不怕承認(rèn)自己的不足

1927年10月，在布魯塞爾舉行的第五屆索耳未物理討論會上，一位物理學(xué)家提出了對量子力學(xué)的詮釋，遭到了愛因斯坦的強(qiáng)烈反駁。愛因斯坦對這位物理學(xué)家提出的量子力學(xué)的相關(guān)理論表示不能容忍，批評他對統(tǒng)計(jì)解釋是“擲骰子”，抨擊“測不準(zhǔn)原理”和“互補(bǔ)原理”是“綏靖哲學(xué)”。但是，這位科學(xué)家沒有就此放棄自己的觀點(diǎn)，而是堅(jiān)持“是真是假，自己干干再說”。這位科學(xué)家就是丹麥物理學(xué)家玻爾，他和愛因斯坦的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)成為科學(xué)史上一段著名的史話。

雛鷹初展翅

1885年10月7日，尼爾斯·玻爾出生在丹麥哥本哈根一個富裕的知識分子家庭。父親是哥本哈根大學(xué)的一位生理學(xué)教授，母親出身于一個在銀行界、政治界、古典語言學(xué)享有聲望的富裕的猶太人家族，性格溫柔謙和，他們允許孩子的天賦充分地發(fā)展。玻爾還在上中學(xué)時，父親就發(fā)現(xiàn)了這個行動緩慢、做事專心的孩子在物理學(xué)上的天賦，于是極力啟發(fā)他對物理學(xué)的興趣，并且在和朋友就科學(xué)、哲學(xué)、文學(xué)和政治問題進(jìn)行討論時，允許玻爾旁聽。這對玻爾影響深遠(yuǎn)，他的物理天賦很快被大眾所矚目。

1903年，玻爾考入哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系。1906年，他用自己研制的實(shí)驗(yàn)裝置，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析，完成了論文《用液流振動法測定水的表面張力》，并獲得哥本哈根科學(xué)院頒發(fā)的金質(zhì)獎?wù)隆．?dāng)時，他還是個在校大學(xué)生。

在玻爾學(xué)習(xí)物理的時期，科學(xué)正經(jīng)歷著迅速的發(fā)展。19世紀(jì)末，湯姆遜發(fā)現(xiàn)一細(xì)束陰極射線能在電場和磁場中彎曲?？雌饋恚@束射線是由迄今人們所不知道的、質(zhì)量比最輕的原子還小的微粒組成的。盡管這一發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時被認(rèn)為只有理論上的意義，但全世界已開始研究起這一后來被荷蘭人洛倫茲稱為“電子”的微粒來。玻爾的碩士論文以及后來的博士論文都是研究洛倫茲的電子論。1911年，玻爾寫成了題為《金屬電子論研究》的博士論文，詳細(xì)地分析了金屬的導(dǎo)電性、傳熱性和磁性。當(dāng)時，玻爾的博士論文答辯會引起了廣泛關(guān)注。一家報(bào)紙報(bào)道說：“尼爾斯·玻爾所寫的內(nèi)容、所提出的問題都太新穎、太不尋常了，以至于沒有人能夠?qū)λ岢鰡栴}。”

不久，玻爾獲得特別獎學(xué)金，到劍橋大學(xué)跟權(quán)威物理學(xué)家湯姆遜見習(xí)一年，這令玻爾欣喜若狂。然而，湯姆遜對玻爾所提出的課題已不感興趣，并且鑒別不了玻爾論文的重要性。盡管如此，留在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的他仍竭力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，同時從事自己的理論研究。

確立原子結(jié)構(gòu)模型

1912年春，玻爾移居曼徹斯特，來到盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室。此時，盧瑟福用α粒子轟擊原子內(nèi)部，確證了原子核的存在，并按照哥白尼行星運(yùn)動規(guī)律解釋原子模型，認(rèn)為原子中心是原子核，電子在不停地繞核旋轉(zhuǎn)。但事實(shí)上，原子結(jié)構(gòu)和天體力學(xué)之間存在著根本區(qū)別，盧瑟福模型遭遇到了困難。

經(jīng)過一段時間的深入研究，玻爾利用古典力學(xué)和普朗克一愛因斯坦量子概念，成功地解釋了一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并分別于1913年7月、9月和11月分3次發(fā)表《論原子和分子的結(jié)構(gòu)》這一長篇論文，闡述他的研究結(jié)果。在這篇論文中，玻爾拋棄了經(jīng)典的輻射理論，引進(jìn)了普朗克的量子概念，提出定態(tài)假設(shè)、頻率法則兩條假設(shè)，從而奠定了原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。

玻爾的論文引起廣泛爭論，一些古典物理學(xué)的杰出代表，如湯姆遜和瑞利，認(rèn)為論文內(nèi)容是錯誤的，但許多物理學(xué)家卻熱烈地支持這個理論。不管人們?nèi)绾螤幷?，玻爾的這篇論文出色地解釋了原子的穩(wěn)定性與原子光譜的分立性，第一次提出了原子體系與行星體系的本質(zhì)區(qū)別，確立了被后人稱之為“盧瑟福一玻爾模型的原子結(jié)構(gòu)模型”。從此，原子核物理學(xué)誕生了，原子物理學(xué)出現(xiàn)了。

哥本哈根精神

1919年，丹麥當(dāng)局為玻爾建造了一所實(shí)驗(yàn)室。此后，玻爾一直領(lǐng)導(dǎo)著哥本哈根大學(xué)的這個研究所，直到1962年逝世。在玻爾的領(lǐng)導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)室聚集了來自世界各地最年輕而杰出的科學(xué)家，這個研究所很快成為研究原子和微觀世界問題的中心。海森堡、狄拉克、泡利、朗道等許多杰出的科學(xué)家都先后在這里工作過。

更難能可貴的是，玻爾與同事在創(chuàng)建與發(fā)展科學(xué)的同時，還創(chuàng)造了“哥本哈根精神”——這是一種獨(dú)特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學(xué)術(shù)氣氛。直到今天，很多人還說“哥本哈根精神”在國際物理學(xué)界是獨(dú)一無二的。曾經(jīng)有人問玻爾：“你是怎么把那么多有才華的青年人團(tuán)結(jié)在身邊的?”他回答說：“因?yàn)槲也慌略谀昵嗳嗣媲俺姓J(rèn)自己知識的不足，不怕承認(rèn)自己是傻瓜。”

1928年，玻爾根據(jù)微觀粒子的“波粒二象性”和“測不準(zhǔn)原理”，提出著名的“互補(bǔ)原理”。他認(rèn)為，在量子領(lǐng)域里總是存在互相排斥的兩套經(jīng)典特征，正是它們的互補(bǔ)構(gòu)成了量子力學(xué)的基本特征。他認(rèn)為，互補(bǔ)性是因果性的“合理推廣”。尤其在晚年，玻爾用這種觀點(diǎn)論述了物理科學(xué)、生物科學(xué)、社會科學(xué)和哲學(xué)中的無數(shù)問題，對西方學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了相當(dāng)重要的影響。

玻爾的互補(bǔ)哲學(xué)受到了許許多多有影響的學(xué)者們的擁護(hù)，但也受到另一些同樣有影響的學(xué)者們的反對。圍繞著這樣一些問題，以玻爾為代表和以愛因斯坦為代表的科學(xué)家爆發(fā)了歷史上著名的學(xué)術(shù)大論戰(zhàn)，這場論戰(zhàn)已經(jīng)進(jìn)行了好幾十年，至今并無最后的結(jié)論，而且看來離結(jié)束還很遙遠(yuǎn)。

亦喜亦憂原子能

從20世紀(jì)30年代開始，玻爾的研究所花在原子核物理學(xué)方面的力量更大了。他在30年代中期提出了核的液滴模型，認(rèn)為核中的粒子有點(diǎn)像液滴中的分子，它們的能量服從某種統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，粒子在“表面”附近的運(yùn)動導(dǎo)致“表面張力”的出現(xiàn)，如此等等。這種模型能夠解釋某些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，是歷史上第一種相對正確的核模型。在這個基礎(chǔ)上，他又于1936年提出了復(fù)合核的概念，認(rèn)為低能中子在進(jìn)入原子核內(nèi)以后，將和許多核子發(fā)生相互作用而使它們被激發(fā)，結(jié)果就導(dǎo)致核的蛻變。這種頗為簡單的關(guān)于核反應(yīng)機(jī)制的圖像至今也還有它的用處。

當(dāng)邁特納、弗里施根據(jù)哈恩等人的實(shí)驗(yàn)提出了重核裂變的想法時，玻爾等人立即理解了這種想法，并對裂變過程進(jìn)行了更詳細(xì)的研究，玻爾并且預(yù)言了由慢中子引起裂變的是鈾-235而不是鈾-238。

1940年，德國法西斯侵占丹麥后，玻爾研究所里世界各國物理學(xué)家的富有成效的合作被中斷，玻爾也面臨遭逮捕的威脅。1943年，他被盟軍經(jīng)瑞典轉(zhuǎn)移至英國，不久又去了美國，積極地參與了制造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”。

雖然玻爾以科學(xué)顧問的身份推動了原子武器的研制工作，但他堅(jiān)決反對使用原子彈。1950年6月，他發(fā)表了《致聯(lián)合國的公開信》，重復(fù)了他建立“開放的世界”的懇求和“原子能的發(fā)展應(yīng)在各國之間完全公開”的主張。除此以外，玻爾還將他許多時間和精力獻(xiàn)給了原子能的和平利用上。

1962年11月18日，77歲的尼爾斯·玻爾午睡時因心臟病猝發(fā)而逝世。為了表示對這位天才的科學(xué)家和思想家的悼念，原蘇聯(lián)科學(xué)家把1970年合成的第105號化學(xué)元素取名鐓(符號Ns，即“尼爾斯”的縮寫)。

30年的學(xué)術(shù)爭論

1927年10月，在比利時布魯塞爾舉行的第五屆索耳未物理討論會上，愛因斯坦同玻爾展開了激烈的爭論。愛因斯坦認(rèn)為，量子理論的統(tǒng)計(jì)性是由于這個理論未能對物理現(xiàn)象提供一個完備和協(xié)調(diào)的描述。他相信進(jìn)一步發(fā)展會展現(xiàn)一個更深刻的理論，在這理論中，原子尺度上的事件可以被確切預(yù)言，而不只是幾率。物理學(xué)會重新回到人們所熟悉的經(jīng)典理論的因果性描述。愛因斯坦接二連三地提出幾個理想實(shí)驗(yàn)想批倒“測不準(zhǔn)原理”，但都被玻爾逐一駁倒。愛因斯坦似乎在這次交鋒中輸給了玻爾，玻爾成功地捍衛(wèi)了哥本哈根學(xué)派詮釋的邏輯的無矛盾性。

3年之后，在1930年10月的第六屆索耳未會議上，愛因斯坦提出了著名的“光匣”的理想實(shí)驗(yàn)：這個匣子中充滿了輻射，在其一壁上裝有一個用時鐘裝置控制的快門。在匣子發(fā)出一個光子之前和放出光子之后，分別測定匣子的質(zhì)量。愛因斯坦論證，釋放光子過程的時間間隔可以用時鐘機(jī)構(gòu)精確測定。而光子的能量也能精確地測定。這樣，就顯然違反了“測不準(zhǔn)原理”。

這是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，愛因斯坦用他的狹義相對論巧妙地“駁倒”了哥本哈根學(xué)派的理論。據(jù)目睹者回憶，當(dāng)時玻爾震驚得目瞪口呆。然而第二天，玻爾精神抖擻地紿愛因斯坦以“致命”的反駁。按照愛因斯坦的廣義相對論，能夠證明，在稱質(zhì)量過程中，匣子在重力場中的位移，會干擾控制光子發(fā)射的時鐘裝置的速率，從而導(dǎo)致一個誤差，這正是滿足測不準(zhǔn)關(guān)系所需要的數(shù)量。玻爾運(yùn)用廣義相對論，掉頭來反擊它的創(chuàng)立者，從而維護(hù)了量子理論。這次，輪到愛因斯坦目瞪口呆了。

又過了5年，1935年5月，美國《物理評論》發(fā)表愛因斯坦同玻多爾斯基和羅遜3人合寫的論文《量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完備的嗎》，被稱為“EPR佯謬”?！癊PR佯謬”的前提是“完備理論的條件”和“物理實(shí)在的判據(jù)”，而后者是指“空間上分隔開的客體的實(shí)在狀況是彼此獨(dú)立的”，這一原則也稱為”愛因斯坦可分離性原則”。玻爾則針鋒相對地提出“不可分離性”作為反駁“EPR佯謬”的武器，于5個月后的1935年10月，在《物理評論》上發(fā)表了相同標(biāo)題的論文。

近30年之后的1964年，科學(xué)家貝爾根據(jù)愛因斯坦可分離性原則，導(dǎo)出一個兩粒子自旋系統(tǒng)的不等式，即“貝爾不等式”。此后，物理學(xué)家對“貝爾不等式”證明、簡化，最終可能用儀器來檢驗(yàn)”貝爾不等式”，作出判決性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在少數(shù)情況下不違反“貝爾不等式”，多數(shù)情況下支持玻爾的理論。因此，目前尚不能對愛因斯坦和玻爾的爭論作出最后裁決。

不過，在爭論過程中，兩位頂級物理學(xué)家的物理學(xué)思想和哲學(xué)思想的相互滲透、交融和互補(bǔ)，對物理學(xué)和科學(xué)哲學(xué)的發(fā)展大有裨益。長期論戰(zhàn)也絲毫沒有影響他們之間的深厚情誼，他們一直相互關(guān)心，相互尊重，終身摯友。