，避免沿途遇到运输部队的军列的危险。8月2日，查德威克试图从柏林的库克旅行社买一张途经荷兰回家的车票。旅行社建议他改道瑞士，但查德威克的朋友们还是觉得有风险。他再次接受了他们的劝告，住下来等待。

此时，一切都晚了。他和一个德国朋友一起被捕，原因是颠覆性言论——在歇斯底里的民族主义的头几周里，仅仅说几句英语就算是参与了颠覆活动。到盖革实验室的同事们设法使他获释时，他已经在柏林的监狱里焦虑地待了10天。一出狱，他就返回实验室，直到混乱过去，秩序再度恢复。但德皇政府伺机发布了指令，要求战争期间将所有在德国的英国人都拘禁在拘留营。

查德威克被拘禁在施潘道 附近鲁赫本的一个赛马场（鲁赫本在德语中的意思是“宁静的生活”）。查德威克和另外5个人被关在一间为两匹马设计的马厩里，此时的他一定想起了《格列佛游记》中格列佛的经历。 冬天，他必须不断跺脚，直到时近中午它们才会暖和起来。他和其他被拘留者组成了一个小的科学协会，甚至设法进行实验。查德威克在鲁赫本饥寒交迫而又宁静的生活持续了漫长的4年。他日后说，他充分利用了这段时间，使自己真正成熟起来。“一战”停战后，查德威克回到了曼彻斯特，此时的他患上了严重的消化道疾病，口袋里只剩11英镑。至少他还活着，不像可怜的莫塞莱。卢瑟福接纳了他。

20世纪20年代，查德威克在卡文迪许实验室做了一些寻找中子的实验。按他的说法，这些实验“是近乎绝望的尝试，非常牵强，简直就像炼金术时期所做的事情”。查德威克和卢瑟福当时都认为——正如卢瑟福在贝克尔讲座中想象的那样——中子是质子和电子紧密结合的产物。因此，他们想出了各种方法来处理并研究氢——比如，放电引爆它，找出宇宙射线对它产生的效应等——希望从宇宙早期就一直稳定的氢原子会在他们手中坍缩成中性粒子。

但面对他们的诱骗，这种电中性的粒子拒不现身，原子核也抗拒他们的轰击。查德威克后来回忆说，卡文迪许实验室“经历了一段相对平静的时期，做了许多有趣和重要的工作，但都是进一步证实已有发现的工作，不是发现性的工作，尽管做了各种尝试，但仍没能找到通往新领域的途径”。他还补充说，“原子核的新结构的问题可能真要留给下一代人了，正如卢瑟福曾说过，许多物理学家一直认为的那样”，并说卢瑟福“有些失望，因为要发现任何真正重要的东西实在太难了”。在原子核研究停滞不前时，量子理论蓬勃发展了起来。在1923年的英国协会年会上，卢瑟福有理由乐观地呼喊：“我们正生活在物理学的英雄时代！”但在1927年的一篇有关原子核的论文中，他有一点缺乏自信。他写道：“甚至对最轻、可能也最简单的原子的结构，我们能做的也只是猜测。”尽管如此，他还是提出了一种结构：在原子核内，有电子围绕着原子核中的质子做轨道运动。换句话说，一个原子处于另一个原子之中。

他们还有其他工作需要做。事后看来，这些工作是必要的准备。探测辐射的闪烁法已经达到了它的效率极限：当计数率大于每分钟150次或小于大约每分钟3次时，这种方法就不可靠了，而此时的原子核研究已经触及了这两个范围。卡文迪许实验室和维也纳镭研究所一项实验结果上的不一致甚至使卢瑟福也确信有求变的必要。在这项研究中，维也纳镭研究所重复了卡文迪许实验室的轻元素轰击实验，发表了完全不同的结果。更糟的是，维也纳的物理学家们将这一差异归因于卡文迪许实验室的设备不如他们的设备精密。查德威克辛苦地重新做了实验，他把硫化锌直接镀在一台特制的显微镜的目镜上，这极大地亮化了视场。这些实验结果证实了卡文迪许实验室此前的计数结果。查德威克随即去了维也纳。他的传记作者写道：“他发现，闪烁计数是由三个年轻女子完成的——人们认为，女人不仅眼力比男人好，而且在计数时很少分心！”在观察了这几个年轻女子的工作后，查德威克意识到，由于她们知道实验期望的结果是什么，她们下意识间计入了并不存在的闪烁，从而得出了与她们的期望相符的结果。为了测试这几个女性技师，查德威克不加解释地让她们做了一个她们不熟悉的实验。这一次，她们的计数与他自己的结果相符。维也纳镭研究所随即为这次风波致歉。

汉斯·盖革和其他一些人重新开始使用他和卢瑟福在1908年一起发明的电计数器，还改进了这一装置。改进后的盖革计数器实质上是一根悬挂在充气管中的带电导线，充气管上有一个薄薄的覆盖窗，以便带电粒子进入管内。进入管内后，带电粒子会使气体原子电离。从气体原子剥离出的电子会被吸引到带正电的导线上，从而改变导线中的电流值。这一变化会以电脉冲的形式流过放大器，转换为一种声音——通常是“咔嗒”声——或者在示波器类似电视的屏幕上显示为光迹线的一次波动。这种电计数器不仅能够持续使用，而且在物理学家凝视闪烁屏时易出错的极限范围外也能计数。但早期的计数器有一个显著的缺点：它们对γ辐射非常敏感——远比硫化锌敏感——而卡文迪许实验室用作α粒子源的镭化合物会释放出大量的γ射线。玛丽·居里1898年发现并以她的祖国波兰命名的放射性元素钋可以是一种极好的替代物。这是一种极佳的α粒子源，γ射线的本底强度只有镭的十万分之一，因此使电计数器过载的可能性非常小。不幸的是，钋很难获取。1吨铀矿石中仅含大约0.1克钋，对于商业性分离来说，这样的含量太少了。事实上，钋只是作为镭放射性衰变的一种副产物来获取，而镭也很稀少。

在那些年，查德威克也有时间从战争的凄凉中恢复过来，在个人生活上有所进展。1925年，他与艾琳·斯图尔特-布朗（Aileen Stewart-Brown）结婚。艾琳出身于利物浦一个世代行商的家庭。查德威克当时住在冈维尔与凯斯学院（Gonville and Caius College），此时，他打算建造一座永久的住宅。一年后，在住宅修建的中途，卢瑟福请查德威克和卡文迪许实验室的另一名研究者参与修订一本卢瑟福关于放射性的旧教科书。查德威克在晚间投身于这项工作，在一个临时租来的透风的房间里，他裹紧外套，将写字桌移近壁炉，修订教科书。当火焰快要烧尽时，他甚至戴上手套继续工作。

在20世纪20年代的末尾，卢瑟福夫妇遭遇了一场家庭灾祸。他们的女儿艾琳当时29岁，已经是3个孩子的母亲。她的丈夫R.H. 福勒（R. H. Fowler） 是一名理论物理学家，此时仍在卡文迪许实验室工作，坚守着理论物理这一脉。这一年，艾琳产下了第4个孩子，但1周后，12月23日，艾琳被致命的血栓夺去了生命。A.S. 伊夫写道：“卢瑟福珍爱的独生女的死使他一下子看上去苍老了许多，背也弓了许多。他带着勇气继续工作和生活，他生命中的乐趣之一就是他的外孙和外孙女，一共4个。每当谈起他们时，他的脸上总是洋溢着光芒。”

在1931年的新年荣誉榜上，卢瑟福被升为男爵，这一年，他步入了60岁。他的纹章 的上方站着一只几维鸟，一个代表赫尔墨斯·特利斯墨吉斯忒斯（Hermes Trismegistus）的人在右，一个手持棍棒的毛利人在左，扶着纹章中的盾形徽章。特利斯墨吉斯忒斯据说是埃及的智慧之神，写了一本炼金术的书籍。两条将他的盾形徽章分为四个区域的交叉曲线代表的是放射性的产生和衰变，是这些活动使每一种放射性元素及其同位素拥有其独特的半衰期。

大约在1928年，一个名叫瓦尔特·博特（Walther Bothe）的德国物理学家——在埃米利奥·塞格雷看来，他是“当之无愧的物理学家中的物理学家”——和他的学生赫伯特·贝克尔（Herbert Becker）开始研究用α粒子轰击轻元素激发的γ辐射。他们研究了从锂到氧的轻元素，还研究了镁、铝和银。由于他们研究的是从靶激发的γ辐射，因此他们希望本底的γ射线尽量小，使用了钋放射源。“我不知道［博特］是怎样弄到他的钋放射源的，”查德威克感到很困惑，“但他确实弄到了。” 莉泽·迈特纳从威廉皇帝研究所慷慨地给查德威克寄来了一些钋，但太少了，查德威克无法开展像博特那样的工作。

两名德国科学家发现，正如他们或多或少预期的那样，在α粒子的轰击下，硼、镁和铝激发产生了γ辐射，因为α粒子的轰击使这些元素的原子解体了。但他们出乎意料地发现锂和铍也激发产生了γ辐射，而在这些反应中，α粒子的轰击并没有使这些元素的原子解体。“事实上，”查德威克在卡文迪许实验室的同事诺曼·费瑟（Norman Feather）写道，“在轰击铍时，辐射……的强度几乎是任何其他被研究元素的10倍。”这太奇怪了。同样奇怪的是，铍在α粒子轰击下产生这种强辐射时却没有释放出质子。1930年8月，博特和贝克尔简要地报道了他们的结果，并在12月更全面地介绍了他们的发现。他们用铍激发出的辐射比轰击用的α粒子的能量更多。根据能量守恒定律，这些多出的能量必须要有一个能量来源。他们提出，尽管没有质子出现，那些额外的能量还是来自原子核的裂变。

查德威克让他的澳大利亚研究生H. C. 韦伯斯特（H. C. Webster）着手研究这些反常结果。不久后，一个法国小组开始用更好的放射源进行相同的研究。研究者是居里夫人忧郁而富有才干的女儿伊蕾娜·居里（Irène Curie）和她的丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot）。伊蕾娜当时33岁。弗雷德里克比她小两岁，是一个潇洒、热情的人，原先接受的是工程师培训，他的魅力总让塞格雷想起法国歌唱家莫里斯·舍瓦利耶（Maurice Chevalier）。

玛丽·居里的镭研究所位于拉丁区皮埃尔·居里大街的东头，是“一战”即将开始时法国政府和巴斯德基金会提供资金建立的。对任何需要钋才能开展的研究，镭研究所都具有优势。氡气随时间的推移只会衰变成铅-210、铋-210、钋-210三种放射性不太强的同位素，因而很便于化学分离。当时，全世界的医生都在用密封在玻璃安瓿中的氡气（被称为“种子”）治疗癌症。氡在几天内就会衰变，此后这些“种子”就没用了。许多医师将它们作为礼物送到巴黎，给那位发现镭的女性。它们积累成了世界上最大的钋源。

在1927年结婚后的头两年，约里奥-居里夫妇一直各自独立地工作。1929年，他们决定合作。他们首先开发出了分离钋的新化学技术，到1931年时，他们已经提纯了大量的这种元素，而且几乎比任何其他现有的钋源要强10倍。有了强有力的新钋源，他们将注意力转向探索铍的秘密。

除了重复出博特和贝克尔的实验结果外，查德威克的学生H.C. 韦伯斯特也在此时——1931年晚春——取得了进展。查德威克说，韦伯斯特发现“铍向……α粒子相同方向发出的辐射比向反向发出的辐射更具穿透力”。γ辐射是光的一种高能形式，从像原子核这样的一个点源发出的γ辐射应该在每个方向都相同，就像可见光从一个灯泡的灯丝发出的辐射一样。另一方面，一个粒子往往会被一个入射的α粒子撞击向前。“当然，”查德威克补充说，“这是一个使我真正感到激动万分的时刻，因为我当时想：‘这里存在中子。’”

此时的查德威克已经是一对双胞胎女儿的父亲，并且变成了一个作息规律的居家男人。对他来说，最神圣的事情之一是每年6月的家庭度假。他可能会发现探寻多时的中子，但这不足以改变他的度假计划，虽然事实上可能是足以改变他的计划的。查德威克认为下一步的研究需要一个云室，但卡文迪许实验室中由他支配的那个云室当时不能正常运转。他从别处找到了一个，云室的主人同意自己用完后就让韦伯斯特使用。当时的查德威克仍然认为，中子是一个电子-质子偶，具有足够的剩余电荷使气体电离，至少是弱电离。查德威克要求韦伯斯特把铍辐射瞄准云室，看看是否能够拍摄到电离化的轨迹照片。他让他的学生继续工作，自己则度假去了。

“当然”，查德威克后来提到他当时正在寻找的中子时说，在云室中，“他们不会看到任何东西”，他们也确实没有看到。“他们写信告诉我实验结果，说什么也没观察到，这使我非常失望。”在韦伯斯特转到布里斯托尔大学后，查德威克决定自己接管对铍的研究。

首先，他不得不将自己的实验室移到卡文迪许大楼的另一个地方，这使他延误了一些时日。之后，他需要准备一个强钋源。在钋这件事上，查德威克很幸运。诺曼·费瑟在巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学物理系度过了1929至1930学年，在那里，他与一个在巴尔的摩凯利医院管理镭供给的英国医生交上了朋友。这位医生保存了数百个用过了的氡“种子”。费瑟后来回忆说：“加到一起，它们含有与约里奥-居里夫妇在巴黎使用的几乎一样多的钋。”医院将它们捐赠给了卡文迪许实验室，费瑟将它们带回了英国。那年秋天，查德威克完成了危险的化学分离工作。

1931年12月28日，伊蕾娜·约里奥-居里向法国科学院报告了她的首批研究结果。她发现，铍辐射甚至比博特和贝克尔报道的更具穿透性。在将她的测量结果进行标准化后，她将辐射的能量定为轰击用的α粒子能量的3倍。

约里奥-居里夫妇打算接着看看铍辐射是否会像α粒子那样将质子轰击出物质。“他们在电离室装上一个薄窗，”费瑟后来解释说，“然后将各种物质放置在辐射路径上靠近窗口的位置。除了像石蜡和赛璐珞这样的物质外，他们什么都没有发现，而这两种物质在化学组分中已经包含了氢。当这些物质的薄层被放置在靠近窗口的位置时，电离室中的电流会变得比平常大。通过一连串简洁而精妙的实验测试，他们获得了令人信服的证据，证明这一多出的电离作用是从含氢物质释放出的质子导致的。”约里奥-居里夫妇当时认为，他们看到的是发生在铍辐射和氢原子核之间的弹性碰撞（就像台球或玻璃球的碰撞）。

但他们仍然坚守他们此前的信念，认为从铍发出的穿透力极强的辐射是γ辐射。他们没有考虑电中性粒子的可能性。他们没有读过卢瑟福贝克尔讲座的讲稿，因为在他们的经验中，这样的讲座总是对先前报道过的工作的复述。只有卢瑟福和查德威克在严肃地思考中子。

1932年1月18日，约里奥-居里夫妇向法国科学院报告了他们的一项发现：当用铍辐射轰击石蜡时，石蜡会释放出高速的质子。但这不是他们论文的标题，也不是他们的论点。他们论文的标题是《用强穿透力的γ射线辐照含氢物质会释放出高速的质子》。但这种可能性很小，就像一个玻璃球不可能折射一个落锤 一样。γ射线能偏转电子，这个现象被称为康普顿效应，是以它的发现者美国实验物理学家阿瑟·霍利·康普顿（Arthur Holly Compton）的名字命名的。 但质子的质量是电子的1 836倍，没那么容易被移动。

2月上旬，在卡文迪许实验室，查德威克在他的早间邮件中收到了法国物理学杂志《报道》（ Comptes Rendus ）。在读到约里奥-居里夫妇的论文时，他双眼大睁：

没过几分钟，费瑟来到我的房间告诉我这一报道，他像我一样非常惊讶。那天早晨晚些时候，我把这项发现告诉了卢瑟福。我有一个由来已久的习惯，在上午大约11点去找他，告诉他一些有趣的新闻，讨论实验室工作的进展。当我告诉他约里奥-居里夫妇的观察结果以及他们对此的观点时，我看到他越来越惊愕，最后大喊：“我不信。”这样不耐烦的评价与他的性格完全不符，在我与他长期的合作中，我想不起来还有过类似的情况。我讲述这些是为了强调约里奥-居里夫妇报道的震撼性。当然，卢瑟福认为，科学界必须相信这些观察结果，至于对这些结果的解释就完全是另一回事了。

再没有其他事情阻挡在查德威克与他注定要做出的发现之间了。1932年2月7日，一个星期日，他热忱地投入工作：“碰巧［当他读到约里奥-居里夫妇发表的发现时］我正准备开始实验……我抱着一种开放的心态开始，尽管我的想法自然是在中子上。我相当肯定，约里奥-居里夫妇的观察结果不能归因于一种康普顿效应，因为我不止一次地研究过这种可能性。我相信，存在某种全新的东西。”

他的设备很简单，由辐射源与电离室组成。电离室与真空管放大器连接在一起，继而与示波器相连。辐射源是一个抽空的金属管，绑在一块锯得很粗糙的松木块上。管中有一个直径1厘米，镀有钋的银盘，在银盘前面很近的地方，是一个直径2厘米的纯铍盘。铍是一种银灰色的金属，密度是铝的2/3。钋释放出的α粒子轰击铍原子核产生了穿透性极强的铍辐射，但查德威克立即发现，铍辐射能几乎不受阻碍地穿过厚达2厘米的铅板。

在电离室面向辐射源的地方，有一个0.5英寸的小窗，窗上覆盖着一层铝箔。电离室很浅，处于1个大气压的常压下，里面有一个小的带电板，这个带电板负责收集由进入的辐射电离出的电子，将它们产生的脉冲送到放大器和示波器。“就此时的目标而言，”诺曼·费瑟后来解释说，“这样的设置很理想。只要精心设计放大器，就可以使示波器上的偏转大小正比于电离室中发生的电离总数……被轰击出来，进而引发电离的原子的能量因而就能根据示波器记录的偏转的大小直接计算出来。”

查德威克在电离室的铝箔窗前面放了一片2毫米厚的石蜡薄片。他在最终的实验报告中写道，立刻，“示波器记录到的偏转数就显著增加了”。这表明从石蜡射出的粒子正在进入电离室。之后，他开始在石蜡薄片和电离室的小窗之间逐张地插入铝箔片，直到示波器上不再出现跳动。通过把铝吸收折算成空气吸收，查德威克计算出这种粒子在空气中的飞行距离是40厘米出头，他认为这个距离意味着“这种粒子显然是质子”。

至此，查德威克复现了约里奥-居里夫妇的结果，也为后续的研究铺平了道路。现在，他开始开辟新的领域。他撤去了石蜡片，试图研究铍辐射直接轰击其他元素时会发生什么现象。他将固态元素物质放在电离室的小窗前，“通过这种方法，一一测试了锂、铍、硼、碳和氮（以聚氰的形式）”。至于气态元素，他简单地将它们泵入电离室，取代电离室中的空气：“用这种方法检验了氢、氦、氮、氧和氩。”在每一种情况下，示波器上的跳动都增加了，这意味着强大的铍辐射从查德威克试验的所有元素中都轰击出了质子。实验还表明，从每种元素中轰击出的质子的数量大致相同。对查德威克的结论来说，最重要的一个结果是轰击出的质子的能量非常大，铍辐射如果是γ射线的话，是没办法做到这一点的。“总的来说，”查德威克在他的论文中写道，“实验结果表明，如果用［γ射线光子］的轰击来解释轰击产生的原子的话，那么随着被轰击的原子的质量不断增加，我们必须假定，［光子］有越来越高的能量。”查德威克随后在论文中平静地谈及了物理学的一项基本法则：一个过程产生的能量或动量不会比输入的能量或动量更多。他写道：“显然，我们必须要么接受能量和动量守恒定律不适用于这些碰撞，要么用另外的假说来解释这种辐射的本质。”这事实上是在对约里奥-居里夫妇的论文进行彻底的批评，这对夫妇读到这段文字后恼火不已也就不奇怪了。

不出意料，查德威克提议采用这样的假说：“如果我们设想这一辐射不是［γ］辐射，而是由质量非常接近于质子的粒子组成的，那么所有与这种碰撞相关的困难就都迎刃而解了，无论是有关它们频率的问题，还是向不同物质转移能量的问题。要解释该辐射的强大穿透力，我们必须进一步假定这种粒子没有净电荷……我们或许可以猜想它［就是］卢瑟福在1920年的贝克尔讲座中讨论过的‘中子’。”

查德威克随即开展了大量的工作，以证明他的假说是对实验观察到的事实的正确解释。

“这段时间的工作很艰辛。”他后来说。这项工作前前后后花了他10天时间，其间他还需要履行他在卡文迪许实验室的职责。他或许每晚平均只能睡3个小时，2月13日至14日的周末也在勤奋工作，大概在17日——星期三——完成了工作。这天，查德威克给《自然》杂志寄出了一份初步的简要报道，以确保发现的优先权。报道以给编辑的一封信 的名义发表，标题是《可能存在中子》。“不过，无论如何，我都认为确凿无疑，不然我就不会写这封信。”

“值得大加称赞的是，”塞格雷后来带着崇高的敬意写道，“当［早期的实验中］没有出现中子时，他没有探测到它，但当中子最终出现时，他立即令人信服地明确察觉到了它。这些都是一名伟大的实验物理学家的标志。”

1921年，一个名叫彼得·卡皮察的年轻苏联人来到了剑桥大学卡文迪许实验室工作。他稳健、专注、有魅力，而且在技术上善于创造发明，很快就深得卢瑟福的喜爱。在卢瑟福的所有“男孩”中——甚至包括查德威克在内——只有卡皮察能说服节俭的主任拿出大笔的钱来购置设备。1936年，卢瑟福会愤怒地指责查德威克鼓动在卡文迪许实验室建造回旋加速器。但在1932年，卡皮察在卡文迪许实验室院子内一座优雅的新建砖石建筑里就已经有了一个单独的实验室，用大功率磁场做他耗资巨大的实验。卡皮察刚在剑桥大学安顿下来就注意到，英国的物理学学生过分顺从师长，这导致他们没有多少科研产出。因此，他建立了一个俱乐部，取名卡皮察俱乐部，致力于开放和不分等级的讨论。会员名额有限，想加入的人很多。俱乐部的成员在大学的教室里集会，卡皮察经常故意用错误的观点开场，这样，即使是年龄最小的成员也会大声纠正他的发言，放松套在他们脖子上的传统束缚。

那个星期三，卡皮察用酒菜款待疲惫不堪的查德威克，用马克·奥利芬特的话说，使查德威克进入了“一种非常温和的情绪”，然后领他参加卡皮察俱乐部的集会。“卡文迪许实验室的所有人，包括卢瑟福在内都群情激奋，”奥利芬特后来回忆说，“情况已经相当不同寻常，因为我们听说了有关查德威克实验结果的传闻。”奥利芬特说，查德威克在俱乐部的发言透彻而有说服力，而且不忘提及博特、贝克尔、韦伯斯特以及约里奥-居里夫妇的贡献，“他给我们每个人上了一课”。C. P. 斯诺当时也在场，据他回忆，查德威克当时的表述是“有史以来对一项重大发现做出的最简短描述之一”。当鹰钩鼻、大高个的查德威克结束发言时，他扫视了一下全场，突然宣布：“现在，我想用氯仿麻醉自己，睡上两个星期。”

他是可以休息休息了。他发现了一种新的基本粒子，物质的第三种基本组分。正是这种电中性的质量，在不增加电荷的情况下复合成了元素的重量。2个质子和2个中子构成了氦核；7个质子和7个中子构成了氮；47个质子和60个中子构成了银；56个质子和81个中子构成了钡；92个质子和146个（或者143个）中子构成了铀。

不仅如此，由于中子拥有与质子相同的质量并且不带电荷，因此它几乎不会受到围绕原子核的电子壳层的影响，原子核的电势垒本身也无法阻碍它的运动。这将使它成为一种具有非凡穿透力的原子核新探针。“一束热中子，”美国理论物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）后来写道，“以大约声音的速度运动，其动能只有大约1/40电子伏，却比一束数兆伏能量、运动速度快数千倍的质子更容易在许多材料中触发核反应。”在查德威克做出他决定性发现的同一个月，欧内斯特·劳伦斯的回旋加速器首次将质子加速到了兆伏能量的量级。而且幸运的是，回旋加速器被证明可以用来产生中子。不同于其他任何进展，查德威克的中子使对原子核的细微检测变得切实可行。汉斯·贝特曾经评价说，他把1932年以前的所有发现归入“核物理学的史前史，而从1932年起，才算进入物理学史”。贝特说，其差异就是因为发现了中子。

有关查德威克发现中子的消息传到哥本哈根时，哥本哈根的科学家们正在排练一台业余戏剧。这是一台戏仿歌德的《浮士德》的滑稽剧，用以庆祝玻尔的理论物理研究所建成10周年。负责写剧本的博士后们把这一新粒子加入到了最后一幕中。他们让泡利——体型肥胖，有着一张没有胡须的圆脸，双眼突出，眼睑下垂，很像演员彼得·洛 ——扮演魔鬼靡菲斯特（Mephistopheles），玻尔则扮演上帝。他们不拘泥于形式，让缺席的查德威克扮演瓦格纳 。一个佚名插画师绘制了他在剧本中的形象，按照舞台剧的指示，他是“理想实验家的化身”。在他的指尖上，立着一个被极度放大的中子：

在哥本哈根，正像之前在剑桥大学一样，查德威克简洁明了地报告了他的发现：

中子走进物理，

带有质量标记，

永与电荷无缘，

泡利你可同意？

扮演魔鬼的泡利走上前，念出他的台词：

这是实验发现的秘密，

可和理论没一点关系，

理论不过是心智游戏，

实验才真正可靠无比……

接着，一个滑稽的合唱团登场，成员都是友善的物理学家，玻尔有才气的年轻员工。他们跳着舞出来，唱着终曲，帷幕最后徐徐落下：

往昔只是一场梦，

如今活在现实中。

多么卓越的认知，

优雅与精确贯通！

满怀热忱地欢呼，

无比自豪地歌颂。

上帝永恒的中庸，

引导我们向前冲！

这是他们中的许多人在未来很多年里最后的和平时日。

[1] 根据能够查到的资料，作者此处的图注不够准确，事实上 S 是一个等效于空气中一段飞行距离的金属吸收箔， F 才是硫化锌闪烁屏。——编者注 cerOUBMXkE/HWIVpNTZi4muKBkK41xgra3aP9FSo3gABM+vgjpcUvWF8rsuWBCz8