▲ 尼尔斯·玻尔
今天我们来聊一聊这位创立哥本哈根学派、获得诺贝尔物理学奖、与爱因斯坦爱恨交织的物理学男神玻尔!
足球?物理?
玻尔1885年出生于丹麦哥本哈根,父亲是哥本哈根大学生理学教授,母亲来自富裕的犹太家庭,弟弟后来成为剑桥大学数学教授。
▲ 玻尔家族
自幼天赋异禀的玻尔不仅是当地有名的学术大师,而且特别擅长体育运动,俗称“别人家的孩子”。
1903年,18岁的玻尔以优异的成绩考入丹麦排名第一的哥本哈根大学,主修物理,业余时间也是一名优秀的球手!
原本以为玻尔会继续专心研究物理,但他却被星探发现,与弟弟汉纳德·玻尔一起成为著名的足球运动员,两兄弟(一个是主力门将,一个是主力前锋)主宰了丹麦足坛。
▲ 汉纳德·玻尔和尼尔斯·玻尔
1908年伦敦奥运会,弟弟为丹麦夺得了足球银牌,哥哥却只能在场边观看,至于为什么波尔被列为替补,那就有点意思了!
当其他球队都在尝试外围射门的时候,主力门将波尔却在比赛中倚在球门柱上,思考着数学题。赛后,其他人发现球门柱上写满了各种公式。至于教练,更是气得把波尔按在了替补席上!
后来,两兄弟不再踢足球,弟弟汉纳德·玻尔则成为剑桥大学的数学教授,为周期函数的研究奠定了主要基础。
其兄尼尔斯·玻尔创立了哥本哈根学派,后来成为科学史上与爱因斯坦匹敌的巨星。
哥本哈根学派创始人
1913年,玻尔开始研究原子辐射问题,并写出了具有划时代意义的长篇论文《论原子和分子的结构》,提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质,构建了原子结构的玻尔模型。
这也是量子概念首次运用到原子、分子结构中,玻尔不仅因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖,还接替普朗克,正式成为新一代量子力学的掌门人。
虽然玻尔一战成名,但他在本国的知名度远不及“著名足球运动员”这个称号,毕竟当时丹麦报纸常用的标题是:“著名足球运动员尼尔斯·玻尔荣获诺贝尔奖”。
1920年9月,玻尔一直筹建的哥本哈根理论物理研究所(即玻尔研究所)终于落成。
▲ 哥本哈根理论物理研究所
没想到研究所成立不久,就吸引了无数热爱物理的年轻人和世界著名物理学家。
海森堡、克雷默斯、狄拉克、泡利、赫维格、哈特尔、朗道、派耶斯、周培源等一大批杰出的物理学家都曾来这里进行学术研究。
▲ 朗道、泡利和周培源
所以,人们常常问玻尔,他如何能聚集那么多才华横溢的年轻人。一向不拘小节的玻尔回答道:“没有什么秘密。只有一件事是清楚的:我不怕在年轻人面前承认自己的无知。”
无论是评论最近发表的文章还是展示个人工作,研究人员都可以自由地表达个人观点。
正如玻尔所说:“我们不仅要依靠少数科学家的能力和才华物理学家老俩口,还要不断吸收相当数量的年轻人,使他们熟悉科学研究的成果和方法。只有这样,才能在最大限度内不断提出新的问题。通过年轻人自己的贡献,让新鲜的血液和新的思想不断流入科学研究中。”
在这种平等、自由、团结的学术研究氛围中,物理学中许多最深奥的问题得以解决,并逐渐形成了“哥本哈根学派”。
因此哥本哈根大学已经成为世界各大科研中心,拥有物理学领域的顶尖人才资源,不仅有顶尖教授手把手教你,甚至还能拿到教授的推荐信,非常适合高中以上想要出国留学继续深造的学生。
爱情与玻璃之战
说到这里,不得不提物理学界的另一位男神——爱因斯坦。两人互爱互恨,在物理学界“互相撕逼了大半辈子”。我们在德国柏林相识,第一次见面就玩得很开心。
但从此以后,两人开始了终生对量子力学理论基础解读的争论,只要一见面网校头条,就会无休止地唇枪舌战。
“鲍-埃尔利希之争”最著名的三轮是1927年、1930年和1935年的索尔维会议。
第 1 轮
我们先来看一下1927年第五届索尔维会议的合影,这可以说是一次史无前例、无与伦比的物理学盛会。
爱因斯坦高举着相对论的大旗和光电效应的光环,玻尔高举着他的“氢原子模型”,玻恩嘴里念叨着“概率”,德布罗意驾驭着他的“波”,孔特的西装上印着“效应”两个字,狄拉克拿着“算符”,薛定谔拎着他的“方程”,而他的身后还藏着一只半死不活的“猫”。
布拉格提出了“晶体结构”的模型,海森堡和他的同学泡利密不可分,他们分别持有“不确定性原理”和“不相容原理”,埃伦费斯特也持有他的“浸没原理”。还有“渐变原理”,居里的“镭和钋”,洛伦兹的“变换”,普朗克的“常数”,朗之万的“原子论”,威尔逊的“云室”等等。等等。
▲ 物理界迄今为止最豪华的阵容
会议分成了两派,一派是以爱因斯坦为首的理论物理学家(薛定谔、德布罗意等),一派是以玻尔为首的哥本哈根学派(海森堡、泡利等)。在索尔维会议上,玻尔率先根据海森堡提出的不确定性原理,做出了大胆的推论:粒子运动的轨迹是不确定的。
▲ 海森堡不确定性原理
但爱因斯坦完全否定了海森堡的不确定性原理,认为完整的物理理论应该是确定性的、实在的和局部的。
但玻尔却毫不含糊,立即反驳道,“关键在于,我们无法区分所看到的究竟是原子本身的行为,还是原子与测量仪器之间的相互作用。在观察存在这个大舞台时,我们既是观众,又是演员。”
玻尔的推论犹如一颗重磅炸弹,彻底颠覆了传统物理学对于“实在”的认识,立刻引起物理学界的轩然大波。
对此,爱因斯坦举了一个非常尖锐的例子(以α射线粒子为例):“很抱歉,我没有深入研究过量子力学,但我愿意谈一谈我的一般看法。”
但玻尔很快就证明,爱因斯坦所举的例子与他的推论并不矛盾。
最终在1927年的索尔维会议上,玻尔领导的哥本哈根小组取得了伟大的胜利。
不过正式会面结束后的几天里,讨论就紧张多了,据海森堡回忆,那段时间,爱因斯坦总会在早餐桌上向玻尔抛出一个又一个实验,但玻尔每次都能轻松解决!
第二轮
三年后,1930 年第六次索尔维会议上,早有准备的爱因斯坦提出了一个著名的思想实验——光子盒,在这个实验中,时间和能量可以同时精确测量,因此不确定性原理不成立。
▲ 爱因斯坦的光子盒
离开会议之后,玻尔一直自言自语:“如果爱因斯坦是对的,那物理学就完蛋了!”第二天,他根据爱因斯坦自己提出的相对论,证明了这个思想实验是有缺陷的。
▲ 广义相对论
爱因斯坦虽然被玻尔的话震惊了,但是他还是固执地说道:“量子理论也许是自洽的,但是至少是不完备的!”
虽然玻尔用爱因斯坦的广义相对论反驳了光子盒实验,但他心里还是忐忑不安,因为他知道这只是他走捷径得出的结论,还有很多严格的概念需要澄清。他一直为此耿耿于怀,直到1962年他去世时,人们才发现玻尔实验室的黑板上还残留着爱因斯坦光子盒的图画。
最终,在第二轮辩论中,两人都没能说服对方,比赛以平局结束!
第三轮
第三轮“博—埃里克森辩论”始于1935年,辩论进入高潮。
这一次,爱因斯坦并不是孤军奋战,他和波多尔斯基、罗森联手发表了《量子力学对物理实在的描述完备吗?》的论文,在论文中设计了一个粒子衰变为两个粒子的实验,是对玻尔领导的哥本哈根学派的反击。
这次反击就是物理学史上著名的“罗森悖论”,这个悖论涉及微观世界的物理实在性。
玻尔并不是一个容易被说服的人,面对爱因斯坦等人的反击,他以测量仪器与客观实在不可分割为由,否定了EPR论证的前提——物理实在的认识论标准,从而否定了EPR实验的悖论性质。
可惜玻尔的反驳和论证都有些含糊,所以爱因斯坦等人并不接受玻尔的理论。爱因斯坦认为,虽然哥本哈根学派的解释符合经验事实,但是作为一个完备的理论,应该是确定性的,而不是用概率语言表达的概率理论。
最终,第三轮辩论以平局结束!
很多物理学家都对20世纪两位最伟大的物理学家之间的这场辩论给予了高度评价。美国物理学家约翰·惠勒曾说过:“没有矛盾和谬误,就不可能有科学的进步。约利的思想火花物理学家老俩口,往往就在两种同时并存的矛盾的碰撞和探讨中迸发出来。”
▲ 约翰·惠勒
这两位20世纪最伟大的科学家,一生中从未停止过爱恨交织。当事人玻尔认为,这场争论是他“许多新思想的源泉”,爱因斯坦也给予玻尔极高的评价:“他拥有罕见的大胆与谨慎的结合,无疑是我们科学界最伟大的发现者之一。”