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玻尔去世60周年:战略科学家的人生三部曲

导  读

20世纪初,物理学出现了几大突破,普朗克开启了用量子概念描述黑体辐射现象(1900)的先河;爱因斯坦发现了狭义相对论(1905),同年还发表了用量子解释光电效应的论文;电子之父汤姆森提出了“葡萄干布丁原子结构模型”(1903),几年后,其博士后学生卢瑟福发现了原子核(1909),否定了汤姆森原子模型。

1911年秋天,丹麦哥本哈根的一位新科博士怀着朝圣的心情来到了英国剑桥卡文迪许实验室做博士后,寻师汤姆森教授。他就是尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)。一个崭新的科学时代将在这个背景下徐徐展开。谁主沉浮?
 

撰文 | 董洁林

责编 | 王一苇

发明原子量子模型

1911年5月,26岁的玻尔完成博士学位的新闻登载在哥本哈根市的报纸上。那时的丹麦,科学并不发达,博士很少,本地新闻关注新科博士是惯例。他的博士论文是关于电子在金属中的运动,这在当时的哥本哈根是颇为新颖的课题,但并非世界物理学前沿问题,该论文没有公开发表。

玻尔于这年9月来到英国剑桥卡文迪许实验室。他有太多话要对导师汤姆森说,比如他曾经读过的汤姆森论文、哪些令他震惊、哪些似乎不对,他也希望与大师讨论自己的博士论文工作……但他们的第一次见面是令玻尔失望的,汤姆森似乎对这位来自名不见经传的哥本哈根大学的博士后兴趣不大,害羞的玻尔 和他含有浓厚丹麦发音的英语也让他们的交流颇有障碍。

在剑桥卡文迪许实验室吹了几个月玻璃管之后,玻尔有幸遇到了卢瑟福。这位于1908年由于 “对元素蜕变及放射化学的研究” 而荣获诺贝尔化学奖的新锐学者,此时在曼切斯特大学担任教授。他于1909年从α粒子散射实验现象发现原子其实绝大部分是空的,犹如一个巨大的橄榄球场中间有一个带正电的小 “球核”,该核集中了原子几乎所有的质量。他还于1911年提出了 “原子的核结构模型”。玻尔表达了去曼切斯特学习的愿望,卢瑟福表示欢迎,1912年3月玻尔高兴地加入了卢瑟福实验室。

卢瑟福对科学、对同事都像一团火。有趣的是,他这位诺贝尔化学奖得主,其12位学生和助手后来都获得了诺贝尔物理学奖。玻尔在这里不仅向导师学习,与其他同龄人的交流也让他受益非浅。在曼切斯特呆了短短的几个月之后,玻尔一年博士后到期了,他得回到哥本哈根。从卢瑟福实验室,他带走了三样宝贵的东西:一个研究课题、一种教学方式和几位终身的朋友。

玻尔发现,研究原子模型是一个非常具有挑战性而迷人的科学课题。作为哥本哈根大学的助理教师,他一边给医学院的学生上物理课、一边把其余精力都投入到研究原子结构之中。得益于与卢瑟福老师的持续通信讨论和研读大量文献,玻尔于1913年相继发表了三篇论文,提出了原子结构量子模型,并成功用该模型解释氢原子结构和光谱,这点燃了科学家们用该理论解释各种原子光谱和结构,以及研究元素周期表、发现新元素的兴趣。

该成就也让他成为继普朗克和爱因斯坦之后,用量子理论解释自然现象的第三位旗手。玻尔受邀在英国和欧洲大陆各地报告他的原子量子模型,得到了一些肯定、也有很多质疑。之后,越来越多的人采用量子理论来解释各种自然现象。玻尔开始吸引一些外国学生前来求学。

玻尔的性格与品质也是他吸引世界各地青年科学家的重要原因。他心胸开放,对世界各地科学家一视同仁;他性格温和、待人宽厚,但在学术问题上执着、刨根问底,对他人无论是批评还是表扬都无比真诚;他学术品格高尚,乐于做学生和合作伙伴的跳板,如果自己没有重大贡献(参与讨论和论文修改不算重大贡献),不会把名字加在他们的论文上。他一辈子发表了约两百篇论文,大部分都是个人署名论文。

玻尔教学生涯的博士生很少,仅几位大学生(如荷兰的Hendrik Kramers、瑞典的Oskar Klein)来到哥本哈根师从玻尔。玻尔最喜欢与博士后和访问学者阶段的青年科学家合作。他非常善于发现年轻科学家的长处,鼓励学生们做自己喜欢的课题,不断拓展科学的疆域。

1922年11月,玻尔因其原子模型和氢原子光谱的工作而获得诺贝尔物理学奖。同时,诺奖委员会也通知爱因斯坦获得1921年度的物理学奖。巨大的荣誉向玻尔涌来,更多一流青年科学家奔向哥本哈根。

 

量子力学的教父

功成名就的玻尔在科学探索的道路上继续高歌猛进,他喜好批判性思维、鼓励辩论的学术风格启迪了量子力学的先驱者们,帮助自己和他人从经典力学过渡到量子力学,他是量子革命的摆渡人。

1922年,22岁的泡利(奥地利)来到了到了玻尔的理论物理研究所做博士后。两年后,海森堡(德国)也来了。他们都是德国慕尼黑大学索末菲教授的博士生。索末菲教授的课堂喜欢讨论科学最前沿的内容,量子物理、相对论、原子模型等刚问世不久就成为他的课程内容。其实他对这些新理论未必了解,他自嘲地说:“如果我了解这些东西就不会开设这门课了。” 在这种教学风格下,他的多位学生后来拿到了诺贝尔奖。而他自己虽然被提名84次,却未能获奖。

初到哥本哈根的海森堡已经很熟悉玻尔的原子量子模型及其他量子现象,并了解该模型的局限性。当时的量子理论就像一个大框,里面装着各种经验规则和唯象理论,但凡新发现的现象不能被已知理论解释,人们就再发明一个理论扔进筐子里。海森堡认为量子现象需要一套完整的数学理论来解释。

海森堡在哥本哈根最大的收获来自与玻尔的辩论。玻尔的物理概念极其清晰,物理直觉和想象力都非常好,对各种物理现象和实验结果很了解,但玻尔的数学功底不及他的学生们,哥廷根大学的波恩教授担当了新量子力学数学导师的角色。玻尔可以真诚而柔和地与学生辩论几天几夜,海森堡经常被折磨得崩溃,但几个回合之后,海森堡发现自己的物理学功力的确大涨了。1925年,海森堡开始构建量子力学矩阵理论。第一篇文章发表后,玻尔拿去给爱因斯坦看,得到肯定。哥廷根大学的波恩教授读了海森堡文章后,立刻着手与他合作,构建了更为严谨的量子力学矩阵数学体系。

1926年,奥地利科学家薛定谔提出了量子力学的波动方程,由于物理学家们比较熟悉解微分方程,薛定谔方程得到更多回响。1927年,狄拉克从英国来到了哥本哈根,通过数学证明,他认为海森堡的矩阵量子力学与薛定谔波动力学是等效的。同时,狄拉克还把相对论引入量子力学模型中,预测了一些惊世骇俗的现象,比如反粒子。海森堡此时也在憋大招,他从矩阵量子力学推导出 “测不准原理”,并又和玻尔老师开始了马拉松辩论:这到底有何物理意义?如何用实验检验这个原理?这个理论能够预测什么新现象?

辩论不仅是玻尔的教学方式,也满足了他与同行交流的需要。在辩论过程中,他们彼此成就、共同挖掘科学真谛。在与海森堡、泡利、狄拉克等一流学生辩论时,他无需注意学生的感受,辩论可让科学在他们眼前变得更为深刻而清晰。对于不那么强大的学生,他会稍微节制一点,例如他让学生首先按照他们自己的想法把文章写完,然后再开始与老师同学们辩论。即使如此,由于玻尔的地位及强大的辩论能力,有的学生受不了这种风格,感觉玻尔在代替他们思考,让他们失去了科学探索的乐趣。也有学生在与他辩论之后放弃了自己原本正确的观点,玻尔对此虽有歉意但不会改变做法。他认为,不坚持自己正确观点的人其实没有真正搞懂,碰运气发了论文也成不了伟大的科学家。

玻尔领导的学派是开放的、在科学讨论中人人平等,他对来自外人和学生们的批评都乐于倾听、多多益善。以博学多才、口尖舌利而著称的泡利,决不会就科学问题因人情世故而妥协。玻尔特别重视泡利的意见,泡利离开哥本哈根之后,仍然经常回访。师徒二人一直保持密切的通信交流,玻尔对泡利来信视若珍宝、随身携带,见到合适的人就与之分享。

第五次索尔维会议于1927年11月召开,玻尔率领哥本哈根学派的新量子力学干将闪亮登场:波恩、海森堡、泡利、狄拉克、克雷墨斯……他们与爱因斯坦、普朗克等人类历史上最杰出的科学家相聚。(注:索尔维国际物理学化学研究会是比利时业家欧内斯特·索尔维于1911年在布鲁塞尔创办的一个学会,每三年召开一次国际学术会议,受邀参加者多为当时的一流物理学家与化学家。)

这次会议最重要的事件即新量子力学正式诞生了,玻尔本人从旧量子理论的旗手华丽转身为新量子力学的教父。该会议也是旧量子理论的三位旗手,普朗克、爱因斯坦和玻尔,分道扬镳的起点。普朗克慈祥地看着新量子力学的诞生,玻尔带着一帮年轻人披荆斩棘,而爱因斯坦则成为保守派,不相信 “上帝会掷骰子”。

玻尔与爱因斯坦都是温和而执着的人。这次会议后,他们就波粒二象性、测不准原理、几率波、因果律、互补原理等物理和哲学问题进行了几十年的大辩论,成为科学史上一道靓丽风景。虽然量子力学的 “哥本哈根解释” 逐渐获得了认可,然而爱因斯至死也没有与玻尔在他们辩论的科学问题上达成一致,但二人之间友谊深厚,他对玻尔的评价是:“玻尔从不认为自己拥有真理,而是永远在求索。”

的确,追求科学真理犹如凝视黑暗的深渊和无尽的苍穹,需要很多像波尔这样执着较真的科学家,前赴后继。

 

图1 1927年第五次索尔维会议参加者合影 | 图源:Wikipedia
 

 科学之良心

二战时期,面临纳粹德国的威胁,玻尔不仅庇护了不少犹太裔科学家,也持续倡导原子弹研发过程尽量公开透明,以减少人道灾难。

希特勒于1933年成为德国元首后,开始了排挤和屠杀犹太人的运动。玻尔的家和哥本哈根大学理论物理研究所成为很多犹太裔科学家的避难所,有些人路过待几天,有些人在这里长期做研究。玻尔从美国的洛克菲勒基金会申请了特别资助来帮助这些科学家。科研活动仍然在哥本哈根继续。
 

图2 理论物理研究所(即现今的尼尔斯·玻尔研究所)| 图源:wikipedia

这段时间,玻尔研究所的研究重点转到原子核结构、量子电动力学和场论、以及生物物理等方面,涌现出一批新成果和学术新星。例如,玻尔和同事建立了原子核液滴模型,可用于解释核裂变(fission)现象,玻尔的学生、奥地利的Otto Frisch与他的姨母 Lize Meitner 合作首先揭示了核裂变现象及其物理原理,他们被多次提名诺奖而未能获奖,成为诺奖历史上的重要憾事。玻尔还开创了生物物理方向,其中一位学生 Max Delbrück(德国)后来赴美国成为分子生物学领域的一代宗师,于1969年获得诺贝尔生物和医学奖。

哥本哈根学派除了产生了十来位诺奖获得者,还出现了多位未获诺奖但影响很大的杰出人物,例如瑞典物理学家Oskar Klein,他于1930年代参与构建的Kaluza-Klein理论是今天弦理论的前身,1938年他首先提出了非阿贝尔规范场概念,泡利于1953年和杨振宁等在1954年分别写出了具体的非阿贝尔规范场方程,再后来其他人发展出标准模型以统一电磁力、弱力和强力。Klein于1954年到1965年间担任诺贝尔物理学奖评奖委员会委员和主席。另一位是伽莫夫(G. Gamow,苏联),著名科普作家,因其核物理和宇宙物理等成就曾获诺奖提名。还有佩斯(A.Pais,荷兰),著名科学史和传记作家,因其量子场论成就曾获诺奖提名。

1939年9月,德国发动了第二次世界大战。战争让人更切实地感受到 “科学无国界” “科学家有祖国” 这两句话的含义和张力。玻尔的学生们分崩离析,有些人背井离乡逃避迫害,有些人为自己的祖国和理念而战。期间玻尔最为令人瞩目的两位徒子徒孙是海森堡和奥本海默,前者是德国原子弹计划的科学负责人、后者是美国原子弹计划(曼哈顿计划)的科学负责人。玻尔的另一位学生朗道,此时已被苏联当局当成 “德国间谍” 而下狱。

德国于1940年4月撕毁与丹麦的和平协议、占领丹麦。海森堡以占领者科学界领导的身份于1941年10月再访哥本哈根理论物理研究中心,这是令人尴尬的访问,师生之情不再、同门之义无存。其间玻尔与海森堡进行了一对一的长谈,玻尔了解到海森堡在领导德国的原子弹项目而大惊失色,因为他知道原子武器的毁灭力量。此时的玻尔对自己曾经的学生充满恐惧。

德国占领者决定从1943年10月开始清洗丹麦的犹太人。在英国物理学家 James Chadwick 的帮助下,一直坚守祖国的玻尔逃出丹麦。Chadwick是玻尔在卢瑟福实验室学习时的同学,他是二战时期英国原子弹计划的科学负责人。玻尔到达英国之后,了解到英美在联合研发原子弹。一方面他希望英美在与德国的军备竞赛中获胜,另方面他认为英美此举不应该背着盟友苏联,原子弹秘密应该与所有盟友分享。于是,他在见英国丘吉尔首相时作此提议。丘吉尔拒绝了他的提议,并认为他有犯罪的可能性。到美国后,他见到罗斯福总统时再次提议,被礼貌地敷衍。

二战胜利后,西方阵营与苏联阵营的冷战开始了。玻尔写公开信给联合国提议各主要国家在原子弹和原子能开发领域彼此透明公开,他认为只有这样才可能避免不必要的军备竞赛及人道灾难。他也把此信发给多国政要。然而,他的游说活动成果有限。单纯的科学家走进现实而剑拔弩张的政治漩涡中,与政治家共振非常不易。尽管1939年8月爱因斯坦给罗斯福总统写信建议研制原子弹以打败纳粹,得到了快速响应,但这是个特例,因其恰逢其时并投其所好是也。

鉴于玻尔在开拓多个重大学科、培养世界一流人才、进行跨国界科学合作等多方面的卓越成就,以及其良知带给人类的温暖,他无疑是一位罕见的战略科学家。玻尔于1962年去世,走完了他从原子物理学旗手到量子力学教父再到科学之良心的伟大人生三部曲。60年来,科学仍然在进步,但玻尔 “科学属于全人类” 的理想,壮志未酬。 

谨以此文纪念玻尔去世60周年

 

作者简介 董洁林博士,联科熙和碳中和产业战略研究院研究员,清华大学中国科技政策研究中心兼职研究员。”

 

 主要参考文献:

1. Abraham Pais. Niels Bohr's Times: In Physics, Philosophy, and Polity. OUP Oxford (1991).2. David Cassidy. Uncertainty: The life and Science of Werner Heisenberg.  W. H. Freeman (1993). 



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