【物理大神】他所创学派9夺诺奖,辩倒物理群雄无数,连爱因斯坦都未曾赢过

原标题:【物理大神】他所创学派9夺诺奖,辩倒物理群雄无数,连爱因斯坦都未曾赢过

本文转载自公众号SME科技故事

如果说泡利是最能怼人的科学家,那么玻尔则是最能辩论的一把手。

不过,与泡利的毒舌不同,玻尔每一次辩论都有理有据,让人难以反驳。

上帝之鞭泡利,图片来源:《决战量子之巅》

平时的玻尔总把自己收拾得一丝不苟,给人一副温文尔雅的形象,说起话来语速也很慢,甚至还带点口吃。

但在科学问题上,他一旦较真起来却毫不含糊,说话反倒流利起来,所向披靡。

尼尔斯·玻尔

从小他就爱给人“纠错”,年轻时就因“不知天高地厚”地指出导师错误,被老师冷落。

构建了新的“原子结构模型”获诺奖后,他便一手创立了”哥本哈根学派“。

在历史上,他也与普朗克、爱因斯坦齐名比肩,人称量子物理三巨头。

量子物理三巨头

而因他成立的“哥本哈根学派”,也以自由开放、在辩论中将科学思想发扬光大而著名。

此外,他与爱因斯坦的世纪论战,更是为后人津津乐道,叹为观止。

小玻尔(最右)与家人

1885年,尼尔斯·玻尔出生于丹麦首都哥本哈根的一个知识分子家庭。

小时候的他虽态度平和友善,还有点腼腆,但却极其反差地追求完美,从小就将“大胆而严谨”(爱因斯坦原话)进行到底。

在一堂图画课上,老师要求大家画出自己家的房子。

但画着画着玻尔便向老师打报告说要回家,原因竟是“我实在不记得家里围墙有多少根柱子了。”

玻尔(右)与弟弟

随着年龄渐长,玻尔这种接近“死心眼”的耿直,也开始让他成为一个酷爱挑错的学生。

才刚上小学不久,玻尔就敢公开叫板,指出教材中的错误,经常弄得场面十分尴尬。

哥本哈根大学教授霍夫丁(Harald Hoffding),与老玻尔是好友,经常到玻尔家做客

大一时,玻尔就在与哲学家霍夫丁教授的谈笑风生中,多次指出他逻辑学教材中不合逻辑之处。

不过,霍夫丁教授倒是非常乐意接受批评,甚至还对玻尔严密的逻辑推理大为赞赏。

但批评的意见,也不是每个人都能这样欣然接受。

毕竟玻尔在“电子之父”J.J.汤姆森面前的莽撞,就曾差点断送了自己的前程。

“电子之父”——J.J.汤姆森

在硕士与博士期间,他研究的课题都是当时刚刚兴起的金属电子理论。

1911年,玻尔取得哥本哈根大学博士学位时,论文题目便是《金属电子论》。

那时,正是经典物理大厦最摇摇欲坠的年代,普朗克和爱因斯坦等科学家已迈入量子物理的大门。

玻尔当时也明显感受到经典力学在描述原子现象时的困难。

带着各种疑问的玻尔毅然选择了前往英国剑桥,想要与自己的偶像J.J.汤姆森进行更深入的研究。

那时电子虽然已经被发现,但是人们对原子的内部结构还一概不知。

所以J.J汤姆森提出了一种“葡萄干蛋糕式”的原子模型,还在历史上得到较长时间的认可。

他认为原子可分为带正电的蛋糕,和负电的电子。

这些带负点的电子,就像葡萄干一样镶嵌在带正电荷的实心蛋糕上。

我们现在知道,原子是由中子和质子组成的原子核和外面围绕的电子组成。

而当时的玻尔,也发现了汤姆森的模型中有着诸多不合理的地方。

所以第一次见面,玻尔就拿出J.J汤姆森所著的论文,用生涩的英文指出了里面的几处错误。

汤姆森四年前才刚获得诺奖,德高望重,完全看不懂玻尔这是什么操作,场面几度陷入尴尬。

不过耿直的玻尔哪知尴尬为何物,临走时还请汤姆森看自己的论文,希望汤姆森能帮自己发表在英国皇家学会的刊物上。

后来,玻尔的论文当然被不置可否地束之高阁。

那段时间的他也备受冷落,度过了阴郁的半年。

卢瑟福

不过这种状态没有持续很久,因为玻尔很快就遇上了人生的伯乐卢瑟福。

卢瑟福也曾是汤姆森的学生,在一次回剑桥做报告时就为玻尔转身。

1911年11月,玻尔便前往曼彻斯特,加入了卢瑟福的团队。

当时的卢瑟福也刚根据自己之前完成的α粒子散射实验*,提出了电子绕原子核运动的“行星式”模型。

*注:实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔,发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔,但有的α粒子却发生了不同程度的偏转,有的甚至直接反射回来。

虽然我们现在知道这个模型已接近正确,但那时的卢瑟福就是想破脑袋,都无法回答关于原子的力学稳定问题

因为根据经典物理,负电子在绕核旋转时应当不断辐射出能量。

随着能量的耗尽电子将沿螺旋式地坠落在核上,原子将发生坍缩。

如果这个模型是对的,那么我们的整个宇宙早就应该坍缩消失才对。

但是事实上,宇宙却一如既往地稳定。

卢瑟福的原子模型示意图

对于卢瑟福的这个原子模型上,玻尔也再一次发现经典力学的苍白。

于是玻尔得出结论:这里需要抛弃的不是卢瑟福模型,而是经典物理对它的解析。

很明显“只有量子假说才是逃脱困境的唯一出路”。

所以在1913年,玻尔也提出了自己的新模型,引入了电子在核外的量子化轨道,解决了原子结构的稳定性问题。

玻尔原子模型的简单示意图

虽然那时的量子论已诞生十几年,但玻尔模型还是因不符常规思维,遭到众多保守物理学家的激烈反对。

这其中J.J汤姆森就是最大的反对者之一,甚至还说“这根本就不是物理,只为掩盖无知罢了”。

但是无论再多的反对也无法阻碍科学的发展。

从玻尔的新模型一出,也越来越多的物理新秀加入原子物理学领域。

那时玻尔的原子理论才刚起了个头,量子世界还有着许多亟待解决的难题。

1921年,拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请,玻尔决定创建哥本哈根大学理论物理研究所,继续深入研究量子力学。

而研究所一成立,玻尔的人格魅力很快就像磁场一样,吸引了一大批杰出的青年物理学家。

哥本哈根学派的量子力学大咖们

海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,这也就是举世闻名的“哥本哈根学派”。

除了波尔外这个研究所更是出了9位诺贝尔奖物理学奖获得者,盛况空前。

到现在,哥本哈根仍是物理学家的“朝拜圣地”。

玻尔、海森堡、泡利

如果说,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定也会有另一个人代替他成功。

但是玻尔创造的“根本哈根精神”,却是无法复制的存在。

这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛。

通俗点表达,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,非常符合玻尔的个性与主张。

玻尔参加的辩论无数,一个理论就能跟别人辩上个好几年,甚至是一生。

就是与自己的徒弟海森堡在“互补原理”上就争论了两年,即使到最后答案都无法完全统一。

海森堡就曾这样形容玻尔:“他在争论的对手面前不肯退后一步,而且有丝毫的含糊不清,他都不能容忍。”

不过说起辩论,玻尔的一生之敌非爱因斯坦莫属。

爱因斯坦与玻尔分别是相对论和量子力学最出名的一对天(C)才(P)。

从他们1920年第一次见面起,两人在认识上就发生了分歧。

之后两人便开始了终身论战,只要一见面必有掐架要发生。

“玻尔,上帝不掷骰子!”

“爱因斯坦,别去指挥上帝应该怎么做!”

这句经典的对话,便是这场论战的开端与往后争论的核心。

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爱因斯坦的相对论虽推翻了牛顿的绝对时空观,但是却仍保留着严格的因果性和决定论。

他认为物理学是有规律可循的,这也就是“上帝不会掷骰子”。

但是玻尔派的量子力学却更为激进,推倒经典物理的同时,还宣称人类并不能获得确定的结果,认为世界都是概率存在的。

所以才会有那句,“爱因斯坦,别去指挥上帝该做什么。”

1927在第五届索尔维会议上,两人的火药味就浓得要呛到当场的几十位世纪最强大脑。

那段时间的每天清早,爱因斯坦都会向玻尔抛出一个昨天晚上冥思苦想出来的思想实验,想要揭露量子力学的内部矛盾。

第五届索尔维会议,20世纪智商最高的合照

而玻尔几乎每次晚饭前后,都能把自己的解释抛回给爱因斯坦,让他无法反驳。

如此反复多次,直到索尔维会议结束,爱因斯坦都没能驳倒玻尔。

就算越来越多人开始投向玻尔派的量子论,但这个“顽固的老头子”(爱因斯坦语)却“决不放弃连续性和因果性”。

爱因斯坦也不是省油的灯,沉淀了3年,第六届索尔维会议上,爱因斯坦就带着他策划已久的“光子箱”思想实验上阵了。

他从自己的质能方程(E=mc²)出发,企图驳倒能量-事件不确定性原理(△E△t≥ћ/2)。

光子箱构思图

爱因斯坦精心策划的“光子箱”一出,马上杀了玻尔个措手不及。

当时玻尔的反应虽没有历史记录记载,但走出会场后的玻尔却一直在喃喃自语:“如果爱因斯坦是对的,那么物理学就完了!”

然而玻尔回去抓了一晚上头皮,第二天就给出了爱因斯坦有力的一击

他运用爱因斯言相对论的红移效应,反过来用光子箱推出了不确定性原理。

这招“以彼之道还施彼身”的巧妙做法,让爱因斯坦当时也不得不口头承认量子力学的正确性。

在这之后,爱因斯坦的一生都在尝试驳倒玻尔,但他也从未得逞过。

而玻尔的理论虽然一直占上风,但他却无论如何都无法说服爱因斯坦。

这两位20世纪最伟大的科学家,就这样一生都未曾停止过相爱相杀。

就算爱因斯坦逝世后,已少有人能与玻尔争论,但在玻尔心中他与爱因斯坦的争论仍在继续。

1962年,玻尔去世时,他工作室的黑板上,仍然画着当年爱因斯塔光子箱的草图。

不过就算他们终生都在争辩,但却丝毫不影响两人的友谊。

玻尔曾这样评价与爱因斯坦的争论,认为这是自己“新思想产生的源泉”

而爱因斯坦则也这样评价玻尔:“他将大胆和谨慎两种品种难得地融合,无疑是我们科学领域最伟大的发现者之一”

爱因斯坦与玻尔

人类社会中,可能几百年才能出一个像爱因斯坦的天才。

但是,如玻尔这般敢于挑战权威,又不断在鞭策中前进的人物,亦必不可少。

无论谁离开了谁,这条量子银河都会变得黯淡无光。

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