和愛因斯坦辯論,在國家隊當門將,玻爾的人生開了掛

原標題:和愛因斯坦辯論，在國家隊當門將，玻爾的人生開了掛

畫 | 王劈柴

對，這可能是最厲害的跨界——著名物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）曾是丹麥足球隊的門將！在1922年他獲得諾貝爾獎時，丹麥報紙甚至用了這樣的標題來報導：《著名足球運動員尼爾斯·玻爾獲諾貝爾獎》。

玻爾 | nobelprize.org

「玻爾可是個足球運動員」

玻爾出生於1885年10月7日，他在哥本哈根大學拿到了科學碩士和哲學博士的學位。1911年，他去了英國，轉年慕名來到盧瑟福（Ernest Rutherford）在曼徹斯特的實驗室，於是這位名字中暗藏祝福（字面意思應該是loser的福氣……吧）的大師就成了他的新導師。

盧瑟福 | nobelprize.org

盧瑟福非常信任玻爾，他在盧瑟福的研究室時，情況是這樣的。

「先生，這些輻射是從原子的哪個部分發出來的？」新來的學生問。

「去問玻爾！」

「這個實驗用的玻璃管哪能弄到？」助理問。

「去問玻爾！」

「您新買的小汽車——」

「去問玻爾！」

……

「玻爾和其他理論家有什麼不同？」

盧瑟福正色道：「那是當然的，玻爾可是個足球運動員！」

在這裡，玻爾深入研究了盧瑟福的原子模型。他發現，雖然它能使物質性質的分類極大的簡化：放射性輻射起源於原子核，化學性質取決於核外電子……可它不符合現實。

盧瑟福原子結構模型又稱「原子太陽系模型」。它認為原子的質量幾乎全集中在直徑很小的核心區域，這個區域被叫做原子核，帶正電；而電子在原子核外繞核作軌道運動，帶負電。這個模型如微型太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。

在這個小小的「太陽系」裡，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。原子質量的絕大部分集中在一個很小的核心上。可帶負電的電子繞核旋轉時，它應當不斷地輻射出能量，從而沿螺旋形急速地向原子核「隕落」。但如此一來，原子就會坍縮掉。如果世界由無數的原子組成，而每一個原子都在坍縮，那我們的世界不也應該很快就垮掉嗎？

那問題出在哪兒？玻爾為此冥思苦想了很久，寫了幾沓草稿紙。

玻爾與妻子瑪格麗特Margrethe Nørlund | Niels Bohr Institute

好景不長，玻爾要回老家結婚了。（是真結婚！不是立 flag！）臨走前，他把自己的推想過程工整地寫在紙上，黏成一個長卷，然後敲開了盧瑟福的門。玻爾不避諱地對盧瑟福的模型提出了批評，他認為現有對模型的解釋是不完善的。經過計算，他發現只有一條軌道的原子不能擁有多於7個的電子，因為再多加一個，就會形成一個新的軌道。有趣的是，增加一條新軌道，就會增加一批新元素。

沒想到老師沒有為他的批評而惱火，反而鼓勵他繼續研究。於是，新婚燕爾的玻爾開始深入思考原子系統的穩定性。

「只有量子假說

 是逃脫困境的唯一出路」

既然原子只發出特定頻率的光，這是不是意味著電子不能任意改變軌道，只能處於某些特定的軌道上？於是玻爾構造了一個這樣的模型：一個帶正電的核與一個以圓形軌道繞核運行、帶負電的電子構成的原子。如此一來，唯一需要確定的參數就是軌道半徑了。此時他發現，電子的電量e和質量m，必須和普朗克常數h結合起來，才可以推導出能長度量綱來。

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，而非連續輻射的，電子其實是被束縛在不同的「能級」上，能量的輻射或吸收其實是電子在不同的能級之間存在「躍遷」。玻爾在回憶錄中寫道：「只有量子假說是逃脫困境的唯一出路。」

玻爾改良了盧瑟福的原子模型

1913 年的3月、6月和9月，玻爾給盧瑟福寄去了論述原子和分子結構的三篇論文。溫吞的玻爾這下子來了個大逆轉，論文裡提出的假設簡直就是大逆不道——他在論文中提出了和經典理論完全違背的量子不連續性，但卻成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質。

現在讓我們回到玻爾的那個理想模型：一個帶正電的核與一個以圓形軌道繞核運行、帶負電的電子構成的原子。看起來是不是很熟悉？

氫原子的玻爾模型 | Jabber Wok / Wikimedia Commons

對，就是氫原子，結構最簡單的原子。玻爾因此成功地解釋了氫光譜，這一模型的使用，也使原子物理和光譜學結合在了一起。玻爾將「量子」這位王者從那扇多年前由馬克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）打開的大門背後請了出來，讓它帶著我們，進入了一個全新的世界。而玻爾也因此獲得了1922年度諾貝爾物理學獎。

「上帝不擲骰子！」

量子力學誕生後，以玻爾、海森堡和泡利為主的哥本哈根學派一直認為，量子力學本身已經是完備的理論，而愛因斯坦則一直批評它並不完備。1927年第五屆索爾維會議上，雙方的爭論達到了頂峰。

1927年第五屆索爾維會議 | Benjamin Couprie

愛因斯坦堅持認為，量子力學只能描述處於相同環境中為數眾多而又彼此獨立的粒子全體，而不能描述單個粒子的運動狀態。因為單個粒子的運動狀態必須是決定性的，而不能是統計機率性的。因此，現有的量子力學理論是不完備的。

玻爾則堅持實證論：他認為量子世界是虛幻的、不真實的，只有對量子世界進行了測量之後的結果才是真實的。而現有的量子力學理論並沒有問題，它恰好可以計算這個複雜的量子世界，並且符合實際。

每天，當大家在旅館的餐廳用早餐時，辯論就開始了。愛因斯坦描述自己的思想實驗，玻爾通常沉默地傾聽；海森堡和泡利走在後面，跟著玻爾和愛因斯坦。在他們眼中，這兩個神話般的物理學巨人，哲學態度卻如此迥異，簡直就是一種鮮明對比。常常到了傍晚，玻爾就會想到駁斥愛因斯坦的方法。

玻爾與愛因斯坦在辯論中 | Paul Ehrenfest / Wikimedia Commons

愛因斯坦聽著，心裡很不服氣。

但很多時候竟然無法反駁。

終於在一次晚飯後，愛因斯坦憤怒的放下刀叉，忍無可忍的對著玻爾說了那句眾所周知的格言：「上帝不擲骰子！」

玻爾針鋒相對：「但，不確定性也是自然的一部分。」

「我恰恰認定它是完備的」

第五屆會議上的交鋒沒有結果，轉眼就到了1930年第六屆索爾維會議。愛因斯坦有備而來，提出了科學史上著名的思想實驗——「光子盒」，想論證測不準關係的核心公式不成立。沒想到第二天，玻爾居然就用愛因斯坦廣義相對論理論中的紅移公式，推出了能量和時間遵循的測不準關係，漂亮的駁斥了他。

1930年，第六屆索爾維會議 | Benjamin Couprie / Wikimedia Commons

1933年第七屆索爾維會議上，愛因斯坦沒能出席。那時，戰爭破壞了物理學家的日常生活，他翻山跨海，到了大洋彼岸的普林斯頓。他仍沒有放棄自己的觀點，準備從更普遍、更原則的方面來論證現有形式下的量子力學對物理實在的描述是不完備的。

愛因斯坦找來鮑裡斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen），一起撰寫了一篇文章——《量子力學對於物理事實的描述是完備的嗎？》。這篇文章於1935年發表在《物理評論》雜誌上，並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：物理實在的每個要素都必須在物理理論中有它的對應。即，如果不對一個物理體系進行幹擾，我們就能確定地預測一個物理量的值。還提出了一個思想實驗，史稱「EPR佯謬」。

玻爾看到老對手再次出招，深入思考之後，給《物理評論》寄去了論文。孩子氣的玻爾竟然取了和愛因斯坦一樣的題目——《量子力學對於物理事實的描述是完備的嗎？》。他更詳細地闡明了自己的「互補性觀點」，反駁EPR的物理實在觀，聲稱必須把複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，並且對著大洋彼岸的愛因斯坦隔空喊話：你說量子力學對物理實在的描述是不完備的，不，我恰恰認定它是完備的。

1933年，第七屆索爾維會議，愛因斯坦沒能出席 | Benjamin Couprie / Wikimedia Commons

實際上，此時的量子力學已經高速發展，漸漸擁有無人能撼動的地位。玻爾帶著一代又一代新人們加入到這個潮流中來。

「我寧可去幫助同盟國」

1942 年末，納粹醞釀許久的核計劃開啟了關鍵步驟：造原子彈所需的重水已儲備足夠，他們要將其運到柏林。雖然盟軍對此早有準備，卻仍然沒能及時阻止，德國很可能造出原子彈。第二年年初，身在哥本哈根的玻爾收到了一封寫在微粒膠捲（間諜常用的保存密件方法）中的信——是英國科學家查德維克（J. Chadwick）寫來的。信件措辭模糊，似乎在隱隱約約地暗示什麼，在結尾邀請玻爾去英國。

既然是如此簡單的消息，為何這麼大費周章？  莫非是因為自己在研究的核反應理論？

玻爾此時還在哥本哈根研究所，他提出了一個「液滴模型」理論。這個理論很能解釋重核裂變現象，因此經常與人談論核裂變的問題。說者無心聽者有意，納粹的戰爭販子們以各種方式妄圖將玻爾的想法記下來。

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一個「丹麥支援流亡知識分子委員會」來救助被迫害的流亡者們，並且宣揚和平。可他從未想過離開丹麥，於是婉言謝絕。

玻爾的研究所被德國人佔據 | Niels Bohr Institute

但到了當年的九月，迫於納粹的監視和鎮壓，玻爾不得不開始了逃亡。他先逃到了瑞典，到那兒的第一件事就是去覲見瑞典國王古斯塔夫五世（Gustaf V of Sweden），希望他能對納粹施壓，讓他們放過在丹麥的猶太人。可國王卻表示，自己早已提出這一想法，卻被納粹「侮辱性地拒絕了」，玻爾根本不了解納粹的殘暴。

這番交流深深震撼了玻爾——他是一位科學家，政治不是他的專業，之前他也並不太關心。他只懷有和平主義的理念，甚至還對德國人抱有幻想。

現在，事情很明了了，忍讓不可能換來和平。

眼下最可怕的危機卻是——假若德國先造出了原子彈，那會發生什麼？

玻爾脊背發涼。

海森堡與玻爾於1934年哥本哈根會議 | Fermilab / Wikimedia Commons

他終於做出了一個決定，和兒子一起去英國。「如果一定有人要優先製造出這可怕的武器的話，我寧可去幫助同盟國，讓他們先得到它。」

「影響歷史進程的一次逃亡」

這是1943年10月的斯德哥爾摩，夜色之下，玻爾跟著來接應自己的英國特務來到一座早已廢棄的機場。這裡沒有指向燈，沒有控制塔，夜色像巨幕一樣覆蓋著跑道。

這架蚊式飛機映入玻爾眼帘的時候，他著實被驚到了。

它剛結束一場從英國而來的長途飛行，螺旋槳還在撲撲轉動，而機身竟然是普通的三合板做的。

玻爾笨拙的開了個玩笑：「你們確定這架飛機不會在飛行途中突然解體嗎？」飛機將要飛越夜霧沉沉的英吉利海峽。玻爾戴上保護帽和面罩，像個粽子似的被綁在炸彈艙裡。

二戰期間英軍的蚊式轟炸機 | RAF / Wikimedia Commons

蚊式飛機起飛了，夜間逃亡正式開始。

為了讓敵人難於截擊，飛行了一會兒後，飛機就不得不爬升到更高的高度，這時乘客必須使用氧氣面罩才能維持呼吸。

飛行員用機內對講系統告訴玻爾：「請立即戴上氧氣面罩」。

沒有回應。

「請儘快帶上氧氣面罩。」

還是沒有回答。

至少還要飛行兩個小時，如果一直處於這樣的高度，玻爾只有兩個結局：窒息而死，或者凍死。但如果降低高度，即使玻爾緩過氣來，飛機也可能被敵人的夜航戰鬥機擊中。

那麼，掉頭？更不可能，那是自投羅網。

向上向下，向前向後，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。

孤注一擲，賭一把吧。

圖 | Wikimedia Commons 

超低空飛行！

飛機開始下降。即使會被擊中，也不能讓乘客直接死在艙內。

飛機高度持續降低，最後幾乎是貼著海面在全速飛行，大海翻湧不息，似乎時刻都想伸出浪舌將這架孤零零的飛機舔進黑暗裡。

必須更換航線，沿著德國戰鬥機航程之外的航線飛！

終於撐到奧克尼群島，飛行員打開敵我識別器。目的地就在前方，他試著又呼喚了一次「那位客人」，仍然沒有回應……

這是愛丁堡附近的夜間戰鬥機基地，空曠，荒涼，似乎也被遺棄了。救護人員、機械師、軍官，大家焦急地擠在一起等候著玻爾的飛機。可當它終於顛簸地停下，人們打開艙門時，卻看到玻爾已經昏過去了。醫生們敏捷地上前注射強心劑，給他輸氧。大家才發現，原來在航行途中，玻爾的通話器插頭掉了，所以他沒聽到飛行員的指示。

玻爾和他的兒子——物理學家Aage Niels Bohr | what-buddha-said.net

幸運之神最終眷顧了玻爾，他很快就恢復了。不久，美國拋出橄欖枝，邀請玻爾和他的兒子奧格·玻爾（Aage Niels Bohr 核物理學家，後獲得1975年諾貝爾獎）前去參與一個秘密計劃。

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，是一項改變人類歷史進程的巨大工程。

「自然科學正把文明引向何處」 

這是1944年的洛斯阿拉莫斯。這裡，有提出了「康普頓效應」的康普頓（Arthur Holly Compton），有做了著名的「密立根實驗」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森……如果此時全球的智慧分布可以做成光譜地圖，這裡一定會被標紅。

這些科學家們共同參與著一個被命名為「曼哈頓」的計劃。那時候，如今鼎鼎大名的費曼（Richard Feynman）還是個小青年，他是如此評價玻爾到達洛斯阿拉莫斯時的情形的：「甚至在這些『巨頭』們看來，玻爾也是一尊偉大的神。」

玻爾一直使用化名，人稱「尼克大叔」，但大家都知道計劃的新參與者是誰。在那裡，玻爾見到了許多老朋友，這其中很多是通過他的援助才逃離納粹的猶太物理學家。

「曼哈頓」計劃參與者合影 | manhattanprojectvoices.org

但玻爾到美國的主要目的卻不只是協助研製原子彈，他看的更遠——是的，我們在製造「人間死神」，那麼製造完成之後，我們該如何處理它？

1945 年8月6日，核彈在廣島爆炸；幾天後，日本宣布投降。正在所有人歡慶戰爭的結束時，玻爾卻懷著複雜的心情重新開始審視這一切。

他在《泰晤士報》發表了一篇名為《科學與文明》的文章：「通過原子的分裂釋放巨大的能量，這意昧著人類力量的真正革命。這種可能性的實現，在每個人的心目中都不能不喚起這樣一個問題：自然科學正在把文明引向何處……很明顯，如果人類社會對這種緊張形勢不自行調整的話，人類已能夠獲得的這種可怕的破壞力，有可能變成致命的威脅。面對這種新的破壞力，沒有什麼東西能抵擋得住。因此，出路只有一條，就是全世界一致合作，阻止任何一種不把這種新力用於為全人類服務的作法。」

1950 年，玻爾發表了致聯合國公開信，呼籲建立一個「開放的世界」。他希望能達成一個「均等地威脅著所有國家的核武器存在，永不使用核武器」的普遍協議。1955年的日內瓦和平利用原子能國際會議上，玻爾希望科學和科學家能在促進相互交流和理解方面起帶頭作用，希望科學的發展能夠增進世界人民的福利。他的整個後半生都致力於國際合作及和平利用原子能的事業：「如果原子能掌握在世界上愛好和平的國家手中，這種能量就會保障世界的持久和平；如果它被濫用，就會導致文明的毀滅。」從此，對人類命運的關切和對科學與人之間關係的深思，佔據了玻爾的整個晚年。

他預見到了，所以他無法坐視不管。當權者們顧及的當然是眼前的利益、黨派和民族的立場；而像玻爾這樣的科學家看重的，是全人類的未來、普遍真理與宇宙和諧。

1957年，玻爾在他的研究所外 | Niels Bohr Institute

花落花開，花開花落，少年子弟江湖老，玻爾度過了波瀾壯闊的一生。他經歷了事業的輝煌，戰爭陰雲的裹挾……如今，歷盡千帆，他只是一個安詳的老人。

那是1962年的11月17號，他像往常一樣，長久地凝視著他房間黑板上畫的一個盒子——當年愛因斯坦曾畫過的用來解釋自己的光子盒理論。那是他們爭辯的產物，是他們曾向著心智徵服的明證。

念念不忘，必有迴響。

第二天，玻爾在自己的家中去世。

他活了77歲，幾乎見證了量子力學的整個發展史。他的很多學說如今已被取代，但他在其中起到的承上啟下的作用無人能比。這位曾經的丹麥門將，也許仍會在天堂的門柱上計算公式吧！

一個AI

「尼爾斯·玻爾度過了十分豐富而幸福的一生。他的天才和他的能力使他揭開了科學中的新紀元，玻爾也贏得了一切有幸熟悉他的人的熱愛和全世界的尊敬。」

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