第2章
原子和空隙

原子能来自原子，但直到20世纪初，这个“怪物”在物理学上才拥有合法的身份。原子作为一个概念古已有之：万事万物表象下的一个永恒但不可见的基本物质层次，是它们让事物结合、涌现、分解和腐化。公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯（Leucippus）——他的名字因在亚里士多德的著作中被提及而得以存世——提出了这一概念，与留基伯同一时代的德谟克利特（Democritus）——一个富有且名气更响的色雷斯人——则发展了这一概念。德谟克利特共有72本著作，都未能流传下来。古希腊医生盖仑（Galen）曾引用过其中一本书说：“颜色、苦味、甜味都只是习惯，事实上只存在原子和空隙。”从17世纪开始，每当物理学理论的发展似乎需要它们时，物理学家们就会提出各式各样有关这个世界的原子模型，但原子是否真的存在一直是一个争论不休的问题。

渐渐地，争论的问题转变为什么样的原子才可能存在以及什么样的原子才是必要的。艾萨克·牛顿想象了一种类似微型台球的东西，以服务于他的机械宇宙观中物体的运动。他在1704年写道：“在我看来，上帝最初是用实心、坚硬、不可穿透、拥有质量并且可移动的粒子来创造万物的，这些粒子的大小、形状以及其他属性，还有它们与空间的比例，使它们能够完美地达到上帝创造它们的目的。”1873年，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）——卡文迪许实验室的奠基者——出版了一本名为《电磁通论》的开创性著作。通过引入电磁场的概念，这本著作修正了牛顿的粒子在空隙中碰撞的纯机械宇宙观。这种场弥漫在空隙中，电磁能量以光速在其中传播。麦克斯韦论证指出，光本身是电磁辐射的一种形式。尽管麦克斯韦做出了这样的修正，但他和牛顿一样，仍然笃信坚硬、机械的原子：

在岁月的长河中，尽管天空中发生过灾变，并且可能还会发生灾变，尽管古老的体系可能解体，新的体系会从它们的废墟中演化出来，但构造［太阳和行星］的［原子］——物质世界的基石——却从未解体，也未见磨损。无论是数量、尺寸还是重量，它们至今仍和被创造出来时完全一样，无比完美。

马克斯·普朗克则有不同的看法。和他的许多同事一样，他对原子是否存在持怀疑态度——物质的微粒理论是英国人的，而不是欧洲大陆人的发明，其淡淡的不列颠气味让恐外的德国人颇为反感。而且普朗克坚信，即使原子确实存在，它们也一定不是机械性的。“至关重要的是，”他在他的《科学自传》中承认，“外部世界是独立于人的东西，是绝对的东西，对这种绝对性所遵从的规律的探索是我一生中最崇高的科学追求。”普朗克相信，在所有的物理学定律中，热力学定律是适用于独立的“外部世界”——他对绝对性的一个要求——的最基本的定律。他很早就认识到，纯粹的机械意义下的原子违背了热力学第二定律。在这一点上，他的态度很明确。

热力学第二定律认为，热不会从较冷的物体传到较热的物体而不引起系统的某种变化，或者像普朗克1879年在慕尼黑大学完成的博士论文中概括的那样，“热传导过程无论如何都不能完全可逆”。热力学第二定律不仅排除了制造出永动机的可能性，还定义了由普朗克的前辈鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius） 命名为熵的物理量：由于无论做何种功，能量都会以热的形式耗散——不能再被收集回来变成有用、有组织的形式——宇宙一定会慢慢地变得无序。这种无序性不断增加的前景意味着，宇宙进程是单向且不可逆的。第二定律以物理形式表述了我们所称的时间。但机械物理——如今称为经典物理——的方程在理论上既允许宇宙朝前，又允许宇宙退后。“因此，”一位学术地位很高的德国化学家曾抱怨，“在一个纯粹的力学世界里，大树能够缩回到幼芽和种子，蝴蝶能变回到毛毛虫，老人能变回到儿童。力学学说无法解释这些事情为什么不可能发生……因此，自然现象这种实实在在的不可逆性表明，存在无法用力学方程描述的现象。至此，对科学唯物主义的判决就尘埃落定了。”而在好几年前，普朗克就以其特有的简洁写道：“第二定律始终成立……与原子有限这一假设不相容。”

一个主要的问题是，原子当时并不能被实验直接触及。在化学上，原子是一个有用的概念，被用来解释为什么某些物质——元素——能结合形成其他物质，但自身却无法用化学方法分解。原子似乎是气体能够充满整个容器并均匀挤压所有器壁的原因。它们也被用来解释这样一个令人惊奇的发现：在实验室中用火焰加热或者用电弧蒸发任何一种元素，都会使发出的光具有某种颜色，这种光在通过一个三棱镜或衍射光栅后会展开成彩虹一样的光谱，光谱总是被特定的亮线分成几段。但迟至1894年，当第三代索尔兹伯里侯爵罗伯特·塞西尔（Robert Cecil）——牛津大学的名誉校长和英国前首相——在英国协会做他的会长演讲，谈到科学的未竟事业时，原子究竟是真实存在的还是仅仅是一种方便的哲学抽象概念，以及它们隐藏着怎样的结构，仍然是一个悬而未决的问题：

每种元素的原子是什么；它是不是一种运动、一个物体、一个旋涡、一个具有惯性的点；是否能对它进行无限的分割，如果不能，这种限制是如何实现的；长长的元素列表是否有一个尽头；是否每种元素都有共同的起源。所有这些问题仍然像过去一样，被深重的黑暗所笼罩。

物理学的研究方式与其他所有科学的研究方式一样，都是在各种可能性中进行筛选。利奥·西拉德的朋友，化学家迈克尔·波拉尼晚年在曼彻斯特大学和牛津大学时曾审视过许多科学工作。他发现了一个传统的组织，与大多数科学家以外的人的想象大相径庭。这个团体由独立的人组成，团体成员间自由协作。波拉尼称其为一个“科学共和国”，“一个自由社会高度简化的范例”。并不是所有科学哲学家——波拉尼当时也已经是一名科学哲学家——都认同。就连波拉尼自己有时也将科学称为一种“正统” 。但他的科学共和国模式和一些成功的科学模型一样，也很有效：它能解释事物间尚不完全清楚的一些关系。

波拉尼直截了当地提出问题。怎样选择科学家？他们需要做出怎样的承诺？谁引导他们的研究——选择研究课题、核准实验、评估结果的价值？最后，谁决定什么在科学上是“真”的？带着这些问题，波拉尼回过头从外部考察科学。

在仅用3个世纪就重塑了整个人类世界的伟大结构背后，存在着一种对自然主义人生观的基本信念。在其他时间和其他地点，占支配地位的是基于魔法和神话的人生观。当孩子们学着说话、学着阅读以及上学的时候，他们便学到了自然主义观点。“政府每年在科学培养和传播方面花费千百万的资金，”波拉尼曾这样写道，当时他对那些拒绝理解他观点的人感到不耐烦，“而不会为推进占星术和巫术提供一分一毫的经费。换句话说，我们的文明深深地建立在对事物本质的某一种信念上，这种信念与早期埃及文明或者阿兹特克文明的信念是不同的。”

许多年轻人学习的不过是科学“正统”。他们习得了“公认的学说，僵死的学问”。有些人在大学里才开始学习一些最基础的方法。他们在日常的研究中练习用实验去进行证明，他们发现科学是“不确定的而且本质上永远是暂时的”，这才开始赋予科学以生命。

这还不足以成为一名科学家。波拉尼认为，成为一名科学家需要“一种充分的原创性”。这种原创性来自将一位杰出大师的原创观点和实践与个人紧密结合起来。科学实践本身不是科学，而是一门技艺，就像绘画实践或法律和医学实践一样，由师傅传授给徒弟。你无法单纯从书上或课堂上学会法律，你也无法这样学会医学，你更无法这样学会科学。因为在科学中没有什么是一成不变、万试万灵的，没有哪一个实验是终极性的证明，一切都是简化的和近似的。

美国理论物理学家理查德·费曼有一次在加州理工学院对挤满报告厅的大学生以同样的坦率讲述了他的科学观。“我们说‘理解’某些事物，这是什么意思？”费曼直率地问道。他用一种风趣的语言讲出了人类的局限性，其中蕴含着对这个问题的回答：

组成“这个世界”的运动物体间有着复杂的关系，我们可以将其想象成天神们的一个大棋局，而我们是观棋的人。我们不知道棋的规则是什么，我们被允许做的唯一的事就是观棋。当然，看的时间长了，我们最终可能会发现一些规则。 棋的规则 就是我们所说的 基础物理学 。但即使我们知道了所有的规则……我们能用这些规则解释的事物也是非常有限的，因为几乎所有情况都相当复杂，以至于我们无法运用这些规则来理解每一步的逻辑，更别说指出下一步将会发生什么了。因此，我们只能将自己局限在棋的规则较为基础的问题上。如果我们理解了这些规则，我们就认为我们“理解”了这个世界。

学会理解证明、学会判断、学会何时凭直觉行动、学会何时把计算推倒重来、学会评判哪些实验结果 不 可靠，这些技能让你进入天神棋局的观众席，而学会这些首先需要你坐到师傅的脚下。

波拉尼发现，科学上充分原创性的另一必要条件是信仰。即使科学成为西方的“正统”，个人仍然可以彻底或部分地自由接受它或拒绝它。占星术和圣灵感孕的信徒很多，而“除非一个人相信科学学说和方法在根本上是合理的，并且认为其终极前提可以被无可置疑地接受，否则他不可能成为一名科学家”。

要成为一名科学家，必须深刻地信奉科学体系和科学的世界观。“任何对科学这个概念的描述，如果没有把科学明确地描述为我们信仰的某种东西，那么在本质上都是不完善的虚饰之词。这等于是在宣称，科学在本质上不同于并且高于人类的所有非科学论述，但这种观念是不对的。”信仰科学就是科学家加入这个团体时要发的誓言。

这就是科学家如何被选中，并被接纳入这一团体的。他们组成了一个受过教育的科学信徒的“共和国”，通过一个师承关系的链条，学会仔细判断他们所在的领域那难以捉摸的前沿。

那么，由谁来指导这些工作？这一问题实际上是两个问题：谁来确定哪些问题需要研究、哪些实验需要完成？谁来评价这些结果的价值？

波拉尼给出了一个类比。他说，想象一下一群工人，他们需要解决一个很大、很复杂的拼图难题。他们要怎样把自己组织起来才能最有效地完成这项工作？

每个工人都可以从一堆拼图碎片中拿起几块，试着将它们拼合在一起。如果拼图是像给豌豆剥壳一样的工作——弃去不要的，留下要的——那么这将会是一个有效的方法。但它不是。拼图的各个碎片不是孤立的，它们能够拼合成一个整体，但任何一个工人恰好拿到可以互相拼合的碎片的机会很小。哪怕制作了足够多的碎片复制品，使每个工人都能获得一整套碎片，单独个人的完成度也不可能比得上找出有效合作方式的集体的完成度。

波拉尼认为，做这件事最好的方法是允许每个工人明了其他工人都在干什么。“让他们清楚其他人的进展，这样，只要一块碎片被一个［工人］拼接好，其他所有工人就立即考虑下一个可能的步骤。”使用这种方法，即使每个工人完全是在根据自己的主观意愿拼图，他的行动也仍然在推动整个群体的进展。这个群体既独立又协作，这是拼合拼图的最有效的方法。

波拉尼认为，科学沿着一系列他所谓的“成长点”进入未知领域，每个点都是做出最丰饶发现的地方。科学家们通过科学出版物和学术人脉——学术交流是完全公开的，这是一种绝对并且至关重要的言论自由——来发现这些成长点并在这些领域开展研究，他们的特殊才能可以为他们付出的努力和思考带来情感和智力上的最大回报。

于是，科学家当中由谁来评价科学结果的价值就变得明了了：群体中的每一个成员，就像在贵格会教派的月会上一样。“科学意见的权威性在 本质上是相互的 ，它建立在科学家 之间 ，而不是科学家 之上 。”有一些带头科学家在他们自己领域的成长点上极为多产，但科学没有终极领袖。一切遵从多数人达成的共识。

并不是每个科学家都有能力评价每一项科学成就。交流网络也解决了这一问题。设想科学家M宣布了一项新的成果，他比世界上任何人都了解他高度专业化的课题，那么有人有能力来评价他吗？有。仅次于M的科学家L和N，他们的课题与M的课题交叠，因此他们理解他的工作，足以评价它的质量和可靠性，并且懂得它哪些地方符合科学。仅次于L和N的是其他科学家K、O、J和P，他们很了解L和N，足以判断后两者关于M的评价是否可信。还有另外的科学家A和Z，他们的课题就与M的几乎完全无关了。

“ 这个交流网络是科学见解的基础 ，”波拉尼强调，“这些见解并非由单个人脑持有，而是分散成数千个不同的片段，由许多人持有，每个人依靠相互影响的链，间接认可其他人的见解。通过一个个相互交叠的群体形成的序列，这个链将每个人与其他所有人联系起来。”波拉尼这是在暗示，科学是像一个由许多智能个体联系到一起的巨脑一样运行的。科学的力量不仅会累积，而且似乎不可阻挡，这便是其源泉。但波拉尼和费曼都谨慎地强调，这种力量是有代价的，那就是自愿受限。通过严格限制自身的权限，科学使一个由不同背景和不同价值观的男男女女组成的政治性网络得以自持，这是一项非常困难的任务。在一项更为困难的任务上——发现天神棋局的规则——科学也取得了成功。“物理学，”正如尤金·维格纳提醒他的一群同事时所说，“甚至并不试图给出有关我们周围事件的完整信息——它给出的是有关这些事件之间 关联性 的信息。”

当科学家们对他们同行的成果做出评价时，他们所参考的标准是什么，这仍然是一个问题。好的科学、原创性的工作往往超越了已得到公认的见解，往往代表了对正统的异议。那么，正统能公正地评价它吗？

波拉尼猜想，是科学上师徒传承的体制使科学评估免于僵化。学徒可以从师傅那里习得高的评价标准，同时也学会信赖 自己的 评价：他知道异议的可能性和必要性。书本和讲课可以传授准则，师傅则以自己的原创性工作——某种意义上原创性就是反叛——为例，传授一种有控制的反叛。

学徒会习得三大科学评价判据。第一条判据是合理性。这可以排除掉狂想和欺诈，但这也可能会（有时也的确如此）扼杀不被正统认可但完全有效的原创性观点，科学不得不冒这样的风险。第二条判据是科学价值。这是一个由同等重要的三部分构成的复合体，包括准确性、该观点在所属的整个体系中——无论这一观点属于何种科学分支——的重要性，以及其内在价值。第三条判据是原创性。专利审查员根据一项发明在通晓相关技艺的专家眼中的新奇程度来评价这项发明的原创性。科学家们也以类似的方式来评价新理论和新发现。被评价的观点的合理性和科学价值，通过用正统的标准考察其品质来衡量，而原创性则以其异于传统的品质来衡量。

在波拉尼的开放的科学共和国模式里，每个科学家都根据共同商定和相互支持的标准来评价同行的工作，这解释了原子在19世纪的物理学中如此居无定所的原因。原子具有合理性，它有相当的科学价值，特别是重要的系统性价值。然而，还没有人做出过任何有关它的令人惊奇的发现。至少还没有一项发现的惊奇性得到1895年全世界仅约1 000名男男女女——他们自称为物理学家——组成的网络，以及与之相关的更大的化学家网络的一致认可。

原子时代即将到来。19世纪，化学领域出现了基础科学的重大新奇发现。20世纪前半叶，这样的发现将在物理学领域出现。

◎

1895年，当年轻的欧内斯特·卢瑟福在引擎的轰鸣声中离开澳新地区，带着扬名立万的想法来到卡文迪许实验室学习物理学时，留在他身后的新西兰还是一个蛮荒的边疆。19世纪40年代，英国一些不信奉国教的工匠和农夫以及一小部分好冒险的乡绅登上了这个崎岖不平、火山频发的群岛并定居下来。他们挤走了5个世纪前最先发现这片土地的波利尼西亚毛利人。在几十年的血腥冲突后，毛利人于1871年放弃了顽强抵抗。正是在这一年，卢瑟福降生了。他在新建的学校上学；赶着母牛回家挤奶；骑马到灌木林中射杀原始罗汉松长满浆果的枝头上的野鸽；在布赖特沃特他父亲的亚麻作坊里帮忙，野亚麻从原产的沼泽地砍回来经过浸泡、打散和梳理，做成亚麻线和亚麻绳。他有两个弟弟溺亡，全家人在农场附近的太平洋沿岸找了好几个月。

这是一个艰难而又健康的童年。卢瑟福总能赢得奖学金，先是到南岛纳尔逊附近普通的纳尔逊学院上学，然后进入了新西兰大学。22岁时，他以数学和物理科学双科第一的成绩获得了新西兰大学的文学硕士学位。他强健、热情、聪明，这些是他从偏远的新西兰走向英国科学领导者阶层所需的素质。另一种更微妙的品质——兼具乡村男孩的敏锐和源自边疆地区的深厚纯朴——对他在物理学发现方面举世无双的人生记录至关重要。正如他的学生詹姆斯·查德威克所说，卢瑟福最大的优点是“他惊人的天赋”。尽管有时会有一种掩饰得很好的病态的不安——生于殖民地产生的难以磨灭的伤痕——但他能抵御每一次成功带来的冲击，保持这一品质。

在新西兰大学，卢瑟福的天赋第一次得到展露，1893年，他继续留在这所大学攻读理学学士学位。1887年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现了“电波”（我们现在称这种现象为无线电波）。和世界各地的年轻人一样，这一发现给卢瑟福留下了奇妙的印象。为了研究这种波，他在一个阴湿寒冷的地下更衣室里安装了一个赫兹振荡器——一些间隔的充电金属球，能在金属极板之间产生来回跳跃的火花。他在寻找首次独立研究工作的课题。

卢瑟福把课题聚焦在当时的科学家——包括赫兹本人——公认的高频交变电流的一个特性上：当电火花在金属极板间快速来回振荡时，赫兹振荡器产生的电流不会使铁块磁化。卢瑟福认为情况并非如此，并富有才华地证明自己是正确的。这项工作使他获得了剑桥大学的“1851年伦敦博览会奖学金” 。收到电报时，卢瑟福正在家中的菜园里刨土豆。他母亲在菜园边大喊着告诉他这一消息。他大笑着扔下手中的铁锹，既为自己，也为母亲欢呼道：“这是我掘的最后一个土豆！”（36年后，当他被封为纳尔逊的卢瑟福男爵时，轮到他给母亲发电报了：“如今成为卢瑟福勋爵 ，更多荣誉属于您而不是我。”）

卢瑟福的论文《通过高频放电来磁化铁块》是一项巧妙的观察，也是大胆的质疑。带着更深刻的创见，卢瑟福注意到，当用高频电流磁化小铁针时，有一个微妙的逆效应：当高频电流流过时，已经磁饱和的小针被部分地 消磁 了。卢瑟福惊人的天赋开始发挥作用，他很快意识到他能利用无线电波：用合适的天线接收无线电波并传送到线圈，感生一个高频电流传到一捆磁化的小针里。之后，这些小针会被部分地消磁。如果他放一个指南针在这些小针旁边，指南针就会摇摆以显示这种变化。

在卢瑟福于1895年9月靠借款来到剑桥大学，在卡文迪许实验室——实验室主任是著名物理学家J. J. 汤姆孙（J. J. Thomson）——开始工作时，他已经将自己的观察结果精心转化成了一台能远距离探测无线电波的装置。这个装置事实上是第一台粗糙的无线电接收机。当时，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）仍然在意大利他父亲的房子里努力完善一台接收机的设计。短短几个月内，这个年轻的新西兰人就创造了无线电传播探测距离的世界纪录。

卢瑟福的实验使那些从汤姆孙那里了解到情况的英国著名科学家欢欣鼓舞，他们很快就接纳了卢瑟福。有一次晚餐时，他们甚至安排卢瑟福到国王学院院士进餐的高桌用餐，坐在紧挨着教务长的荣誉席位上。这使他感觉自己“就像一头披着狮皮的驴”，也让卡文迪许实验室的一些势利小人妒忌得脸色铁青。1896年6月18日，在全世界最重要的科学组织伦敦皇家学会的会议上，汤姆孙大度地安排神经紧张但兴致盎然的卢瑟福宣读他的第三篇科学论文《电波的磁探测器和它的某些应用》。马可尼直到9月才赶上了他。

卢瑟福当时很穷。他与玛丽·牛顿（Mary Newton）订了婚，玛丽是卢瑟福在新西兰大学上学时的女房东的女儿，但两人推迟了婚期，打算等到卢瑟福的经济条件有所改善后再结婚。卢瑟福试图通过工作来改善自己的经济条件，他在仲冬研究的中期写信给未婚妻：“我如此热衷［无线电波探测］课题的原因在于它的实用价值……如果下周的实验结果与我的预期一致，那么我在未来就有机会快速赚钱。”

这里有一种难以理解的行为，这种行为带着他走上了通向“镜花水月”的道路。在后来的日子里，人们会发现卢瑟福在科研预算方面是一个固执的人，他不愿接受企业或者私人的捐赠，甚至不愿申请，而相信“细线和封蜡”就能凑合着过日子。他对科学研究的商业化非常反感，比如，当他的学生彼得·卡皮察（Peter Kapitza） 接受一个企业提供的顾问职务时，他告诫卡皮察：“你不能同时侍奉上帝和财神。”虽然“卢瑟福比任何科学家犯的错都少”——认识卢瑟福的C. P. 斯诺语——这种难以理解的行为还是导致卢瑟福“一贯正确”的直觉出现了“一个不寻常的例外”。这个例外便是卢瑟福拒绝承认从原子中获得有用能量的可能性。1933年，正是这一点激怒了西拉德。卢瑟福的另一名学生马克·奥利芬特（Mark Oliphant）推测：“我相信他是担心会有异端侵入他心爱的原子核，为了商业开发的目的，这些人想把原子核炸成碎片。”但卢瑟福自己在1896年1月就热衷于无线电的商业开发，这一巨大的终身转变缘何而来呢？

这方面的记录虽然含糊不清，但也能有所提示。英国科学传统历来有一种绅士做派。它通常鄙弃研究的专利化，以及其他任何阻碍科学成果公开传播的法律和商业束缚。事实上，这种对科学自由的捍卫可以让一个人对“庸俗商业主义”深恶痛绝。欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）——一名受过卢瑟福训练的物理学家以及富有洞察力的传记作家——曾听说“在卢瑟福刚到剑桥的那段日子里，有人说他不是一个有教养的人”。引发这种谣传的因素之一或许是这些人对卢瑟福急于从无线电获利的行为的蔑视。

似乎是汤姆孙进行了干预。一项全新的重要工作突然出现。1895年11月8日，卢瑟福到达剑桥大学一个月后，德国物理学家威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了从阴极射线管的荧光玻璃壁辐射出的X射线。伦琴在12月报道了他的发现，这震惊了世界。这一陌生的辐射是一个新的科学成长点，汤姆孙立即着手研究它。与此同时，他也在继续做他的阴极射线实验，这项实验在1897年取得了重大发现。汤姆孙发现了他所谓的“负电性微粒”——电子，这是第一种被发现的原子粒子。汤姆孙一定是需要帮助，可能也认识到这种辐射会给卢瑟福这样一个实验技能精湛的年轻人提供一个原创性研究的特别机遇。

据马斯登说，为了解决好这一问题，“在诱导卢瑟福转向新的课题之前”，汤姆孙写信给英国科学界的元老，72岁的开尔文勋爵，征求他在无线电商业化可能性方面的意见。毕竟，开尔文——抛开是不是庸俗商业主义不谈——开发了越洋电报电缆。“这位伟人的回答是，一家公司如果投入10万英镑来推广［无线电］，那么这种投入是合理的，但不能更多了。”

到4月24日，卢瑟福看到了希望。他写信给玛丽·牛顿：“我希望以某种方法做到收支平衡，但我感觉第一年有点悬……我目前的科学工作进展缓慢。这一学期，我和一位教授一起继续研究伦琴射线。我对老课题有一点搞够了，乐于见到这一变化。我希望和这位教授一起工作一段时间能给我带来一些益处。我已经完成了一项研究，表明我能够独立工作。”卢瑟福的口气温和了，也不再那么言之凿凿，就好像是汤姆孙附体到他的身上，以长辈般的口吻在与他的未婚妻对话。他还没有在皇家学会宣读过自己的发现，在那里，他几乎不可能对他的课题“搞够了”。但事情已然发生了转变。此后，卢瑟福的勃勃雄心将是走向科学的荣耀，而不是商业的成功。

汤姆孙可能将心情热切的青年卢瑟福安顿在了麦克斯韦创立的卡文迪许实验室（一幢哥特式建筑）镶板的暗黑房间里。在这座实验室所在的剑桥大学，牛顿写下了他伟大的著作《自然哲学的数学原理》。汤姆孙可能温和地对卢瑟福说，他不能同时侍奉上帝和财神。这位卡文迪许实验室的著名主任给有着神一般地位的开尔文勋爵写过信，讲起过这个急躁的新西兰人的商业野心，这或许让卢瑟福悔恨交加，从而摆脱了暴发户般的荒诞情感。他决不会再犯相同的错误，即使这意味着他的实验室会被剥夺研究资金，即使这意味着要赶走他最好的学生（后来也的确如此），甚至即使这意味着来自他珍爱的原子的能量不过是“镜花水月”。但如果说卢瑟福为了神圣的科学放弃了商业财富，那么作为回报，他赢得了原子。他发现了原子的各个组成部分，并为它们命名。他用“细线和封蜡”使原子变成了实在的东西。

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封蜡是血红色的，它是英格兰银行对科学最显著的贡献。英国的实验工作者使用英格兰银行的封蜡来密封玻璃管。和汤姆孙在阴极射线方面的工作一样，卢瑟福在原子方面最早的工作也以19世纪对真空玻璃管中产生的迷人效应的研究为基础。两块金属极板被封入玻璃管的两端，然后与一个电池组或感应线圈相连。给金属极板充电，密封管内的空腔就会发出辉光。辉光从负电极板（阴极）发出，在正电极板（阳极）消失。如果你将阳极制成一个圆筒，并将这一圆筒密封在管的中央，它就能投射出一束辉光——阴极射线，辉光会通过圆筒并到达管子中与阴极相对的另一端。如果这个射线束的能量足够大，大到足以投射到玻璃管壁上，就会使玻璃管壁发出荧光。适当改进这种阴极射线管，把它的全玻璃端做成平的并涂上磷以增强荧光性，它就成了今天的电视显像管。

1897年春天，汤姆孙的研究证明，阴极射线管中的辉光物质束不是由光波组成的，不是（他冷冰冰地写道）“德国物理学家们几乎一致认为的”光束。准确地说，阴极射线是从带负电的阴极激发出来的带负电的粒子束，被吸引到带正电的阳极。这些粒子能被电场所偏转，其径迹能被磁场弯曲成曲线。它们比氢原子轻很多。如果将气体引入管中，“无论放电穿越的是何种气体”，产生的粒子都别无二致。由于它们比已知最轻的物质还要轻，并且不管产生它们的物质是什么，产生的粒子总是相同，因此可以推断，这些粒子一定是物质的基本组成 部分 。如果它们是一个部分，就一定存在一个整体。这样，真实的、物理的电子就提示了真实的、物理的原子的存在：物质的粒子理论首次令人信服地被物理实验证实了。科学家们在卡文迪许的年度晚宴上为汤姆孙的成功而高歌：

微粒赢得了今天，

它自由离去，

成了阴极射线。

有了电子的概念，又通过其他实验发现电子从原子中除去后留下的是质量大得多的带正电的物质，汤姆孙在随后的10年间提出并发展了原子的“葡萄干布丁”模型。汤姆孙的原子就像葡萄干点缀在布丁上一样，是“许多带负电的微粒镶嵌在一个带均匀正电的球体中”，是一个复合体：微粒状的电子和弥漫的剩余物质。在这一模型的框架下，电子在原子中稳定的排布能够在数学上得到证明，而数学上稳定的排布能够解释元素周期表中列出的化学元素之间的相似性和规律性。电子是元素间化学亲和力形成的原因，化学最终与电有关，这些观念也变得清晰起来。

1894年，汤姆孙与发现X射线擦肩而过。他没有传说中的牛津大学物理学家弗雷德里克·史密斯（Frederick Smith）那样倒霉：史密斯发现，放在阴极射线管附近的照相底片容易变得模糊不清，却只是告诉助手将底片移到别的地方。汤姆孙注意到，放在“距离放电管几英尺”处的玻璃管受到阴极射线轰击时，会像放电管管壁本身一样发出荧光。但他太过于专心研究射线本身了，没有去探求其原因。伦琴通过用黑纸覆盖住他的阴极射线管来隔开这种影响。当附近的一个荧光物质屏幕仍然发出辉光时，伦琴认识到，不论导致屏幕产生辉光的是什么，它都能够穿透纸张和空气。如果他将手掌放在被覆盖的管子和屏幕之间，他的手掌就会略微减弱屏幕上的辉光，但他能在屏幕上看到自己的 骨头 的暗影。

除了汤姆孙和卢瑟福外，伦琴的发现还激起了其他科学研究者的兴趣。法国人亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel）是一个物理学世家的第三代，像他的父亲和祖父在他之前那样，他在巴黎自然历史博物馆里担任物理学教授。与他们的另一个共同点是，他也是一个磷光和荧光方面的专家——他专门研究铀的荧光。在1896年1月20日法国科学院的周会上，贝可勒尔听了伦琴研究的报告。他了解到，X射线来自发荧光的玻璃。这立即启发了他，应该测试各种发荧光的材料，看看它们是否都能发射X射线。他工作了10天，但没有取得成功。1月30日，贝可勒尔读到了一篇X射线方面的论文，论文给了他鼓舞，他决定继续他的研究，并决定测试一种铀盐——硫酸双氧铀钾。

他的第一个实验成功了——他发现铀盐能放出辐射——却误导了他。他用黑纸将照相底片封装起来，在黑纸上撒上一层铀盐，“并在阳光下曝晒数小时”。在冲洗出照相底片后，“我在负片上看到了磷光物质黑色的轮廓”。贝可勒尔错误地认为这一效应是阳光激发的，就像阴极射线让玻璃管释放出伦琴的X射线那样。

贝可勒尔接下来的偶然发现众人皆知。当他于2月26日试着重复他的实验，并于2月27日再次重复时，巴黎的天空很阴沉。他将包好的照相底片放在黑暗的抽屉里，放好铀盐。3月1日，他决定继续做实验并冲洗出了底片，“原以为会发现影像非常淡弱，但正相反，轮廓显得非常鲜明，我立刻意识到这种作用可能能在黑暗中进行”。 这表明这种高能量、具有穿透性的辐射不是由射线或光线激发的。与玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）夫妇以这一发现为基础，通过辛劳的工作寻找纯粹的放射性元素一样，卢瑟福也有了他的研究课题。

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1898年（卢瑟福在这一年首次将注意力转向了贝可勒尔发现的现象，这一现象被居里夫人命名为 放射性 ）与1911年（他在这一年做出了他一生中最重大的发现）间，这位年轻的新西兰物理学家系统地仔细分析了原子。

他研究铀和钍发出的辐射，并给其中的两种辐射起了名：“目前，至少存在两种性质迥异的辐射。一种容易被吸收，为方便起见，我将它称为α［阿尔法］辐射。另一种穿透性较强，我将它称为β［贝塔］辐射。”［法国人P. V. 维拉尔（P. V. Villard）后来发现了第三种辐射，这是一种像X射线那样的高能辐射，被命名为γ（伽马）辐射，与卢瑟福的体例保持一致。］研究是在卡文迪许实验室完成的，但直到1899年他27岁迁至蒙特利尔，成为麦吉尔大学的物理学教授时才发表。一个加拿大烟草商捐赠了一笔钱，在那里建了一个物理实验室，并提供了多个教授职位，包括卢瑟福的教授职位。“麦吉尔大学的名声很好，”卢瑟福写信告诉母亲，“500英镑［的工资待遇］不算太差，这个物理实验室也是世界上同类实验室中最好的，我没法抱怨。”

1900年，卢瑟福报道了放射性元素钍会释放放射性气体的发现。不久后，居里夫妇发现镭（他们在1898年从铀矿中提纯发现的元素）也会释放放射性气体。卢瑟福需要一个好的化学家来帮助他确定钍“射气”（emanation）究竟是钍还是其他某种东西。他幸运地物色到了麦吉尔大学一个年轻的牛津人——弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy），他的天赋足以使他最终获得诺贝尔奖 。“［1900年］初冬，”索迪后来回忆说，“卢瑟福这位年轻的物理学教授在实验室里叫住我，把他的发现告诉了我。他刚刚携新娘从新西兰回来……但在离开加拿大回新西兰之前，他已经做出了他称为钍射气的发现……我当然兴致勃发，并提出应该测试这种［物质］的特性。”

事实证明，这种气体没有任何化学特性。索迪说，这“传递了一个非同小可而又不可避免的结论：元素钍正在缓慢、自发地嬗变成［化学惰性的］氩气！”这意味着索迪和卢瑟福观察到了放射性元素的自发衰变，这是20世纪物理学最重大的发现之一。他们开始追踪铀、镭和钍通过辐射出自己的一部分——以α粒子和β粒子的形式——改变其元素本质的方式。他们发现，每种不同的放射性物质都有一个特征性的“半衰期”——辐射减弱到先前所测强度一半所用的时间。半衰期标志着一种元素一半的原子嬗变成了其他元素的原子，或者嬗变成了同种元素的另一种物理形式——“同位素”，这个术语是索迪后来提出的——的原子。半衰期成为探测嬗变物质现存量的一种手段，这些嬗变物质——“衰变产物”——数量太少，无法用化学方法探测到。铀的半衰期被证实为45亿年，镭的为1 620年，钍的一种衰变产物的半衰期为22分钟，另一种衰变产物的半衰期为27天。有些衰变产物出现并嬗变为其他物质的时间只有几分之一秒——一眨眼的工夫。这是物理学领域无比重要的发现，开启了一个又一个激动人心的新领域。并且“在两年多的时间里”，索迪后来回忆说，“生涯，科学生涯，变得如此令人兴奋，这在一个人的一生中是相当罕见的，或许在一个学术机构的历史上也相当罕见”。

沿着这条路线，卢瑟福探究了放射性元素在其嬗变过程中的辐射。他的研究发现，β射线是由“各方面都类似于阴极射线的”高能电子组成的。他先是猜测，之后在英国有力地证明了α粒子是在放射性物质衰变时喷射出来的带正电荷的氦原子核。此前的研究发现，铀矿和钍矿的晶体空隙中存在被圈禁的氦气。现在，他知道原因了。

1903年，卢瑟福和索迪一起写了一篇重要论文《放射性变化》，首次通报了放射性衰变释放的能量值的计算结果：

因此可以说，镭在衰变期间的总辐射能量不会小于10 8 ［也就是100 000 000］卡/克，可能介于10 9 和10 10 卡/克之间……氢和氧结合产生水释放大约4×10 3 ［也就是4 000］卡/克的能量。与给定重量的任何其他已知化学变化相比，这种放射性反应释放的能量都更多。因此，放射性变化的能量一定至少是任何分子变化能量的2万倍，甚至可能是上百万倍。

这是正式的科学陈述。在非正式场合，卢瑟福倾向于异想天开的末世论。1903年，一个剑桥同事正在写一篇有关放射性的文章，他考虑引用卢瑟福“一种开玩笑的说法”：“可以想象，要是能发现一种奇特的炸药，它能在物质中惊起原子衰变的巨浪，那么这个古老的世界真的可能会灰飞烟灭。”卢瑟福喜欢打趣道：“实验室里的某个傻瓜会在无意间炸掉这个宇宙。”即使原子能永无用处，它仍然可能是危险的。

索迪在那一年返回了英国，更为认真地审视了这个问题。1904年，在给皇家工程兵部队做有关镭的演讲报告时，他颇有预见性地推测，原子能可能被付诸应用：

所有重物质可能都拥有一种潜在的，并且和原子结构密切相关的能量，就像镭拥有的能量那样。如果能控制和利用这种能量，它就将成为决定世界命运的一个重大因素！大自然通过一根杠杆来审慎地控制原子释放的能量，不愿将这根杠杆与人分享。谁控制了这根杠杆，谁就将拥有一种能随心所欲地毁灭地球的武器。

但索迪认为这种可能性不大，他写道：“我们存在于世界上这一事实表明［这种巨大能量的释放］从未发生过，从未发生过就是永不会发生的最好保证。我们大可信任大自然，它会保守好它的秘密。”

H. G. 威尔斯在读到索迪1909年出版的书《镭的阐释》中类似的陈述时则认为，大自然不可信赖。他在《获得解放的世界》中写道：“我的想法源自索迪。”威尔斯把他的这本小说形容为“一个美妙而古老的浪漫科学故事”。威尔斯很看重这个想法，因此中断了一系列社会性小说的写作，开始创作《获得解放的世界》。因此，是卢瑟福和索迪有关放射性变化的讨论催生了这部科幻小说，而这部小说最终使西拉德开始思考链式反应和原子弹。

1903年夏天，卢瑟福夫妇在巴黎拜访了居里夫妇。居里夫人碰巧在他们到达的当天取得了她的科学博士学位。双方共同的朋友组织了一个庆祝会。“在一个非常活跃的晚会后，”卢瑟福回忆说，“大约11点，我们回到花园里，居里教授拿出一支镀了一些硫化锌的试管，管里装了许多溶解状态的镭。黑暗中亮光闪闪，这是难忘的一天的辉煌谢幕。”在铀沿元素周期表一路向下连续衰变到铅 的过程中，镭释放出的高能粒子使硫化锌涂层发出白色的荧光，让人能在巴黎的夜色下看到这些粒子的效应。这种光线明亮到能够让卢瑟福看清居里的手“由于暴露在镭的射线中而变得异常红肿，无比疼痛”。被辐射灼伤肿胀着的手是另一个教训：物质的能量足以产生怎样的后果。

1905年，一个来自法兰克福的26岁德国化学家奥托·哈恩来到蒙特利尔，与卢瑟福一起工作。哈恩发现了一种新的“元素”——放射性钍（radiothorium）。科学界后来发现，放射性钍事实上是钍的12种同位素之一。哈恩和卢瑟福一起研究钍的放射性。他们的研究表明，钍释放出的α粒子与镭以及另一种放射性元素锕释放出的α粒子有相同的质量。因此，这些α粒子可能是完全相同的。顺着这个思路继续研究，卢瑟福在1908年证明，α粒子毫无疑问是带电的氦原子（氦原子核）。哈恩于1906年返回德国，开始了自己卓绝的科研生涯，此后发现了许多种同位素和元素。20世纪20年代，西拉德曾在柏林威廉皇帝化学研究所见到哈恩，后者当时正与物理学家莉泽·迈特纳一起工作。

卢瑟福在麦吉尔的研究工作解决了放射性元素复杂的嬗变问题，他因此于1908年获得了诺贝尔奖——但不是物理学奖，而是化学奖。卢瑟福想得这个奖。当他的妻子在1904年底回新西兰探望她的家人时，卢瑟福给她写信说：“如果我坚持下去，可能会有机会。”他在1905年初又写道：“其他人都在追赶我的研究，要想在今后几年内有机会获得诺贝尔奖，我的工作必须进展不断。”获得化学奖——而不是物理学奖——至少让他感到高兴。“这件事说到底像是对他开了一个大大的玩笑，”他的女婿说，“他自己也完全意识到了这一点，他从此被永久性地打上了化学家——而不是真正的物理学家——的标签。”

据诺贝尔奖颁奖仪式上的一名目击者说，卢瑟福看起来相当年轻——他当时37岁——在晚间发表了获奖演说。他宣读了一项他新近证实——在一个月前刚以简单的形式发表——的成果：α粒子实际上是氦。这个验证性的实验有着卢瑟福的实验一贯的优雅。卢瑟福有一个吹玻璃工，为他吹制了一种壁非常薄的玻璃管。他将这支玻璃管抽空并充入氡气，后者是一种丰富的α粒子源。玻璃管是不漏气的，但壁很薄，这使α粒子可以逃逸出玻璃管。卢瑟福用另一支玻璃管将这支氡管包住，抽空两支管子之间的空气，并将其密封起来。“几天后，”卢瑟福得意扬扬地告诉斯德哥尔摩的听众，“在外面的玻璃管上看到了一条明亮的氦的谱线。”时至今日，卢瑟福的实验仍然以其简洁令人惊叹。“在这方面，卢瑟福是一名艺术家，”一名他从前的学生说，“他的所有实验都别具一格。”

1907年春，卢瑟福带着全家——包括他6岁的女儿，也是他唯一的孩子——离开蒙特利尔回到了英国。他接受了曼彻斯特大学的一个物理学教授职位。在这座城市，约翰·道尔顿（John Dalton）几乎恰好在一个世纪前复苏了原子理论。卢瑟福买了房子，立刻投入工作。他的前任留下了一名助手，这个名叫汉斯·盖革（Hans Geiger）的德国物理学家有着丰富的经验，卢瑟福让他担任自己的助手。很多年后，盖革亲切地回忆起那段在曼彻斯特的日子，回忆起仪器旁的卢瑟福：

我看到物理学大楼顶层房顶下他那安静的研究室。他的镭就存放在那里，那些著名的放射性气体的研究也是在那里开展的。我还看到一个昏暗的地下室，正是在这个地下室里，他组装出了研究α射线的精巧设备。卢瑟福喜欢这个房间。沿着楼梯往下走两级，你就会听到从黑暗中传来他的声音，提醒你齐头高的地方装着横跨房间的暖气管，提醒你还需要跨过两根水管。最后，在昏暗的灯光下，你将看到独自坐在设备旁的这位伟人。

卢瑟福的家里要热闹得多，曼彻斯特大学的另一个学生很喜欢回忆在他家的那些经历：“星期六和星期日在墙壁洁白的餐厅里用晚餐，然后在一楼的书房里嬉闹到深夜。星期日在客厅里喝下午茶，之后常常开着摩托车在柴郡的马路上兜风。”家里没有酒，因为玛丽·卢瑟福不赞成喝酒。她不情愿地允许她丈夫抽烟，因为他烟瘾很重，无论是烟斗还是香烟都抽。

此时，刚步入中年的卢瑟福已经名声大噪。一个风趣并且爱说俚语的学生将他称为“部落首领”。他会绕着实验室一边走一边跑调地唱《信徒精兵歌》 。在这个世界上，他已经有了自己的一席之地，并且前程远大。他脸色红润，蓝色的眼睛一闪一闪的，肚腩也开始出现。缺乏自信的个性被很好地隐藏了起来：他与人握手的时间很短，柔若无骨。“他给人的印象是，”他的另一名学生回忆说，“他羞于肢体接触。”他仍然会因为居高临下而感到尴尬，会满脸通红、无比窘迫地转过身去。在他的学生们看来，他像是一块更沉静、更温和的纯金。“他是一个男子汉，”一名学生给予了他很高的评价，“从不耍弄卑鄙的花招。”

哈伊姆·魏茨曼（Chaim Weizmann）——俄国犹太裔生物化学家，后来被选举为以色列第一任总统——当时正在曼彻斯特大学从事发酵制品方面的研究。他成了卢瑟福的好朋友。“年轻、精力充沛并且滔滔不绝，”魏茨曼后来回忆说，“他看起来一点都不像一名科学家。他乐此不疲地谈论太阳底下的每一件事，即使他常常对正在谈论的话题一无所知。下楼去餐厅吃午餐时，我常常会听到他响亮、友好的话音在走廊里回荡。”魏茨曼认为卢瑟福根本不懂政治，但他认为这可以理解，因为卢瑟福把所有时间都花在了重要的科研工作上。“他是一个和蔼的人，但他不喜欢与蠢货相处。”

1907年9月，在曼彻斯特大学的第一个学期，卢瑟福整理出了一个表格，表格中罗列了可能的研究课题。这个表格的第七项是“α射线的散射”。通过几年的研究，卢瑟福确定了α粒子的特性，并最终意识到了α粒子作为原子探针的重大价值：与高能但几乎没有质量的β粒子（电子）相比，α粒子有很大的质量，因此能与物质发生强烈的相互作用。测量这种相互作用就能揭示原子的结构。在一次宴会上，卢瑟福告诉听众：“我从小接受的教育是，原子是一个坚硬的家伙，根据不同味道，呈红色或者灰色。”到1907年时，他已经清楚地认识到原子根本不是一个坚硬的家伙，而是空荡荡的。通过用阴极射线轰击元素，德国物理学家菲利普·勒纳（Philipp Lenard）在1903年为这一见解提供了很多实验证明。 勒纳对他的发现做了一个生动、戏剧性的比喻。他说，1立方米的固体铂占据的空间就像地球外的星空一样空。

但如果说原子中有空的空间——空虚中的空隙 ——的话，那么里面也有其他东西。1906年，在麦吉尔大学，卢瑟福研究了α粒子的磁偏转。他将α粒子投射向一个窄缝，使之成为细的粒子束并通过一个磁场。他每一次都用一片云母遮住窄缝的一半，这片云母大约只有千分之三厘米厚，薄到足以允许α粒子通过。他在相纸上记录下这些实验结果，发现被云母遮盖的那部分粒子束的边缘是模糊的。这种模糊意味着，当α粒子通过时，许多粒子都被云母的原子所偏转——散射——偏转角度可以高达2度。由于一个强磁场也不过将未遮住的α粒子散射略大一点的角度，因此一定发生了某种异乎寻常的事件。对于像α粒子这样质量相当大、以如此高的速率运动的粒子，2度角是一个巨大的偏转。据卢瑟福计算，散射一个α粒子到如此程度要求云母有一个大约每厘米100兆伏特的电场。“这种结果清楚地表明这样一个事实，”卢瑟福写道，“物质的原子一定是非常强的电力所在之处。”在他列出的研究课题表中，他记下的正是这个散射问题。

要研究清楚这个问题，他不仅需要计算α粒子的数目，还要 看到 单个的α粒子。在曼彻斯特大学，他接受了完善研究这一问题所必需的设备的挑战。他和盖革一起研制了一种电气装置，这种装置能咔嗒咔嗒地记录下每一个到达计数腔的α粒子。盖革后来将这一发明精心改良成了现代放射性研究中的盖革计数器。

科学界已经有了一种用硫化锌使单个α粒子可见的方法。硫化锌就是皮埃尔·居里在1903年拿到巴黎的夜花园，装有镭溶液的玻璃管上镀的化合物。用α粒子轰击一块镀上硫化锌的小玻璃板，在每个粒子撞击的点上会瞬时地发出荧光，这被称为“闪烁”，这个词来自希腊语“火花”。在显微镜下，硫化锌上微弱的闪烁能被一个个地辨别和计数。这个方法非常单调乏味。它要求在黑暗的房子里至少坐上30分钟等眼睛适应，然后轮流每人每次仅计数一分钟——交接班靠一个定时器发出的铃声——因为眼睛紧盯一个狭小、昏暗的屏幕的持续时间不可能更长。甚至通过显微镜，闪烁都只游移在可分辨的边缘。一个期望实验产生一定数量闪烁的计数员有时会无意识地看到假想的闪烁。因此，问题的关键是计数是否准确。卢瑟福和盖革将观察到的计数与电气方法得到的相应计数进行了比较，他们发现观察的方法更可靠，因此放弃了电气方法。毕竟电气方法只能计数，不能观察，而且卢瑟福最感兴趣的是定位α粒子在空间中的位置。

在当时曼彻斯特大学18岁的大学生欧内斯特·马斯登的帮助下，盖革继续从事α散射的研究。他们用一根发射管射出α粒子，观察这些粒子通过铝、银、金和铂之类的金属箔的结果。结果通常与预期一致：在撞上葡萄干布丁般的原子后，α粒子可以非常好地聚集在其周围2度偏转角的范围内。但实验中也出现了离群的粒子，这带来了麻烦。盖革和马斯登认为，这可能是发射管管壁中的分子散射了一部分α粒子导致的。他们试图用一系列逐渐缩小的金属垫圈来限定发射管，使其端部越来越小，以此去掉离群的粒子。结果证明这无济于事。

卢瑟福踱步进来，三个人仔细讨论了这个问题。它的某些方面唤醒了卢瑟福的直觉，让他觉得其中暗含着值得期待的结果。几乎像是未卜先知，他转向马斯登说：“看看你是否能观察到α粒子被金属表面直接反射回来的效应。”马斯登知道预期的结果是否定的——α粒子将 穿过 薄薄的金属箔，它们不会被 反弹回来 。但要是错过了肯定的结果，这将会是一个不可原谅的过失。他非常细心地准备了一个强α粒子源。他将铅笔粗细的α粒子束以45度角射向一张金箔，并将闪烁屏和α粒子源置于箔的同一侧。这样，反弹回来的粒子就能撞击到屏幕，显示出闪烁。在发射管和屏幕之间，他插入了一块厚铅板，从而排除了α粒子直接射向屏幕产生的干扰。

马斯登立刻就发现了卢瑟福让他寻找的东西，这让他大为惊讶。“我清晰地记得把这一结果报告给卢瑟福时的情况，”他写道，“……在通往他私人房间的台阶上，我遇到了他，并兴奋地告诉了他结果。”

几星期后，在卢瑟福的指导下，盖革和马斯登系统地描述了实验结果并将其发表。他们得出结论说：“实验显示一些α粒子能够在一层6×10 -5 ［也就是0.000 06］厘米厚的金箔中被偏转90度甚至90度以上，考虑到α粒子的高速率和大质量，这是很令人惊讶的。在磁场中要产生相似的效应需要10 9 绝对单位的高强度磁场。”与此同时，卢瑟福开始思考这一散射意味着什么。

在其他工作之余，卢瑟福思考了一年多。他原本对这一实验预示的东西立即产生了一个直觉，但这种直觉后来消失了。甚至在他宣布他的惊人结论后，他也不愿意宣扬它。其中一个原因或许是这一发现与汤姆孙和开尔文勋爵早先提出的原子模型相抵触。关于他对马斯登的发现给出的解释，物理学上也存在一些反对意见，这也是需要解决的问题。

卢瑟福真的被马斯登的实验结果震惊到了。“在我的一生中，这是我经历的最令人难以置信的事件，”他后来说，“这太令人难以置信了，就像你将一枚15英寸的炮弹射向一张薄薄的纸，它却被反弹回来并击中你一样。经过思考，我意识到这个向后的散射来自一次单一的碰撞。在做过相应的计算后，我认识到，除非在你选用的系统中，原子的绝大部分质量都集中在一个非常小的核上，否则就不可能获得任何这样一个数量级的结果。”

“碰撞”这个词具有误导性。卢瑟福构想的——通过计算，以及在一张张大幅的优质纸上绘出的原子图解——事实上是α粒子偏向或者偏离一个大质量的致密中心体的轨迹，就像彗星在引力的作用下与太阳共舞的舞步一样。他让人制作了一个模型，一块重的电磁铁被一根30英尺长的绳子悬挂起来成为一个摆，面向放在桌子上的另一块电磁铁。当两块电磁铁相同的极性相对时，它们会相互排斥，摆会根据它逼近的速率和角度偏转产生一个抛物线轨迹，就像α粒子的偏转一样。卢瑟福总是需要将他的研究结果具象化。

在进一步的实验证实他的理论（原子的确有一个小而重的核）后，卢瑟福终于准备好面对公众了。他选择了曼彻斯特一个历史悠久的组织——曼彻斯特文学与哲学协会——作为他的讲坛。1911年3月7日，詹姆斯·查德威克作为一名学生参加了这一历史性事件，他回忆说：“大部分是普通民众……他们对文学和哲学思想有兴趣，其中主要是商人。”

第一个报告人是一名曼彻斯特的水果进口商，他报告并展示了一条在一批牙买加香蕉中发现的罕见的蛇。然后轮到卢瑟福。他的演讲只留下了一份摘要，但查德威克记得听时的感受：它“对我们这样的年轻人来说是一个很有震撼力的演讲……我们意识到事实明显如此，就是这样”。

卢瑟福发现了他的原子的核，然而他尚未安置好原子的电子。在曼彻斯特的那场演讲上，他谈到“一个集中在一个点上的中心电荷，被总电量与之相等但电性相反的电荷所环绕，这些电荷均匀地分布为一个球体”。这对于计算来说是很理想的，但它忽视了一个重大的物理事实：“相反的电荷”来自电子，因此电子需要以某种方式被安置在核的周围。

还有另一个谜团。日本理论物理学家长冈半太郎在1903年提出过一个原子的“土星”模型：电子形成的扁平环像土星环一样绕着一个“带正电的粒子”旋转。为了表述他的模型，长冈借用了麦克斯韦发表于1859年的第一篇成功的论文《论土星环运动的稳定性》中的数学。所有卢瑟福的传记作家都认同的一点是，在1911年3月11日之前，卢瑟福并不知道长冈的论文。在曼彻斯特的那场演讲后，卢瑟福从一个物理学家朋友寄给他的明信片上了解到了长冈的研究：“坎贝尔告诉我，长冈曾经试图推导出他的原子有一个大的带正电的中心，以此来解释一些光学效应。”之后，他查阅了发表在《哲学杂志》（ Philosophical Magazine ）上的这篇题为《α粒子和β粒子被物质散射以及原子结构》的论文，并在论文的最后一页加上了对它的讨论。卢瑟福于4月将这段讨论投到了同一家杂志。他在那篇文章中将长冈的原子描述为“可能由一个吸引质量的中心以及围绕其旋转的电子环组成”。

不过长冈似乎在不久前拜访过卢瑟福，因为这位日本物理学家在1911年2月22日从东京写信给卢瑟福，感谢他“在曼彻斯特对我的盛情款待”。 但两位物理学家在会面时似乎没有讨论过原子模型，不然的话，长冈应该会在他给卢瑟福的信中继续讨论这一问题，作为一个很诚实的人，卢瑟福也应该会在他的论文中表示感谢。

卢瑟福没有注意到长冈的原子土星模型的一个原因是，这一模型在长冈提出后受到了批评，很快就被抛弃了，因为它存在一个严重的缺陷——同样的理论缺陷也能毁灭卢瑟福此时提出的原子理论。土星环是稳定的，因为环中的微小碎片之间的作用力——万有引力——是吸引力。而长冈电子环的电子（带负电荷）之间的作用力是排斥力。按数学推算，只要两个或两个以上的电子等距离地分布在一个轨道上绕核旋转，它们就将漂移成振荡模式——这是一种不稳定状态——并会很快将原子撕碎。

长冈的土星模型遇到的问题，理论上说在卢瑟福通过实验提出的原子模型中也会遇到。如果原子是按经典物理学的力学定律——牛顿定律，它们支配着行星系统中的关系——运转的，那么卢瑟福模型就说不通。但卢瑟福模型不仅仅是一个理论建构，还是物理实验实实在在的结果，而且确实有效：这个结果有着亘古不变的稳定性，α粒子会像炮弹一样反弹回来。

必须有人来解决经典物理学和卢瑟福用实验方法验证的原子之间的这种矛盾。这个人必须与卢瑟福拥有不同的品质：不是一个实验者，而是一名理论家，并且是深深根植于现实的理论家。这个人至少要有与卢瑟福差不多的胆识，以及不相上下的自信。他必须愿意穿过力学的镜子，跨进一个陌生的、非力学的世界。在那里，原子尺度上发生的一切不能用行星或者单摆这样的事物来作为模型。

好像已经应召启程一般，这样一个人突然在曼彻斯特出现了。1912年3月18日，卢瑟福给一位美国朋友写信，宣布了这个人的到来：“玻尔，一个丹麦人，离开剑桥大学到了这里，想在放射性工作方面获得一些经验。”“玻尔”指的是尼尔斯·亨里克·戴维·玻尔（Niels Henrick David Bohr），一名丹麦理论物理学家。他当时27岁。 jL0byRsmnGWF1L1oF778stGAprg2R/KNRDR2MJqXbk1Ys1JiJdku2m8FDQm5u927