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他是丹麦国家队的守门员,也是个量子物理学家,还拯救过世界

2016年07月16日 00:00:00
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来源:果壳网

文/王江山(哪吒大魔王)

本届欧洲杯,冰岛成了一匹黑马,令人不禁想起1992年的丹麦队:本是弱鸡队伍,却在比赛中过五关斩六将奇迹般夺得冠军,上演一出丹麦神话。大概,北欧人民天生带有奇迹加成。

1908年的伦敦奥运会上丹麦队夺得了男子足球银牌

图片来源:www.wiki.com

和92年丹麦队的低起点相比,一百多年前的丹麦队可风光得多——1908年的伦敦奥运会上丹麦队夺得了男子足球银牌。当时的队伍中有位球星哈拉德·玻尔(Harald Bohr)为了球队的胜利作出了极大的贡献,他还有个作为门将替补队员的哥哥,虽未上场,但他高高壮壮却一脸呆相的模样却让人印象深刻。这位哥哥平时在 AB俱乐部(Akademisk Boldklub丹麦最伟大的足球俱乐部)训练时常常对着门柱沉思,手指微动,口中念念有词

哦对了,忘了说,他的本职是一位量子物理学家。

So,到底是谁,四肢发达也就罢了,头脑还这么聪慧呢,这简直是作弊啊!

来,认识一下这位大牛。

尼尔斯·玻尔

Niels Henrik David Bohr

1885年10月7日~1962年11月18日

图片来源:www.technologycorp.com

1908年,时年23岁的玻尔不会想到,自己获得1922年诺贝尔奖时,丹麦报纸会用这样的标题报道这一喜讯:《著名足球运动员尼尔斯·玻尔获诺贝尔奖》

“波尔可是个足球运动员”

1911年,从哥本哈根大学拿到了科学硕士和哲学博士的玻尔来到了英国,转年他慕名来到了卢瑟福(Ernest Rutherford)在曼彻斯特的实验室。于是这位名字中暗藏祝福(字面意思应该是loser的福气……吧)的大师就成了他的新导师。

卢瑟福

图片来源:www.wiki.com

他非常信任玻尔,玻尔在卢瑟福的研究室时的情况是这样的。

“先生,这些辐射是从原子的哪个部分发出来的?”新来的学生问。

“去问玻尔!”

“这个实验用的玻璃管哪能弄到?”助理问。

“去问玻尔!”

“您新买的小汽车——”

“去问玻尔!”

……

“玻尔和其他理论家有什么不同?”

卢瑟福正色道:“那是当然的, 玻尔可是个足球运动员!”

在那里,玻尔深入研究了卢瑟福的原子模型。他发现虽然它能使物质性质的分类极大的简化:放射性辐射起源于原子核,化学性质取决于核外电子……可它不符合现实。

卢瑟福原子结构模型又称“原子太阳系模型”。它认为原子的质量几乎全集中在直径很小的核心区域,这个区域被叫做原子核,带正电;而电子在原子核外绕核作轨道运动,带负电。如微型太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。

在这个小小的“太阳系”里,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。原子质量的绝大部分集中在一个很小的核心上。可带负电的电子绕核旋转时,它应当不断地辐射出能量,从而沿螺旋形急速地向原子核“陨落”。但如此一来,原子就会坍缩掉。如果世界由无数的原子组成,假若每一个原子都在坍缩,我们的世界不也应该很快就垮掉吗?

那问题出在哪?玻尔为此冥思苦想了很久,写了几沓草稿纸。

好景不长,玻尔要回老家结婚了(是真结婚!不是立 flag!)临走前他把自己的推想过程工整的写在纸上,黏在一起成为一个长卷,然后敲开了卢瑟福的门。玻尔不避讳的对卢瑟福发模型提出了批评。他认为现有的对模型的解释是不完善的。经过计算,他发现只有一条轨道的原子不能拥有多余7个的电子,因为再多加一个,就会形成一个新的轨道。有趣的是,增加一条新轨道,就会增加一批新元素。

玻尔与妻子玛格丽特Margrethe Nørlund

没想到老师没有为他的批评而恼火,反而鼓励他继续研究。于是新婚燕尔的玻尔开始深入思考原子系统的稳定性。

既然原子只发出特定频率的光,这是不是意味着电子不能任意改变轨道,只能处于某些特定的轨道上?于是玻尔构造了一个这样的模型:一个带正电的核与一个以圆形轨道绕核运行、带负电的电子构成的原子,如此一来,唯一需要确定的参数就是轨道半径了。此时他发现,电子的电量e和质量m,必须和普朗克常数h结合起来, 才可以推导出能长度量纲来。

所以要解释这种模型,必须引入量子概念能量是一份一份辐射,而非连续辐射的,电子其实是被束缚在不同的“能级”上,能量的辐射或吸收其实是电子在不同的能级之间存在“跃迁”。玻尔在回忆录中写道:“只有量子假说是逃脱困境的唯一出路”。

玻尔改良了卢瑟福的原子模型。

1913 年,3月,6月和9月,玻尔给卢瑟福寄去了论述原子和分子结构的三篇论文。温吞的玻尔这下子来了个大逆转,论文里提出的假设简直就是大逆不道——他在论文中提出了和经典理论完全违背的量子不连续性,但却成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质——现在让我们回到玻尔的那个理想模型:一个带正电的核与一个 以圆形轨道绕核运行、带负电的电子构成的原子。

看起来是不是很熟悉?

对,就是氢原子,结构最简单的原子。玻尔因此成功地解释了氢光谱,这一模型的使用,也使原子物理和光谱学结合在了一起。玻尔将这位“量子”这位王者从那扇多年前由马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)打开的大门背后请了出来,让它带着我们,进入了一个全新的世界。(玻尔因此获得了1922年度诺贝尔物理学奖)

“量子力学是完备的吗?”

量子力学诞生后,以玻尔、海森堡、和泡利为主的哥本哈根学派一直认为量子力学本身已经是完备的理论,而爱因斯坦一直批评它并不完备。1927年第五届索尔维会议上,双方的争论达到了顶峰。

1927年第五届索尔维会议

图片来源:euranetplus-inside.eu

爱因斯坦坚持认为,量子力学只能描述处于相同环境中为数众多而又彼此独立的粒子全体,而不能描述单个粒子的运动状态,因为单个粒子的运动状态必须是决定性的,而不能是统计几率性的。因此,现有的量子力学理论是不完备的。

玻尔则坚持实证论:他认为量子世界是虚幻的、不真实的,只有对量子世界进行了测量之后的结果才是真实的。所以现有的量子力学理论并没有问题,它恰好可以计算这个复杂的量子世界,而且符合实际。

每天,当大家在旅馆的餐厅用早餐时,辩论就开始了。爱因斯坦描述自己的思想实验,玻尔通常沉默的倾听。海森堡和泡利走在后面,跟着玻尔和爱因斯坦。在他们眼中,这两个神话般的物理学巨人的哲学态度是如此迥异,简直就是一种鲜明对比。常常到了傍晚,玻尔就会想到驳斥爱因斯坦的方法。

爱因斯坦听着,心里很不服气。

但很多时候竟然无法反驳。

终于在一次晚饭后,爱因斯坦愤怒的放下刀叉,忍无可忍的对着玻尔说了那句众所周知的格言:“上帝不掷骰子!”

玻尔针锋相对:“但,不确定性也是自然的一部分。

玻尔与爱因斯坦在辩论中

图片来源:www.wiki.com

本次交锋没有结果,转眼就到了1930年第六届索尔维会议。爱因斯坦有备而来,提出了科学史上著名的思想实验——“光子盒”,想论证测不准关系的核心公式不成立。没想到第二天,玻尔居然就用爱因斯坦广义相对论理论中的红移公式,推出了能量和时间遵循的测不准关系,漂亮的驳斥了他。

1933年第七届索尔维会议上,爱因斯坦没能出席。那时战争破坏了物理学家的日常生活,他翻山跨海,到了大洋彼岸的普林斯顿。他仍没有放弃自己的观点,准备从更普遍、更原则的方面来论证现有形式下的量子力学对物理实在的描述是不完备的。

爱因斯坦找了两个助手:鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森·罗森(Nathan Rosen)一起撰写了一篇文章:《量子力学对于物理事实的描述是完备的吗?》于1935年发表于《物理评论》杂志上,并选取三人名字的首字母,署名为 EPR论文。论文提出了理论完备性的必要条件:物理实在的每个要素都必须在物理理论中有它的对应。即,如果不对一个物理体系进行干扰,我们就能确定地预测一个物理量的值。还提出了一个思想实验,史称“EPR佯谬”。

玻尔看到老对手再次出招,深入思考之后,给《物理评论》寄去了论文。孩子气的玻尔竟然取了和爱因斯坦一样的题目:《量子力学对于物理事实的描述是完备的吗?》他更详细的阐明了自己的“互补性观点”,反驳EPR的物理实在观,声称必 须把复合体系看成单一的不可分离的整体,反驳了EPR佯谬的理想试验,对着大洋彼岸的爱因斯坦隔空喊话:你说量子力学对物理实在的描述是不完备的,不,我 恰恰认定它是完备的。

而其实此时,量子力学已经高速发展,渐渐拥有无人能撼动的地位。玻尔带着一代又一代新人们加入到这个潮流中来。

“影响历史进程的一次逃亡”

1942 年末,纳粹酝酿许久的核计划开启了关键步骤:造原子弹所需的重水已储备足够,他们要将其运到柏林。虽然盟军对此早有准备,却仍然没能及时阻止,德国很可能 造出原子弹。第二年年初,身在哥本哈根的玻尔收到了一封写在微粒胶卷(间谍常用的保存密件方法)中的信——是英国科学家查德维克(J. Chadwick)写来的。信件措辞模糊,似乎在隐隐约约地暗示什么,在结尾他邀请玻尔去英国

既然是如此简单的消息,为何这么大费周章?

莫非是因为自己在研究的核反应理论?

玻尔此时还在哥本哈根研究所,他提出了个“液滴模型”理论,该理论很能解释重核裂变现象,因此经常与人谈论核裂变的问题,说者无心听者有意,纳粹的战争贩子们以各种方式妄图将玻尔的想法记下来。

虽然玻尔一直痛恨希特勒的行为,甚至同自己的弟弟哈拉德成立了个“丹麦支援流亡知识分子委员会”来救助被迫害的流亡者们,并且宣扬和平,可他从未想过离开丹麦,于是婉言谢绝。

但到了当年的九月,迫于纳粹的监视和镇压,玻尔不得不开始了逃亡。他先逃到了瑞典,到那的第一件事就是去觐见瑞典国王古斯塔夫五世(Gustaf V of Sweden),希望他能对纳粹施压,让他们放过在丹麦的犹太人。可国王却表示,自己早已提出这一想法,却被纳粹“侮辱性的拒绝”了,玻尔根本不了解纳粹 的残暴。

这番交流深深震撼了玻尔——他是一位科学家,政治不是他的专业,之前他也并不太关心它,他只怀有和平主义的理念,甚至还对德国人抱有幻想。

现在,事情很明了了。忍让不可能换来和平。

眼下最可怕的危机却是——假若德国先造出了原子弹,那会发生什么?

玻尔脊背发凉。

他终于做出了一个决定,和儿子一起去英国。“如果一定有人要优先制造出这可怕的武器的话,我宁可去帮助同盟国,让他们先得到它。”

玻尔和他的儿子——物理学家Aage Niels Bohr

图片来源:what-buddha-said.net

这是1943年10月的夜晚,斯德哥尔摩。玻尔跟着来接应自己的英国特务来到一座早已废弃的机场。这里没有指向灯,没有控制塔,夜色像巨幕一样覆盖着跑道。

这架蚊式飞机映入玻尔眼帘的时候,他着实被惊到了。

它刚结束一场从英国而来的长途飞行,螺旋桨还在扑扑转动。机身竟然是普通的三合板做的。

玻尔笨拙的开了个玩笑:“你们确定这架飞机不会在飞行途中突然解体吗?”飞机将要飞越夜雾沉沉的英吉利海峡。玻尔戴上保护帽和面罩,像个粽子似的被绑在炸弹舱里。

蚊式飞机起飞了。夜间逃亡正式开始。

木质的“蚊”式轰炸机在二战中给敌军留下了深刻印象。

为了让敌人难于截击,飞机飞行了一会儿后,就不得不爬升到更高的高度,这时乘客必须使用氧气面罩才能维持呼吸。

飞行员用机内对讲系统告诉玻尔:“请立即戴上氧气面罩”。

但没有回应。

“请尽快带上氧气面罩。”

还是没有回答。

至少还要飞行两个小时,如果一直处于这样的高度……玻尔只有两个结局:窒息而死,或者冻死

但如果降低高度,即使玻尔缓过气来,飞机也可能被敌人的夜航战斗机击中。

那么,掉头?更不可能,那是自投罗网。

向上向下,向前向后,仿佛都是死路。飞行员深吸了一口气,他知道这位神秘乘客的命就在自己的手中。

那么,赌一把。孤注一掷。

超低空飞行!

飞机开始下降。即使会被击中,也不能让乘客直接死在舱内。

飞机高度持续降低,最后几乎是贴着海面在全速飞行,大海翻涌不息,似乎时刻想伸出浪舌将这架孤零零的飞机舔进黑暗里。

必须更换航线。沿着德国战斗机航程之外的航线飞!

终于撑到奥克尼群岛,飞行员打开敌我识别器。目的地就在前方,他试着又呼唤了一次“那位客人”,仍然没有回应……

这是爱丁堡附近的夜间战斗机基地,空旷,荒凉,似乎也被遗弃了。救护人员,机械师,军官,大家焦急地挤在一起等候着玻尔的飞机。可当它终于颠簸的停下,人们打开舱门时,却看到玻尔已经昏过去了。医生们敏捷的上去注射强心剂,给他输氧。然后人们才发现,原来在航行途中,他的通话器的插头掉了,所以他没听到飞行员的指示。

幸运之神最终眷顾了玻尔,他很快就恢复了。不久,美国那边抛出橄榄枝,邀请玻尔和他的儿子奥格·玻尔(Aage Niels Bohr 核物理学家,后获得1975年诺贝尔奖)前去参与一个秘密计划

临行前,玻尔父子拿到了新身份证——他们成了“尼克·贝克”大叔和年轻的“吉姆·贝克”。“贝克”父子将要参与的,是一项改变人类历史进程的巨大工程。

1944年的洛斯阿拉莫斯

这里,有提出了“康普顿效应”的康普顿(Arthur Holly Compton),有做了著名的“密立根实验”的密立根(Robert Andrews Millikan),有“傲慢”的奥本海默(J. Robert Oppenheimer),有即使在一众天才中也光芒四射的冯·诺依曼(John von Neumann),甚至还有吴健雄和钱学森……(如果此时全球的智慧分布可以做成光谱地图,这里一定会被标红)他们共同参与着一个被命名为“曼哈顿”的计划。那时候,如今鼎鼎大名的费曼(Richard Feynman)还是个小青年,他是如此评价玻尔到达洛斯阿拉莫斯时的情形的:“甚至在这些‘巨头’们看来,玻尔也是一尊伟大的神。”

“曼哈顿”计划参与者合影

图片来源:manhattanprojectvoices.org

玻尔一直使用化名,人称“尼克大叔”。但大家都知道计划的新参与者是谁。在那里,玻尔见到了许多老朋友,这其中很多是通过他的援助才逃离纳粹的犹太物理学家。

但玻尔到美国的主要目的却不只是协助研制原子弹,他看的更远——是的,我们在制造“人间死神”,那么制造完成之后呢?该如何处理它?

1945 年8月6日,核弹在广岛爆炸,几天后,日本宣布投降。正在所有人欢庆战争的结束时,玻尔却怀着复杂的心情重新开始审视这一切。他在《泰晤士报》发表了一篇名为《科学与文明》的文章:“通过原子的分裂释放巨大的能量,这意昧着人类力量的真正革命。这种可能性的实现在每个人的心目中不能不唤起这样一个问题:自然科学正在把文明引向何处……很明显,如果人类社会对这种紧张形势不自行调整的话,人类已能够获得的这种可怕的破坏力,有可能变成致命的威胁。在这种新的破坏力面前,没有什么东西能抵档得住。因此,出路只有一条,就是全世界一致合作,阻止任何一种不把这种新力,用于为全人类服务的作法。”

1950 年,玻尔发表了致联合国公开信,呼吁建立一个“开放的世界”。他希望能达成一个“均等地威胁着所有国家的核武器存在,永不使用核武器”的普遍协议。 1955年的日内瓦和平利用原子能国际会议上,玻尔希望科学和科学家能在促进相互交流和理解方面起带头作用,希望科学的发展能够增进世界人民的福利。他的整个后半生都在致力于国际合作及和平利用原子能的事业:“如果原子能掌握在世界上爱好和平的国家手中,这种能量就会保障世界的持久和平;如果它被滥用,就会导致文明的毁灭。”对人类命运的关切和对科学与人之间关系的深思这一条明线从此占据了玻尔的整个晚年。

他预见到了,所以他无法坐视不管。当权者们顾及的当然是眼前的利益,党派和民族的立场;而像玻尔这样的科学家看重的,是全人类的未来,普遍真理与宇宙和谐。

花落花开,花开花落,少年子弟江湖老。玻尔度过了波澜壮阔的一生。他经历了事业的辉煌,战争阴云的裹挟……如今,历尽千帆,他只是一个安详的老人。

那是1962年的11月17号,他像往常一样,长久地,凝视着他房间黑板上画的一个盒子——当年爱因斯坦曾画过的,用来解释自己的光子盒理论。那是他们争辩的产物,是他们曾向着心智征服的明证。

念念不忘,必有回响。

第二天,玻尔在自己的家中去世。

他活了77岁,几乎见证了量子力学的整个发展史。他的很多学说如今已被取代,但他在其中起到的承上启下的作用无人能比。这位曾经的丹麦门将,也许仍会在天堂的门柱上计算公式吧!

“尼尔斯·玻尔度过了十分丰富而幸福的一生。他的天才和他的能力使他揭开了科学中的新纪元,玻尔也赢得了一切有幸熟悉他的人的热爱和全世界的尊敬。” 果壳网 ID:Guokr42 中二病究竟有没有得治? 密集恐惧症真的“只是矫情”? 不相干的东西严丝合缝拼在一起就觉得爽,是强迫症吗? 你有病?没事~ 果壳有药呀! 本文来自果壳网,谢绝转载 如有需要请联系sns@guokr.com

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