史上最牛的物理學論戰,玻爾靠什麼贏了愛因斯坦3次?

2020-11-29 全歷史

人類首張黑洞照片的公布,把100多年前愛因斯坦的神預言送上了熱搜。在網友們紛紛送上「愛神」稱號,發出「你大爺還是你大爺」的感嘆時,很多人都不知道,在國內媒體隻言片語的報導下,還隱藏著一個曾3次在量子力學論戰中碾壓愛因斯坦的奇人。

他就是丹麥國寶級物理學家、1922年諾貝爾物理學獎得主、量子物理三巨頭之一、名震世界的哥本哈根學派掌門人——尼爾斯·玻爾。

尼爾斯·玻爾

成績不好賴踢球?始祖級守門員表示不服

最新消息:「著名足球運動員尼爾斯·玻爾,剛剛被授予了諾貝爾物理學獎。」第一次聽到這事的人肯定以為這是段子,然而,這確實是1922年發生在丹麥的真實新聞。

這位守門員實在太另類了,他通常沉默寡言,據說語言表達能力也堪憂。比賽時,作為丹麥最優秀與最具天賦的的球員之一,還經常神遊八方,口念咒手掐訣,永遠一副若有所思的樣子。當時很多人都在好奇這個年輕運動員是不是在修仙?其實還真差不多,他修物理學。

苦於鑽研的學術思維能與勇往直前的體育精神合二為一,這一切,都與玻爾的成長環境有關。

小玻爾(最右)與家人

1885年,玻爾出生在丹麥首都哥本哈根一個知識分子家庭。父親克裡斯丁·玻爾既是哥本哈根大學的生理學教授,也是丹麥足球的引進者之一。在小玻爾出生的年代,現代足球對於丹麥來說還是個新鮮事物,而克裡斯丁不僅將其引入哥本哈根,還在塔根斯維修了一塊球場,經常帶著小玻爾去玩。

玻爾(右)和其弟弟

經過童年的積累,玻爾的足球天賦在學生時代就被挖掘了出來,並被招入當時丹麥的豪門球隊「阿卡德米斯克足球俱樂部」當守門員,並多次隨隊出戰。在足球尚未形成世界潮流的時期,這支俱樂部幾乎橫掃丹麥,曾分別在1913年、1919年和1921年奪得丹麥冠軍,直到1967年他們共有9次奪冠。作為早期主力門將的玻爾,其實力可見一斑。

球技這麼牛掰的運動員,學習成績應該很一般吧?事實恰好相反,玻爾在體育上衝勁十足,也同樣有著近乎死心眼的較真。

小時候的他就極其追求完美,堅定地將「大膽而嚴謹」(愛因斯坦原話)進行到底。在一堂圖畫課上,老師要求大家畫出自己家的房子。玻爾畫著、畫著便向老師打報告說要回家,原因竟是「我實在記不清家裡圍牆有多少根柱子了。」

不僅如此,才剛上小學不久,他就敢公開向老師叫板,指出教材中的錯誤,經常弄得場面十分尷尬。老師表示:「這孩子教不了,教不了……」

秉承著這種一根筋的精神,玻爾在物理領域簡直如魚得水。

玻爾在物理學領域堪稱天才

18就考入了哥本哈根大學,22歲拿到了丹麥皇家科學與文學院的金質獎章,26歲獲得哲學博士學位。1913年,他轉戰原子結構,寫出了《論原子構造和分子構造》,成功解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質,提出了玻爾模型。1920年,他又創建哥本哈根理論物理研究所,靠著個人魅力吸引來了一大批物理學大佬,如諾貝爾獎得主海森堡、泡利、狄拉克等人,形成了哥本哈根學派。

哥本哈根學派的量子力學大咖們
一張圖讓你感受下哥本哈根學派的實力

由於良好的學術討論氛圍,這個學派逐漸成了上世紀二三十年代全球物理學研究的中心,到現在,都依然是物理學家們的「朝拜聖地」。

量子力學的巔峰對決,愛因斯坦竟從未贏過

要說玻爾一根筋的性格沒有一點壞處,那是絕對不可能的。他在「電子之父」J.J.湯姆森面前的莽撞,就曾差點斷送了自己的前程。

那時,正是經典物理大廈搖搖欲墜的年代,玻爾當時也明顯感受到經典力學在描述原子現象時的困難。於是博士畢業後,他便帶著各種疑問前往英國劍橋,想跟自己的偶像J.J.湯姆森進行更深入的學習。

「葡萄乾布丁式」的原子模型

然而,他經過研究發現,湯姆森提出的「葡萄乾布丁式」原子模型有很多不合理的地方,於是第一次見面他就拿出偶像的論文,用生澀的英文指出了裡面的幾處錯誤。

「電子之父」——J.J.湯姆森

湯姆森四年前才剛獲得諾獎,德高望重,完全看不懂玻爾這是什麼操作,場面幾度陷入尷尬。耿直的玻爾卻完全沒有察覺,臨走時還不忘請湯姆森看下自己的論文,希望能幫助發表在英國皇家學會的刊物上。

當然,後來他的這篇論文被不置可否地束之高閣了……

但這並未改變玻爾的質疑精神,他後來參加的辯論無數,常常一個理論就能跟別人辯上好幾年,甚至是一生。連他的學生海森堡都說:「玻爾在爭論的對手面前不肯退後一步,而且有絲毫的含糊不清,他都不能容忍。

玻爾vs愛因斯坦:物理大佬的頂級對決

這種情況下,他註定要和物理界的巔峰強者愛因斯坦相遇,並組成一對相愛相殺的天才CP。實際上,這兩人從1920年第一次見面起,就在認識上發生了嚴重分歧,之後便開始了終身的論戰,幾乎一見面就有掐架發生。

玻爾,上帝不擲骰子!

愛因斯坦,別去指揮上帝應該怎麼做!

玻爾和愛因斯坦

這句經典的對話,便是這場論戰的開端與往後爭論的核心。

Round1:

當時,在量子力學誕生後,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。在1927年第五屆索爾維會議上,兩人的火藥味就濃得嗆到了當場的幾十位世紀最強大腦。

第五屆索爾維會議,科學家合照

這場智商的巔峰碰撞猶如物理學家之間的點球大戰:愛因斯坦化身前鋒,針對量子物理學提出各種疑問,而玻爾則盡顯守門員本色,將各種質疑一一化解,防守得滴水不漏。

Round2:

吃癟的愛因斯坦吸取教訓,沉澱了3年後,在第六屆索爾維會議上,他不再隨意射門,而是有備而來。他提出了著名的思想實驗——光子盒,準備以此擊敗玻爾。

光子箱構思圖

起初玻爾的確是被打得措手不及,然而他帶領小弟們抓了一晚上頭皮,最後竟然在次日天才地反用愛因斯坦的相對論,證明這個思想實驗是有缺陷的,再次防守成功。

Round3:

看著愛因斯坦屢屢受挫,作為獨行俠的薛丁格也看不下去了,他把自家那隻最有名的貓牽出來折騰哥本哈根學派。但玻爾最擅長防守,他回答道:是啊,你家那隻貓半死不活的,嗆得薛丁格差點一口氣沒上得來。

薛丁格與他的貓

看到支持者被欺負,1935年,愛因斯坦拉上波道爾斯基和羅森聯名發表了EPR 文章,把攻擊的矛頭從量子理論內部邏輯自洽性,轉到了量子理論完備性上來。試圖用實驗證明,量子力學的正統實驗是變態、侮辱人智商的。

這個實驗提出了一個問題:如果兩個粒子相隔億萬之遙,你對著一個粒子吹口氣,另外那個粒子也會馬上做出反應,可能嗎?

可能,這就是玻爾的回答。量子糾纏後的兩個粒子就是有著鬼魅般的超光速聯繫,然後事實證明玻爾仍然是對的……

愛因斯坦與玻爾

很多人都覺得學術上的針鋒相對,很容易導致私下交惡,但他們兩人明顯不屬於這種類型。愛因斯坦曾這樣評價玻爾:「他將大膽和謹慎兩種品質難得地融合,無疑是我們科學領域最偉大的發現者之一!

「曼哈頓」計劃參與者合影

玻爾也的確不負愛因斯坦的讚賞,二戰後期納粹預謀製造原子彈,他義務反顧地參加了美國的「曼哈頓計劃」,但他的主要目的不只是協助研製原子彈,而是看得更遠——我們在製造「人間死神」,那麼製造完成後,到底該如何處理它?他是一位科學家,政治不是他的專業,他只懷有和平主義的理念。

更出乎意料的是,不善言辭的他,幾乎用了一生的時間去懷念愛因斯坦這位對手。1962年,玻爾因心臟病突發在家中逝世,去世前一天,他工作室的黑板上,仍然畫著當年愛因斯坦光子箱的草圖……

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