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他是丹麥國(guó)家隊(duì)的守門員,也是個(gè)量子物理學(xué)家,還拯救過(guò)世界

 昵稱22998329 2016-07-17

文/王江山(哪吒大魔王)

本屆歐洲杯,冰島成了一匹黑馬,令人不禁想起1992年的丹麥隊(duì):本是弱雞隊(duì)伍,卻在比賽中過(guò)五關(guān)斬六將奇跡般奪得冠軍,上演一出丹麥神話。大概,北歐人民天生帶有奇跡加成。


1908年的倫敦奧運(yùn)會(huì)上丹麥隊(duì)奪得了男子足球銀牌

圖片來(lái)源:www.wiki.com

和92年丹麥隊(duì)的低起點(diǎn)相比,一百多年前的丹麥隊(duì)可風(fēng)光得多——1908年的倫敦奧運(yùn)會(huì)上丹麥隊(duì)奪得了男子足球銀牌。當(dāng)時(shí)的隊(duì)伍中有位球星哈拉德·玻爾(Harald Bohr)為了球隊(duì)的勝利作出了極大的貢獻(xiàn),他還有個(gè)作為門將替補(bǔ)隊(duì)員的哥哥,雖未上場(chǎng),但他高高壯壯卻一臉呆相的模樣卻讓人印象深刻。這位哥哥平時(shí)在 AB俱樂(lè)部(Akademisk Boldklub丹麥最偉大的足球俱樂(lè)部)訓(xùn)練時(shí)常常對(duì)著門柱沉思,手指微動(dòng),口中念念有詞。

哦對(duì)了,忘了說(shuō),他的本職是一位量子物理學(xué)家。

So,到底是誰(shuí),四肢發(fā)達(dá)也就罷了,頭腦還這么聰慧呢,這簡(jiǎn)直是作弊??!

來(lái),認(rèn)識(shí)一下這位大牛。


尼爾斯·玻爾

Niels Henrik David Bohr

1885年10月7日~1962年11月18日


圖片來(lái)源:www.technologycorp.com

1908年,時(shí)年23歲的玻爾不會(huì)想到,自己獲得1922年諾貝爾獎(jiǎng)時(shí),丹麥報(bào)紙會(huì)用這樣的標(biāo)題報(bào)道這一喜訊:《著名足球運(yùn)動(dòng)員尼爾斯·玻爾獲諾貝爾獎(jiǎng)》


“波爾可是個(gè)足球運(yùn)動(dòng)員”

1911年,從哥本哈根大學(xué)拿到了科學(xué)碩士和哲學(xué)博士的玻爾來(lái)到了英國(guó),轉(zhuǎn)年他慕名來(lái)到了盧瑟福(Ernest Rutherford)在曼徹斯特的實(shí)驗(yàn)室。于是這位名字中暗藏祝福(字面意思應(yīng)該是loser的福氣……吧)的大師就成了他的新導(dǎo)師。


盧瑟福

圖片來(lái)源:www.wiki.com

他非常信任玻爾,玻爾在盧瑟福的研究室時(shí)的情況是這樣的。

“先生,這些輻射是從原子的哪個(gè)部分發(fā)出來(lái)的?”新來(lái)的學(xué)生問(wèn)。

“去問(wèn)玻爾!”

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的玻璃管哪能弄到?”助理問(wèn)。

“去問(wèn)玻爾!”

“您新買的小汽車——”

“去問(wèn)玻爾!”

……

“玻爾和其他理論家有什么不同?”

盧瑟福正色道:“那是當(dāng)然的,玻爾可是個(gè)足球運(yùn)動(dòng)員!”


在那里,玻爾深入研究了盧瑟福的原子模型。他發(fā)現(xiàn)雖然它能使物質(zhì)性質(zhì)的分類極大的簡(jiǎn)化:放射性輻射起源于原子核,化學(xué)性質(zhì)取決于核外電子……可它不符合現(xiàn)實(shí)。

盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型又稱“原子太陽(yáng)系模型”。它認(rèn)為原子的質(zhì)量幾乎全集中在直徑很小的核心區(qū)域,這個(gè)區(qū)域被叫做原子核,帶正電;而電子在原子核外繞核作軌道運(yùn)動(dòng),帶負(fù)電。如微型太陽(yáng)系,帶正電的原子核像太陽(yáng),帶負(fù)電的電子像繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的行星。

在這個(gè)小小的“太陽(yáng)系”里,支配它們之間的作用力是電磁相互作用力原子質(zhì)量的絕大部分集中在一個(gè)很小的核心上??蓭ж?fù)電的電子繞核旋轉(zhuǎn)時(shí),它應(yīng)當(dāng)不斷地輻射出能量,從而沿螺旋形急速地向原子核“隕落”。但如此一來(lái),原子就會(huì)坍縮掉。如果世界由無(wú)數(shù)的原子組成,假若每一個(gè)原子都在坍縮,我們的世界不也應(yīng)該很快就垮掉嗎?

那問(wèn)題出在哪?玻爾為此冥思苦想了很久,寫了幾沓草稿紙。

好景不長(zhǎng),玻爾要回老家結(jié)婚了(是真結(jié)婚!不是立 flag!)臨走前他把自己的推想過(guò)程工整的寫在紙上,黏在一起成為一個(gè)長(zhǎng)卷,然后敲開(kāi)了盧瑟福的門。玻爾不避諱的對(duì)盧瑟福發(fā)模型提出了批評(píng)。他認(rèn)為現(xiàn)有的對(duì)模型的解釋是不完善的。經(jīng)過(guò)計(jì)算,他發(fā)現(xiàn)只有一條軌道的原子不能擁有多余7個(gè)的電子,因?yàn)樵俣嗉右粋€(gè),就會(huì)形成一個(gè)新的軌道。有趣的是,增加一條新軌道,就會(huì)增加一批新元素。


玻爾與妻子瑪格麗特Margrethe N?rlund

沒(méi)想到老師沒(méi)有為他的批評(píng)而惱火,反而鼓勵(lì)他繼續(xù)研究。于是新婚燕爾的玻爾開(kāi)始深入思考原子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

既然原子只發(fā)出特定頻率的光,這是不是意味著電子不能任意改變軌道,只能處于某些特定的軌道上?于是玻爾構(gòu)造了一個(gè)這樣的模型:一個(gè)帶正電的核與一個(gè)以圓形軌道繞核運(yùn)行、帶負(fù)電的電子構(gòu)成的原子,如此一來(lái),唯一需要確定的參數(shù)就是軌道半徑了。此時(shí)他發(fā)現(xiàn),電子的電量e和質(zhì)量m,必須和普朗克常數(shù)h結(jié)合起來(lái), 才可以推導(dǎo)出能長(zhǎng)度量綱來(lái)。

所以要解釋這種模型,必須引入量子概念!能量是一份一份輻射,而非連續(xù)輻射的,電子其實(shí)是被束縛在不同的“能級(jí)”上,能量的輻射或吸收其實(shí)是電子在不同的能級(jí)之間存在“躍遷”。玻爾在回憶錄中寫道:“只有量子假說(shuō)是逃脫困境的唯一出路”。


玻爾改良了盧瑟福的原子模型。

1913 年,3月,6月和9月,玻爾給盧瑟福寄去了論述原子和分子結(jié)構(gòu)的三篇論文。溫吞的玻爾這下子來(lái)了個(gè)大逆轉(zhuǎn),論文里提出的假設(shè)簡(jiǎn)直就是大逆不道——他在論文中提出了和經(jīng)典理論完全違背的量子不連續(xù)性,但卻成功地解釋了氫原子和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)——現(xiàn)在讓我們回到玻爾的那個(gè)理想模型:一個(gè)帶正電的核與一個(gè) 以圓形軌道繞核運(yùn)行、帶負(fù)電的電子構(gòu)成的原子。

看起來(lái)是不是很熟悉?

對(duì),就是氫原子,結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的原子。玻爾因此成功地解釋了氫光譜,這一模型的使用,也使原子物理光譜學(xué)結(jié)合在了一起玻爾將這位“量子”這位王者從那扇多年前由馬克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)打開(kāi)的大門背后請(qǐng)了出來(lái),讓它帶著我們,進(jìn)入了一個(gè)全新的世界。(玻爾因此獲得了1922年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))


“量子力學(xué)是完備的嗎?”

量子力學(xué)誕生后,以玻爾、海森堡、和泡利為主的哥本哈根學(xué)派一直認(rèn)為量子力學(xué)本身已經(jīng)是完備的理論,而愛(ài)因斯坦一直批評(píng)它并不完備。1927年第五屆索爾維會(huì)議上,雙方的爭(zhēng)論達(dá)到了頂峰。


1927年第五屆索爾維會(huì)議

圖片來(lái)源:euranetplus-inside.eu

愛(ài)因斯坦堅(jiān)持認(rèn)為,量子力學(xué)只能描述處于相同環(huán)境中為數(shù)眾多而又彼此獨(dú)立的粒子全體,而不能描述單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因?yàn)閱蝹€(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須是決定性的,而不能是統(tǒng)計(jì)幾率性的。因此,現(xiàn)有的量子力學(xué)理論是不完備的。

玻爾則堅(jiān)持實(shí)證論:他認(rèn)為量子世界是虛幻的、不真實(shí)的,只有對(duì)量子世界進(jìn)行了測(cè)量之后的結(jié)果才是真實(shí)的。所以現(xiàn)有的量子力學(xué)理論并沒(méi)有問(wèn)題,它恰好可以計(jì)算這個(gè)復(fù)雜的量子世界,而且符合實(shí)際。

每天,當(dāng)大家在旅館的餐廳用早餐時(shí),辯論就開(kāi)始了。愛(ài)因斯坦描述自己的思想實(shí)驗(yàn),玻爾通常沉默的傾聽(tīng)海森堡和泡利走在后面,跟著玻爾和愛(ài)因斯坦。在他們眼中,這兩個(gè)神話般的物理學(xué)巨人的哲學(xué)態(tài)度是如此迥異,簡(jiǎn)直就是一種鮮明對(duì)比。常常到了傍晚,玻爾就會(huì)想到駁斥愛(ài)因斯坦的方法。

愛(ài)因斯坦聽(tīng)著,心里很不服氣。

但很多時(shí)候竟然無(wú)法反駁。

終于在一次晚飯后,愛(ài)因斯坦憤怒的放下刀叉,忍無(wú)可忍的對(duì)著玻爾說(shuō)了那句眾所周知的格言:“上帝不擲骰子!”

玻爾針?shù)h相對(duì):“但,不確定性也是自然的一部分。


玻爾與愛(ài)因斯坦在辯論中

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本次交鋒沒(méi)有結(jié)果,轉(zhuǎn)眼就到了1930年第六屆索爾維會(huì)議。愛(ài)因斯坦有備而來(lái),提出了科學(xué)史上著名的思想實(shí)驗(yàn)——“光子盒”,想論證測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的核心公式不成立。沒(méi)想到第二天,玻爾居然就用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論理論中的紅移公式,推出了能量和時(shí)間遵循的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系,漂亮的駁斥了他。

1933年第七屆索爾維會(huì)議上,愛(ài)因斯坦沒(méi)能出席。那時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)破壞了物理學(xué)家的日常生活,他翻山跨海,到了大洋彼岸的普林斯頓。他仍沒(méi)有放棄自己的觀點(diǎn),準(zhǔn)備從更普遍、更原則的方面來(lái)論證現(xiàn)有形式下的量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是不完備的。

愛(ài)因斯坦找了兩個(gè)助手:鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)和納森·羅森(Nathan Rosen)一起撰寫了一篇文章:《量子力學(xué)對(duì)于物理事實(shí)的描述是完備的嗎?》于1935年發(fā)表于《物理評(píng)論》雜志上,并選取三人名字的首字母,署名為 EPR論文。論文提出了理論完備性的必要條件:物理實(shí)在的每個(gè)要素都必須在物理理論中有它的對(duì)應(yīng)。即,如果不對(duì)一個(gè)物理體系進(jìn)行干擾,我們就能確定地預(yù)測(cè)一個(gè)物理量的值。還提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),史稱“EPR佯謬”。

玻爾看到老對(duì)手再次出招,深入思考之后,給《物理評(píng)論》寄去了論文。孩子氣的玻爾竟然取了和愛(ài)因斯坦一樣的題目:《量子力學(xué)對(duì)于物理事實(shí)的描述是完備的嗎?》他更詳細(xì)的闡明了自己的“互補(bǔ)性觀點(diǎn)”,反駁EPR的物理實(shí)在觀,聲稱必 須把復(fù)合體系看成單一的不可分離的整體,反駁了EPR佯謬的理想試驗(yàn),對(duì)著大洋彼岸的愛(ài)因斯坦隔空喊話:你說(shuō)量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是不完備的,不,我 恰恰認(rèn)定它是完備的。


而其實(shí)此時(shí),量子力學(xué)已經(jīng)高速發(fā)展,漸漸擁有無(wú)人能撼動(dòng)的地位。玻爾帶著一代又一代新人們加入到這個(gè)潮流中來(lái)。


“影響歷史進(jìn)程的一次逃亡”

1942 年末,納粹醞釀許久的核計(jì)劃開(kāi)啟了關(guān)鍵步驟:造原子彈所需的重水已儲(chǔ)備足夠,他們要將其運(yùn)到柏林。雖然盟軍對(duì)此早有準(zhǔn)備,卻仍然沒(méi)能及時(shí)阻止,德國(guó)很可能 造出原子彈。第二年年初,身在哥本哈根的玻爾收到了一封寫在微粒膠卷(間諜常用的保存密件方法)中的信——是英國(guó)科學(xué)家查德維克(J. Chadwick)寫來(lái)的。信件措辭模糊,似乎在隱隱約約地暗示什么,在結(jié)尾他邀請(qǐng)玻爾去英國(guó)。

既然是如此簡(jiǎn)單的消息,為何這么大費(fèi)周章?  

莫非是因?yàn)樽约涸谘芯康暮朔磻?yīng)理論?

玻爾此時(shí)還在哥本哈根研究所,他提出了個(gè)“液滴模型”理論,該理論很能解釋重核裂變現(xiàn)象,因此經(jīng)常與人談?wù)摵肆炎兊膯?wèn)題,說(shuō)者無(wú)心聽(tīng)者有意,納粹的戰(zhàn)爭(zhēng)販子們以各種方式妄圖將玻爾的想法記下來(lái)。

雖然玻爾一直痛恨希特勒的行為,甚至同自己的弟弟哈拉德成立了個(gè)“丹麥支援流亡知識(shí)分子委員會(huì)”來(lái)救助被迫害的流亡者們,并且宣揚(yáng)和平,可他從未想過(guò)離開(kāi)丹麥,于是婉言謝絕。

但到了當(dāng)年的九月,迫于納粹的監(jiān)視和鎮(zhèn)壓,玻爾不得不開(kāi)始了逃亡。他先逃到了瑞典,到那的第一件事就是去覲見(jiàn)瑞典國(guó)王古斯塔夫五世(Gustaf V of Sweden),希望他能對(duì)納粹施壓,讓他們放過(guò)在丹麥的猶太人??蓢?guó)王卻表示,自己早已提出這一想法,卻被納粹“侮辱性的拒絕”了,玻爾根本不了解納粹 的殘暴。

這番交流深深震撼了玻爾——他是一位科學(xué)家,政治不是他的專業(yè),之前他也并不太關(guān)心它,他只懷有和平主義的理念,甚至還對(duì)德國(guó)人抱有幻想。

現(xiàn)在,事情很明了了。忍讓不可能換來(lái)和平。

眼下最可怕的危機(jī)卻是——假若德國(guó)先造出了原子彈,那會(huì)發(fā)生什么?

玻爾脊背發(fā)涼。

他終于做出了一個(gè)決定,和兒子一起去英國(guó)。“如果一定有人要優(yōu)先制造出這可怕的武器的話,我寧可去幫助同盟國(guó),讓他們先得到它。”


玻爾和他的兒子——物理學(xué)家Aage Niels Bohr

圖片來(lái)源:what-buddha-said.net

這是1943年10月的夜晚,斯德哥爾摩。玻爾跟著來(lái)接應(yīng)自己的英國(guó)特務(wù)來(lái)到一座早已廢棄的機(jī)場(chǎng)。這里沒(méi)有指向燈,沒(méi)有控制塔,夜色像巨幕一樣覆蓋著跑道。

這架蚊式飛機(jī)映入玻爾眼簾的時(shí)候,他著實(shí)被驚到了。

它剛結(jié)束一場(chǎng)從英國(guó)而來(lái)的長(zhǎng)途飛行,螺旋槳還在撲撲轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)身竟然是普通的三合板做的。

玻爾笨拙的開(kāi)了個(gè)玩笑:“你們確定這架飛機(jī)不會(huì)在飛行途中突然解體嗎?”飛機(jī)將要飛越夜霧沉沉的英吉利海峽。玻爾戴上保護(hù)帽和面罩,像個(gè)粽子似的被綁在炸彈艙里。

蚊式飛機(jī)起飛了。夜間逃亡正式開(kāi)始。


木質(zhì)的“蚊”式轟炸機(jī)在二戰(zhàn)中給敵軍留下了深刻印象。

為了讓敵人難于截?fù)?,飛機(jī)飛行了一會(huì)兒后,就不得不爬升到更高的高度,這時(shí)乘客必須使用氧氣面罩才能維持呼吸。

飛行員用機(jī)內(nèi)對(duì)講系統(tǒng)告訴玻爾:“請(qǐng)立即戴上氧氣面罩”。

但沒(méi)有回應(yīng)。

“請(qǐng)盡快帶上氧氣面罩。”

還是沒(méi)有回答。

至少還要飛行兩個(gè)小時(shí),如果一直處于這樣的高度……玻爾只有兩個(gè)結(jié)局:窒息而死,或者凍死。

但如果降低高度,即使玻爾緩過(guò)氣來(lái),飛機(jī)也可能被敵人的夜航戰(zhàn)斗機(jī)擊中。

那么,掉頭?更不可能,那是自投羅網(wǎng)。

向上向下,向前向后,仿佛都是死路。飛行員深吸了一口氣,他知道這位神秘乘客的命就在自己的手中。

那么,賭一把。孤注一擲。

超低空飛行!

飛機(jī)開(kāi)始下降。即使會(huì)被擊中,也不能讓乘客直接死在艙內(nèi)。

飛機(jī)高度持續(xù)降低,最后幾乎是貼著海面在全速飛行,大海翻涌不息,似乎時(shí)刻想伸出浪舌將這架孤零零的飛機(jī)舔進(jìn)黑暗里。

必須更換航線。沿著德國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)航程之外的航線飛!

終于撐到奧克尼群島,飛行員打開(kāi)敵我識(shí)別器。目的地就在前方,他試著又呼喚了一次“那位客人”,仍然沒(méi)有回應(yīng)……


這是愛(ài)丁堡附近的夜間戰(zhàn)斗機(jī)基地,空曠,荒涼,似乎也被遺棄了。救護(hù)人員,機(jī)械師,軍官,大家焦急地?cái)D在一起等候著玻爾的飛機(jī)??僧?dāng)它終于顛簸的停下,人們打開(kāi)艙門時(shí),卻看到玻爾已經(jīng)昏過(guò)去了。醫(yī)生們敏捷的上去注射強(qiáng)心劑,給他輸氧。然后人們才發(fā)現(xiàn),原來(lái)在航行途中,他的通話器的插頭掉了,所以他沒(méi)聽(tīng)到飛行員的指示。

幸運(yùn)之神最終眷顧了玻爾,他很快就恢復(fù)了。不久,美國(guó)那邊拋出橄欖枝,邀請(qǐng)玻爾和他的兒子奧格·玻爾(Aage Niels Bohr 核物理學(xué)家,后獲得1975年諾貝爾獎(jiǎng))前去參與一個(gè)秘密計(jì)劃。

臨行前,玻爾父子拿到了新身份證——他們成了“尼克·貝克”大叔和年輕的“吉姆·貝克”。“貝克”父子將要參與的,是一項(xiàng)改變?nèi)祟悮v史進(jìn)程的巨大工程。


1944年的洛斯阿拉莫斯


這里,有提出了“康普頓效應(yīng)”的康普頓(Arthur Holly Compton),有做了著名的“密立根實(shí)驗(yàn)”的密立根(Robert Andrews Millikan),有“傲慢”的奧本海默(J. Robert Oppenheimer),有即使在一眾天才中也光芒四射的馮·諾依曼(John von Neumann),甚至還有吳健雄和錢學(xué)森……(如果此時(shí)全球的智慧分布可以做成光譜地圖,這里一定會(huì)被標(biāo)紅)他們共同參與著一個(gè)被命名為“曼哈頓”的計(jì)劃。那時(shí)候,如今鼎鼎大名的費(fèi)曼(Richard Feynman)還是個(gè)小青年,他是如此評(píng)價(jià)玻爾到達(dá)洛斯阿拉莫斯時(shí)的情形的:“甚至在這些‘巨頭’們看來(lái),玻爾也是一尊偉大的神。”


“曼哈頓”計(jì)劃參與者合影

圖片來(lái)源:manhattanprojectvoices.org

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