主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 50063

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2018-11-09 13:09:09
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奔波儿
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【原创翻译】第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(3) 20

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(2)

玻尔后来说,在柏林访问期间,他的时间都用在“夜以继日地探讨理论物理问题”。对这位喜欢谈论物理的人而言,这不啻于是最好的休息。大学里的青年物理学家们邀请玻尔共进午餐,而那些“大师们”都不在受邀之列,这让玻尔感到特别荣幸。因为在讲座结束后,年青人们发现“因为我们感到自己没听懂多少,这让我们有些泄气”,而这时是向玻尔提问的好机会。但是,爱因斯坦却对玻尔所讲的东西理解透彻,而且他并持有异议。

就像几乎所有人那样,玻尔并不相信爱因斯坦的光量子真的存在。和普朗克一样,他接受辐射是以量子形式释放和吸收的观点,但并不认同辐射本身也是量子化的。在他看来,有大量的证据支持光波理论,但是,他对包括爱因斯坦在内的在座的物理学家们说:“我不会对辐射的本质问题产生疑问。”然而,爱因斯坦在1916所做的工作,即自发辐射和受激辐射,以及电子在不同能级间的跃迁,给他留下了深刻的印象。在他失败的地方,爱因斯坦利用几率和概率做了诠释,取得了成功。

依据爱因斯坦的理论,当电子从一个能级跃迁到能量较低的能级时,其所释放的光量子的时间和方向无法得到预测,这让爱因斯坦一直很头痛。“无论如何,”他在1916年写道,“我完全相信自己所选择的道路是可靠的。”他坚信这条道路会逐渐通向一个完整的因果关系。但在玻尔所做的讲座中,玻尔认为根本不可能精确判定这一时间和方向。这两个人发现他们站在了彼此的对立面。在接下来的日子里,当他们在柏林的大街上散步的时候,或者在爱因斯坦家共进晚餐的时候,他们都试图说服对方接受自己的观点。

“在我的生活中,几乎没有人能像你的来访一样给我带来如此的愉悦”,玻尔返回根本哈根以后,爱因斯坦在写给他的信中说“我正在研读你的大作,除非是我碰巧在什么地方卡住了,我总是兴致勃勃,你那张孩子气的笑脸恍然如在眼前,正在对我微笑和阐释着。”这位丹麦人给人留下了深刻而又永恒的印象。“玻尔好像还在这儿,我和你一样,为他着迷,”爱因斯坦在几天后对保罗·埃伦费斯特说“他就像是一个多愁善感的孩子,在被催眠的状态下,游走在这个世界上。”玻尔用他并不擅长的德语,一样试图表达出他遇见爱因斯坦后的感想,他回信说:“对我而言,能与你会面和交谈,这是我莫大的荣幸。你也许无法想象,能亲耳聆听你的观点给我带来了如此有益的启迪。”玻尔很快就又重新经历了这一切。爱因斯坦去挪威访问,八月份,在他返回途中,他特意在哥本哈根停留,对玻尔进行了短暂的拜会。

“他有着超常的天赋,是一位异常优秀的人物”,爱因斯坦在拜会玻尔后写信给洛仑兹说“大部分的杰出物理学家都是如此光辉灿烂的人物,这对物理学界而言是多么好的一个兆头。”但有两位并不在这个名单中,他们视爱因斯坦为敌对的目标。菲利普·莱纳德(他在光电效应方面的实验工作被爱因斯坦在1905年用来证实光量子学说)和约翰内斯·斯塔克(他发现了谱线在电场中会发生分裂)已经沦落成为反犹主义者。这两位诺贝尔奖获得者背后存在一个组织,该组织自称为“德国科学家捍卫纯科学工作组(the Working Group of German Scientists for the Preservation of Pure Science)”,其首要目的就是谴责爱因斯坦和相对论学说。1920年8月24日,该组织在柏林爱乐音乐大厅召开会议,攻击相对论是“犹太物理学”,而其创立者是一个剽窃者和骗子。爱因斯坦并没有被吓住,他和瓦尔特·能斯特一同赴会,当这伙人在台上肆意对他进行诋毁的时候,爱因斯坦和能斯特正在一间包厢里面看着他们表演。爱因斯坦可不想自找苦吃,因此他一言不发。

能斯特,海恩里希·鲁本斯以及马克斯·冯·劳厄在报纸上发表文章为爱因斯坦辩护,严词驳斥那些强加于他的无端指责。爱因斯坦在《柏林每日评论报》(Berliner Tageblatt)上发表了题为“我的回复”(My Reply)的文章,这让他的很多朋友和同事感到很沮丧。爱因斯坦指出,如果他不是一个犹太人和国际主义者,就不会被人如此抨击。爱因斯坦很快就对自己因为被激怒而写下这篇文章感到后悔。“为了能让神灵和人类高兴,在任何一个时代,每个人都会成为愚蠢的祭坛上的祭品”,他在写给普朗克及其夫人的信中说。他很清醒地认识到他的名望意味着“自己就像一个神话传说中能够点石成金的人物,因此我的一举一动都能在报纸上引发一阵骚乱。”很快,关于爱因斯坦可能离开德国的谣言就四处传开了,但他还是选择待在柏林,“在这个地方,我被朋友和科学无比牢固地紧紧拴住”。

在爱因斯坦和玻尔在柏林和哥本哈根接连两次会面的两年间,他们分别独立进行着量子方面的研究工作,而他们同时都开始感到了压力。“我想,有这么多杂事缠身对我而言可能是一件好事”,爱因斯坦在1922年3月写信给埃伦费斯特说“否则,量子问题可能早就把我带进了疯人院。”一个月后,玻尔对索末菲坦诚相告:“在最后那几年,我经常感到自己在科学道路上异常孤独,因为我觉得自己在系统化地发展量子理论方面殚精竭虑,但却没有几个人能理解我。”他这种孤立无助的感觉很快就要结束了。1922年6月,当他在德国旅行期间,他在哥廷根大学待了11天,期间做了七场系列报告,被称为“玻尔音乐节(Bohr Festspiele)”。

来自德国全国各地的一百多位青年和老年物理学家们前来听讲,玻尔解释了他的电子层原子模型(the Eletrcon Shell Model of the Atom)。这是他创立的一个新的理论模型,描绘了在原子内部,电子是如何分布的,进而解释了元素周期表中各个元素的位置和分组。他提出轨道层就像洋葱皮一样,包裹着原子核。每一层实际上都是由一些电子轨道的集合或它们的子集组成的,而且每层所能容纳的最大电子数目是一定的。具有相同化学特性的元素,之所以如此,是因为它们的最外层拥有相同的电子数目。

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根据玻尔的模型,钠原子所拥有的11个电子是按照2,8,1的顺序来分布的。铯原子的55个电子则是按照2,8,18,18,8,1的顺序分布。因为这两种元素在其最外层都只有一个电子,因此钠和铯具有类似的化学特性。在玻尔所做的报告中,玻尔利用他的理论作出了预测。原子数为72的未知元素应该在化学特性上与原子数为40的锆,以及原子数为22的钛类似,而后两位在元素周期表中位于同一列。玻尔说,该元素并不像他人所预测的那样隶属于元素周期表两侧的“稀土(rare earth)”元素组。

爱因斯坦并没有参加玻尔在哥廷根所作的报告会,他正在为自己的生命而担心,当时,德国的犹太裔外交部长刚刚被人谋杀。瓦尔特·拉特瑙(Walther Rathenau)是德国首屈一指的实业家。在他刚刚就任外交部长一职短短几个月之后,即1922年6月24日,光天化日之下,他被人枪杀,成为战后被右翼份子刺杀的第354位牺牲者。爱因斯坦曾经和别人一起批评过拉特瑙不该在政府中就任如此高调的职务。当他这样做的时候,在右翼媒体眼中,这种行为被视为是“对人们进行的一次闻所未闻的挑衅!”。

“因为拉特瑙被人无耻地暗杀了,我们这儿的日常生活也因此变得让人神经紧张”,爱因斯坦在写给莫里斯·索罗温的信中说“我总是时刻保持警惕;我已经不再做什么报告了,也不在公开场合露面,尽管,实际上我并没有真的消失。”据可靠消息透露,爱因斯坦是暗杀的首要对象,他对玛丽亚·居里夫人说他正考虑放弃自己在普鲁士科学院的职位,然后找一个安静的地方定居下来做一个普普通通的百姓。这个在青年时期就憎恶权威的人如今自己却成为了权威的代名词,他已经不再是一个纯粹的物理学家,而成为了德国科学界和犹太人的象征。

尽管现实生活一团糟,但爱因斯坦还是研读了玻尔发表的论文,包括“原子的结构与元素的物理化学特性(The Structure of the Atoms and the Physical and Chemical Properties of the Element)”译文,这篇文章于1922年3月发表在《物理学学报(Zeitschrift fur Physik)》上。大约半个世纪之后,爱因斯坦回忆说玻尔的“电子层原子模型及其在化学上的重大意义对我而言就像是一道神迹——而且至今为止依然如此”。爱因斯坦赞誉说它是“思想领域最顶层的东西,有着音乐般的美感”。玻尔的理论确实是具有艺术般美妙的科学成就。利用涵盖原子谱线以及化学领域的各种证据,玻尔建立了一个特殊的原子模型,从一个电子层开始,就像洋葱那样,一层加一层,他一步步构建了元素周期表上每一个元素的原子结构。

玻尔所采用的方法存在一个核心思想,即他认为量子法则虽然只是运用于原子尺度,但是,根据这些法则所得到的结论必须要与经典物理法则所统治的宏观观测结果一致。为此,他提出了“对应原理(Correspondence Principle)”,按照这一原理,在原子尺度所得到的理论结果被推广到宏观尺度以后,如果该理论结果与经典物理学所认同的结果相左,则该理论应该被抛弃。自1913年以来,玻尔利用对应原理在本来壁垒森严的量子物理学和经典物理学之间搭建了一座桥梁。可是,玻尔的助手亨德里克·克拉默斯(Hendrik Kramers:1894~1952)后来回忆说一些人认为这一原理不过是“一根魔杖,离开哥本哈根就不灵了”。尽管其他人并不太情愿挥舞这根魔杖,但爱因斯坦却成为对其钟爱有加的魔法师之一。

玻尔关于元素周期表的理论解释缺乏严格的数学理论作为后盾,一些人因此对其持保留态度,但是丹麦人的这个最新理论给每一个人都留下了深刻的印象,至于遗留下的那些问题,大家认为还有解决的空间。“我在哥廷根的访问非常完美,而且让我受益匪浅”,玻尔在回到哥本哈根以后写道,“每个人都我都是那么友好,我无法形容我是多么高兴。”他从此不再感到自己怀才不遇或者无人理睬。在那一年的年底,假如他还需要的话,他将得到进一步的肯定。

在哥本哈根,玻尔的办公桌上堆满了祝贺的电报,但对他意义最大的是一封来自剑桥的电报。“对于您被授予诺贝尔奖之事,我们感到非常高兴”,卢瑟福在电报中写道“我以前就知道这对您而言只是早晚的事情,但最重要的是它已经变成了现实。这是对您的伟大成就予以最隆重的认可,听到这个消息的时候,我们这儿每个人都高兴坏了。”在消息公布后的几天里,卢瑟福经常浮现在玻尔的脑海里。“自从我第一次在曼彻斯特有幸与您相会以来,我对您无比感激,”玻尔对他这位前导师说,“不但因为您对我的工作所产生的直接影响以及您给予我的灵感,而且因为与您这十二年的友谊。”

让玻尔心存感念的另一个人就是爱因斯坦。在玻尔荣获1922年度的诺贝尔奖那天,他既高兴又放松。而爱因斯坦虽然是在1921年获得了诺贝尔奖,但该奖正式颁发给他的时间却整整被延迟了一年。“我知道自己根本配不上这个奖,”他在信中对爱因斯坦说,“但我想说,在我自己被授予这项荣誉之前,我认为这是一个很好的时机,能让人们认识到你在这个特殊领域的贡献,以及卢瑟福和普朗克的功绩。”

在当年的诺贝尔奖得主名单被公布之际,爱因斯坦正在一艘驶往世界另一端的船上。10月8日这天,为自己的人身安危忧心忡忡的爱因斯坦携艾尔莎前往日本,他受邀去做一次学术报告。他“很高兴能利用这个机会离开德国一段日子,这儿就目前来说变得越来越危险”。等他回到德国时,已经是1923年的2月。原计划,他的旅行只有六周时间,但最后却变成了一次长达五个月的漫长旅程,而他是在路上收到玻尔的来信的。在回程中,他回复说:“我可以毫不夸张地说[你的来信]让我非常高兴,就像我自己获得了诺贝尔奖一样。一想到你会害怕在我之前获得诺贝尔奖——这是典型的玻尔思维,我就觉得真有意思。”

1922年12月10日,一张雪毯笼盖着瑞典首都,受邀嘉宾汇聚在斯德哥尔摩的音乐学院大厅(the Great Hall of the Academy of Music),参加诺贝尔奖颁奖典礼。下午五点,国王古斯塔夫五世(Gustav V)莅临会场,典礼正式开始。德国驻瑞典大使代表缺席的爱因斯坦领取了诺贝尔奖,但在这之前,由于这位物理学家的国籍问题,他与瑞士大使之间发生了一场外交纠纷。瑞士宣布爱因斯坦是他们的国民,但德国却提出早在1914年,当爱因斯坦接受了普鲁士科学院的职位以后,他就自动成为一名德国公民,虽然他并没有放弃其瑞士国籍。

爱因斯坦是在1896年放弃德国国籍,并在五年之后获得了瑞士国籍,但听到他是一个德国公民时,他感到很吃惊。无论他是否乐意,魏玛共和国的需要意味着爱因斯坦实质上具有双重国籍。“这也算是一种为了迎合受众而运用的相对论,”爱因斯坦在1919年11月写给伦敦时报的一篇文章中说,“现在,在德国,我被称作是德国科学家,而在英格兰,我则被当作是瑞士犹太人。但假如我被人当作是一个不受欢迎的异类(bête noire),那么对我的描述就会面目全非,对德国人而言,我将会是一个瑞士犹太人,而在英国人眼中,我就变成了德国科学家!”假如爱因斯坦当时也光临了诺贝尔奖典礼的宴会,当德国大使致答谢辞,表达“德国人民无比欢欣,因为他们中间又出了一个能为全人类做出杰出成就的代表”之时,爱因斯坦可能会想起他以前所说的这段话。

在德国大使结束发言后,玻尔站了起来,依照惯例,他做了一个简短的讲话。在向汤姆森、卢瑟福、普朗克和爱因斯坦表达谢意以后,玻尔特意向为了科学的进步而开展的国际合作表示感谢,“我可以说,在那些接踵而至的艰难岁月中,这些合作是人类世界中那些有目共睹的闪光点之一。”一有机会,他就向大家表达自己反对将德国科学家排斥在国际学术圈之外的这种立场。第二天,当玻尔进行他的诺贝尔奖报告《原子的结构(The Structure of the Atom)》时,他信心十足。“原子理论的发展现状,是基于以下事实:我们不但认为原子的存在是不容置疑的事实,”他发言说,“而且我们甚至知道我们完全了解单个原子的组成结构。”在过去十年间,玻尔在原子物理领域都处于核心地位,在对该领域的发展做出回顾和总结之后,他以生动感人的语言做了总结陈词。

当玻尔在哥廷根大学做报告期间,他曾经根据自己关于原子中电子的分布理论,对原子数为72的未知元素所具有的特征做出了预测。恰好在同一时间,有人发表了一篇论文,是关于当时在巴黎所进行的一次实验,其结果证实了法国人所持的一个与玻尔的结论一直以来争锋相对的观点,即72号元素属于元素周期表中占据57~71号的“稀土”元素一族。刚听到这个消息时,玻尔心头一震,但他随即对法国人的结果是否合理产生了严重的质疑。幸运的是,他在哥本哈根的老朋友乔治·冯·海韦西,以及德克·科斯特(Dirk Costle:1889~1950)设计了一个实验,试图解决有关72号元素的争议。

在海韦西和斯科特完成他们的实验调查时,玻尔已经启程前往斯德哥尔摩。但在玻尔做报告前的一刻,科斯特打来电话与他做了简短的交谈,谈话结果让玻尔可以宣布72号元素的“准确的量化信息”已经被测算出来,“其化学特性与锆元素非常近似,但与稀土元素一族泾渭分明”。该元素后来被冠以哥本哈根的古名“铪(Hafnium)”。10年前,玻尔是在曼彻斯特开始研究原子内部的电子分布问题,而这一结果给他的这项研究工作画上了一个完美的句号。

1923年7月,在纪念瑞典哥德堡建市300周年的庆典上,爱因斯坦做了自己的诺贝尔奖报告,内容是关于相对论。他之所以获得此奖是“由于他在数学物理上的非凡造诣,特别是他发现了光电效应的定律”,但他却打破惯例,(避开这项研究不说,)而谈起了相对论。爱因斯坦提出了能够解释光电效应的数学公式,同时也提出了饱受大家争议的物理解释——光量子,因此诺贝尔奖委员会在决定授予爱因斯坦诺贝尔奖时,很有技巧地绕开了这个争议话题,而只专注于“定律”。玻尔在做他自己的诺尔奖报告时说“尽管光量子假说具有一定的启发意义,但它却与所谓的干涉现象无法调和,因此在揭示辐射现象的本质方面并没有什么实质意义”。爱因斯坦前往拜会玻尔,这是他三年来第一次与玻尔会面。此时,当他了解到一个年轻的美国人做了一个实验时,他明白自己在捍卫光量子的战斗中不再是单枪匹马了。其实,玻尔早在爱因斯坦之前,就已经知道了这个令人震惊的消息。

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(4)


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通宝推:尚儒,唐家山,逍遥清风,桥上,
最后于2018-11-18 11:15:46改,共1次;
2018-11-09 13:09:09

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