超模君就來講講這個建立了哥本哈根學(xué)派,拿過諾貝爾物理學(xué)獎,跟愛因斯坦相愛相殺的物理界男神玻爾!
尼爾斯·玻爾
1
足球?物理?
1885年,玻爾出生在丹麥的哥本哈根,父親是哥本哈根大學(xué)的生理學(xué)教授,母親出身于一個富有的猶太人家庭,弟弟后來成為了劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)教授。
玻爾一家
從小,天賦異稟的玻爾不僅是當(dāng)?shù)赜忻膶W(xué)霸,還特別擅長運動,俗稱“別人家的小孩”。
1903年,18歲的玻爾,以優(yōu)異的成績考入了丹麥排名第一的哥本哈根大學(xué),專攻物理,業(yè)余時間還玩得一手好球!
本以為玻爾會一直專心致志地研究物理,沒想到被球探發(fā)掘,和弟弟哈那德·玻爾一起成為了著名足球運動員,兩兄弟(一個主力門將,一個主力前鋒)稱霸丹麥足壇。
哈那德·玻爾和尼爾斯·玻爾
1908年倫敦奧運會,弟弟代表丹麥奪得了足球銀牌;而哥哥只能候補,作壁上觀。
至于玻爾為什么被列為后補,那就有點意思了!
聽說別家隊伍正在外圍努力遠(yuǎn)射時,作為主力門將的玻爾卻在比賽途中,倚在門柱邊思考數(shù)學(xué)題。
賽后還被別人發(fā)現(xiàn),那個門柱被寫滿了各種公式,以至于教練一氣之下,把玻爾列到后補去了!
后來,兩兄弟不再玩足球了,弟弟哈那德·玻爾搖身一變,成為了劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)教授,還建立起周期函數(shù)研究的主要基礎(chǔ)。
而哥哥尼爾斯·玻爾則開創(chuàng)了哥本哈根學(xué)派,后來還成為科學(xué)史上,與愛因斯坦一時瑜亮的超級巨星。
2
哥本哈根學(xué)派創(chuàng)始人1913年,玻爾開始研究原子輻射問題,寫出了具有劃時代意義的長篇論文——《論原子和分子的結(jié)構(gòu)》,提出了量子不連續(xù)性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),構(gòu)建了原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型。
這也是首次將量子概念應(yīng)用于原子、分子結(jié)構(gòu)中得到的成果,玻爾不僅因此獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎,還從普朗克手里接了棒,正式成為了新一代量子力學(xué)的掌門人。
普朗克雖說玻爾一戰(zhàn)成名,但在自己國家,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及“著名足球運動員”這個頭銜出名,畢竟當(dāng)時丹麥報紙普遍采用的標(biāo)題是:《著名足球運動員尼爾斯·玻爾被授予諾貝爾獎》。1920年9月,玻爾一心籌建的哥本哈根理論物理研究所(即玻爾研究所)終于建成。
哥本哈根理論物理研究所
令人意想不到的是,這個研究所剛建成不久,便吸引了無數(shù)熱愛物理的年輕人以及世界知名物理學(xué)家。海森堡、克拉邁爾斯、狄拉克、泡利、赫韋希、哈爾特列、朗道、派耶爾斯、周培源等無數(shù)位杰出物理學(xué)家都曾來到這里進(jìn)行學(xué)術(shù)研究。
朗道、泡利和周培源所以,常常會有人問玻爾,為什么能夠聚集那么多有才能的年輕人?
一向不拘小節(jié)的玻爾如此回答:“沒有什么秘訣,只有一點是清楚的,我不怕在年輕人面前承認(rèn)自己的無知?!睙o論是評論一篇最近發(fā)表的文章,還是向大家介紹個人所做的工作,研究人員都可以隨心所欲地發(fā)表個人見解。
正如玻爾所說:“不僅要依靠少數(shù)科學(xué)家的能力與才華,而且要不斷吸收相當(dāng)數(shù)量的年青人,讓他們熟悉科學(xué)研究的結(jié)果與方法。只有這樣,才能在最大程度上不斷地提出新問題。通過青年人他們自己的貢獻(xiàn),新的血液和新的思想就不斷地涌入科研工作?!?/p>
在這樣平等、自由、團(tuán)結(jié)的學(xué)術(shù)研究氛圍下,很多物理學(xué)最深奧的問題都得以解決,就這樣慢慢形成了“哥本哈根學(xué)派”。
3
“玻愛”之爭
說到這,就不得不提到物理界的另一位男神——愛因斯坦,兩人相愛相殺,在物理界“撕了大半輩子的逼”。
1920年,玻爾與愛因斯坦相識于德國柏林,初次見面,其樂融融。
不過,至此之后,他們兩個便圍繞關(guān)于量子力學(xué)理論基礎(chǔ)的解釋問題開始了終身論戰(zhàn),只要一見面,就會唇槍舌劍,辯論不已。
而“玻愛之爭”最負(fù)盛名的三個回合,分別是在1927 年、1930 年以及1935年的索爾維會議上。
第一回合
我們先來看看1927年的第五屆索爾維會議合影,可謂是前無古人后無來者的物理盛會。愛因斯坦舉著相對論大旗,頭頂光電效應(yīng)的光環(huán),玻爾高舉著他的“氫原子模型”,玻恩口口聲聲念叨著“概率”,德布羅意騎著他的“波”,康普頓西裝上印著“效應(yīng)”二字,狄拉克夾著一個“算符”,薛定諤挎著他的“方程”,身后還藏了一只不死不活的“貓”,布拉格手提“晶體結(jié)構(gòu)”模型,海森堡和他的同窗好友泡利形影不離,兩人分別握著“不確定原理”和“不相容原理”,埃倫費斯特也緊握他的“浸漸原理”大招牌,還有居里夫人“鐳和釙”、洛倫茲的“變換”、普朗克的“常數(shù)”、朗之萬的“原子論”、威耳遜的“云霧室”等等。
迄今為止物理界最豪華陣容
這次會議分成兩派,一派是以愛因斯坦為首的理論物理學(xué)家(薛定諤、德布羅意等),一派是玻爾掌門的哥本哈根學(xué)派(海森堡、泡利等),兩邊人數(shù)、實力旗鼓相當(dāng)。
在本次的索爾維會議上,玻爾首先進(jìn)攻,基于海森堡提出的不確定原理作出了大膽的推論:粒子運動的軌跡是不確定的。
海森堡的不確定原理
愛因斯坦卻完全否定海森堡的不確定原理,認(rèn)為一個完備的物理理論應(yīng)該具有確定性、實在性和局域性。
但玻爾也不含糊,立馬反駁,“關(guān)鍵一點在于我們無法分清所看到的到底是原子本身的行為,還是原子與測量儀器之間的作用,在觀察存在的偉大舞臺上,我們既是觀眾,又是演員”。
波爾此番推論就像一個重磅炸彈,完全顛覆了傳統(tǒng)物理關(guān)于“實在”的認(rèn)識,立即在物理界引起了軒然大波。
對此,愛因斯坦舉了個一針見血的例子(一個α 射線粒子的例子):“很抱歉,我沒有深入研究過量子力學(xué),不過,我還是愿意談?wù)勔话阈缘目捶ā!?/p>
不過,波爾很快就證明了愛因斯坦所舉的例子與他的推論并不矛盾。
最終,在1927年的索爾維會議上,以玻爾為首的哥本哈根派大獲全勝。但是,在正式會議結(jié)束之后幾天的討論中,火藥味就濃多了。根據(jù)海森堡的回憶,那段時間,愛因斯坦總會在早餐桌上,向玻爾拋出一個又一個的思想實驗,但玻爾每次都能夠輕松化解!
第二回合
3年后,即在1930年的第六屆索爾維會議上,早有準(zhǔn)備的愛因斯坦在會上提出了著名的思想實驗——光子盒。在這個實驗里,時間和能量可以做到同時準(zhǔn)確測量,因此,不確定原理是不成立的。
愛因斯坦的光子盒
走出會場后的玻爾一直在喃喃自語:“如果愛因斯坦是對的,那么物理學(xué)就完了!”,第二天就基于愛因斯坦自己的相對論,證明了這一個思想實驗是有缺陷的。
廣義相對論
盡管愛因斯坦有被玻爾震驚到,但還是“嘴硬”地說了句:“量子論也許是自洽的,但卻至少是不完備的!”。雖然玻爾用愛因斯坦的廣義相對論回?fù)袅斯庾雍袑嶒?,但心里也是不踏實的,因為他自知這是自己投機(jī)取巧所得到的推論,其中還有很多嚴(yán)格的概念需要澄清。因此玻爾一直耿耿于懷,直到1962年去世,人們發(fā)現(xiàn)玻爾實驗室的黑板上還留著愛因斯坦光子盒的圖。
最終,第二回合的論戰(zhàn),他們兩個誰都沒有說服對方,這局就算平局了!
第三回合
“玻愛之爭”的第三個回合,就到了1935年,這場論戰(zhàn)達(dá)到了它的頂峰。
這次,愛因斯坦不再單打獨斗,聯(lián)手波多爾斯基、羅森,拋出了一份題為《量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文,其中設(shè)計了一個粒子衰變?yōu)閮蓚€粒子的判決實驗,對玻爾為首的哥本哈根派進(jìn)行反擊。這一反擊就是物理學(xué)史上著名的“Einstein-Podolsky-Rosen疑難”,這個悖論涉及到微觀世界的物理實在問題。
玻爾也不是吃素的,面對愛因斯坦等人的反擊,以測量儀器與客體實在的不可分性為理由,否定了EPR論證的前提———物理實在的認(rèn)識論判據(jù),從而否定了EPR實驗的悖論性質(zhì)。
可惜的是,玻爾的異議及其論證有點模糊,所以愛因斯坦等人并不承認(rèn)玻爾的理論。愛因斯坦認(rèn)為,盡管哥本哈根學(xué)派的解釋與經(jīng)驗事實一致,但作為一種完備的理論,應(yīng)該是決定論的,而不應(yīng)該是或然的、用概率語言表達(dá)的理論。
最終,第三回合的論戰(zhàn),也以平局告終!而對于這場發(fā)生在20世紀(jì)最偉大的兩位物理學(xué)家身上的爭論,眾多物理學(xué)家都給予了高度的評價。
美國物理學(xué)家約翰·惠勒(John Archibald Wheeler)就曾這樣說過:“沒有矛盾和佯謬,就不可能有科學(xué)的進(jìn)步。約麗斑駁的思想火花往往閃現(xiàn)在兩個同時并存的矛盾的碰撞切磋之中。”
約翰·惠勒
這兩位20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家,就這樣一生都未曾停止過相愛相殺,而當(dāng)事人玻爾認(rèn)為這場爭論是自己“許多新思想產(chǎn)生的源泉”,愛因斯坦也對玻爾給予了極高的評價:“他將大膽和謹(jǐn)慎兩種品種難得地融合,無疑是我們科學(xué)領(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)者之一”。