物理風雨100年:索爾維會議的前生今世

2020-11-24 雷鋒網

雷鋒網按：本文由知社學術圈原創編譯。

提起物理學最輝煌的年代，人們都會想起那張群星雲集的華麗照片。1927年，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。包括愛因斯坦、波爾、薛丁格、居裡夫人在內的諸多學界精英都參加了大會，留下了物理學界最經典的記憶。可想而知，索爾維會議對現代科學起到了怎樣的作用。百餘年來，它一直在延續。讓我們透過這扇窗口，觸摸物理學界的脈搏。

索爾維國際物理學化學研究會 (法語：Institut International de Physique Solvay) 是由比利時企業家歐內斯特·索爾維於1912年在布魯塞爾創辦的一個學會。此前一年他通過邀請方式舉辦了第一屆國際物理學會議，即第一次索爾維會議 (法語：Conseils Solvay)。在此次成功之後，研究會繼續負責邀請世界著名的物理學家和化學家對前沿問題進行討論的會議。索爾維會議致力於研究物理學和化學中突出的前沿問題，每三年舉辦一次，規律為第一年是物理學，第二年輪空，第三年是化學。這會議常被趣稱為「集中了全人類三分之一的智慧」。

圖1. 歐內斯特·索爾維

歐內斯特·索爾維 (Ernest Solvay) 不僅是一名家財萬貫的實業家，也是一名科學家。他發明的工業氨鹼法沿用至今。索爾維制鹼法是將海水與石灰石混合，進而產生碳酸鈉，也就是我們常說的蘇打。蘇打可以將水軟化，使硬水中的鈣離子和鎂離子沉澱析出，因此，減少了汙垢的形成。相比於鹼液的強腐蝕性和危險性，蘇打溫和的多，它可以用來降低食物的酸性。

索爾維熱衷於慈善事業，他將自己的財富獻給了科學，為物理界的傑出人士創辦了影響深遠的索爾維會議。首屆索爾維會議於1911年秋天在比利時的布魯塞爾舉辦。

原子核的往事

首屆索爾維會議究竟發生了哪些趣聞軼事呢？在首屆會議之前，歐內斯特·盧瑟福 (Ernest Rutherford) 剛剛完成了α粒子散射實驗，這個實驗表明原子內部有一個密度極大的原子核，電子將它包圍起來。盧瑟福在實驗中發現，帶電的α粒子在轟擊金箔後會反射回來，這表明α粒子遇到了一塊密集的帶電區域。然而盧瑟福在1911年索爾維會議上卻對此隻字未提。

圖2. 首屆索爾維會議，1911年

居裡夫人 (Marie Curie) 也出席了會議，當時她與盧瑟福有同樣的發現，只是途徑不同而已。居裡夫人意識到放射性元素與它的化學性質無關，她說：「放射性與之前觀察到的現象無任何關聯。放射性似乎來自原子內部的深層區域，這塊區域遠遠超出了我們的感受範圍和觀測範圍，除非是在原子能量釋放的那一刻。」

圖3. 歐內斯特·盧瑟福與居裡夫人

盧瑟福作為聽眾，意識到他的α粒子散射實驗已經準確地驗證了這一點。但是他依然沉默不語。如今，盧瑟福成了原子核的發現者，他通過無可辯駁的實驗證明了原子核的存在。同樣，居裡夫人在她所專攻的領域內，通過革命性的實驗闡明了放射性現象的本質。最終兩人都為科學做出了巨大的貢獻，並各自贏得了屬於自己的諾貝爾獎。

量子力學前輩

第五屆索爾維會議討論的核心是有關量子力學的，而追溯量子力學就不得不提及一個人，那便是德國物理學家馬克斯·普朗克 (圖6.前排左二)，「量子力學之父」。參加這屆索爾維會議時他已經69歲，德高望重，是當然的前輩。

圖4. 馬克斯·普朗克

19世紀末，揚棄古典物理學的觀念已提上日程。因而消除牛頓力學和麥克斯韋電磁場這兩大理論之間的不一致，就成為二十世紀物理學發展的前提。普朗克此時提出了一個大膽的假說，在科學界一鳴驚人。這一假說認為輻射能 (即光波能) 不是一種連續的流，而是由小微粒組成的。他把這種小微粒叫做量子。普朗克的假說與經典的光學學說和電磁學說相對立，使物理學發生了一場革命，使人們對物質性和放射性有了更為深刻的了解。　

玻爾-愛因斯坦論戰

圍繞著量子論的發展，湧現了無數物理天才，在普朗克和愛因斯坦之後，玻爾、薛丁格、泡利、狄拉克等人陸續登場。他們幾乎都在30歲之前對量子論做出了重大詮釋。

圖5. 奧託·斯特恩 (左) 和沃爾夫岡·泡利

「電子自旋」的概念剛誕生時。有一次，玻爾出門旅行，經過漢堡火車站時，泡利 (Wolfgang Pauli) 和斯特恩 (Otto Stern) 就在站臺上詢問玻爾對此的看法，到達萊登以後，玻爾遇到了愛因斯坦和埃倫費斯特，繼續討論了這個問題。

返程途中，玻爾經過哥廷根，海森堡和約爾丹又出現在站臺上與他討論了同樣的問題。最後，當玻爾的火車抵達柏林時，泡利又出現了，他特地從漢堡一路趕到柏林，想聽聽玻爾一路上都有了些什麼新想法。

由於前幾次索爾維會議適逢20世紀前三十年的物理學大發展時期，參加者又都是一流物理學家與化學家，使得索爾維會議在物理學發展史上佔據了重要的地位。

圖6. 第五屆索爾維物理學會議，國際索爾維物理研究所，1927年

最負有盛名的一次會議當屬1927年10月召開的第5次關於電子與光子的索爾維國際會議，世界上聲名赫赫的大物理學家均有出席，對新提出的量子理論進行了探討。參加這次會議的29人中有17人獲得或後來獲得諾貝爾獎。

這次會議的帶頭人是愛因斯坦和玻爾。愛因斯坦那時不再對海森堡的「不確定性定理」抱有幻想，聲稱「上帝不會擲骰子」。對此，玻爾曾回應道，「愛因斯坦，不要再告訴上帝應該怎麼做！」玻爾在 1922年獲得了諾貝爾獎。然而，這並不是愛因斯坦與玻爾之間唯一一次發生口角，關於物理定律的兩種不同解釋是他兩人間分歧的最大來源。學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發布的調查顯示，玻爾的理論觀點佔據了上風。據稱，尼爾斯-玻爾和愛因斯坦在工作方面有很大分歧，在一次爭論中玻爾還呵斥愛因斯坦道：「愛因斯坦，不要再告訴上帝應該怎麼做！」這一爭論被稱為玻爾-愛因斯坦論戰。

圖7. 玻爾和愛因斯坦

第五屆索爾維國際會議為我們留下的那張物理學歷史上的經典照片，經過瑞典藝術家桑娜·杜拉韋 (Sanna Dullaway) 上色，重新煥發出活力。看著那些精緻的老式西服，一張張熟悉的偉大臉龐，還有那地面上的秋天落葉，書上記載的故事仿佛重新顯現在我們眼前。

圖8. 第五屆索爾維物理學會議 (著色版)

勉強過關的博士生

維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg，圖6. 後排右三) 是量子力學第一種有效形式 (矩陣力學) 的創建者，他更是為後人留下了一個神秘詭譎的「海森堡之謎」。「二戰」期間，納粹德國召集眾多科學家研製原子彈，海森堡是其中核心人物，但最後德國並沒有造出原子彈，有一說法正是海森堡沒有盡全力，但海森堡本人一直拒絕披露其中的真相。

圖9. 泡利 (左)，海森堡 (中) 和費米 (右) 於科莫湖，1927年9月

光輝成績的背後也有著不為人知的往事，1923年，年僅21歲的海森堡差點沒有拿到博士學位。在答辯現場，面對數學問題時，海森堡回答起來得心應手；等到天文學問題的時候，他就開始不知所措；最後到實驗物理的時候，則完全一臉茫然。在上實驗課的時候，海森堡需要使用法布裡－珀羅幹涉儀來觀察光波的幹涉。雖然教實驗的威廉·維恩已經講解過很多次，可是海森堡依然一點都不知道如何算出幹涉儀的解析度。當問及海森堡蓄電池如何工作的時候，他依然是一臉的困惑、不知所云……最終，在導師阿諾·索末菲的極力保護下，海森堡勉強拿到了博士學位。

薛丁格的貓

埃爾溫·薛丁格 (Erwin Schrödinger，圖6. 後排左六) 也是索爾維會議中聲名卓著的人之一。他在1935年提出了著名的量子理論即「薛丁格的貓 (Schrödinger’s cat)」。這一理論指出一些事物沒被觀測到之前，可以同時以兩種本徵態存在。

圖10. 埃爾溫·薛丁格

薛丁格假想將一隻貓放置於一個裝有放射性物質的箱子內。若在一小時內該物質發生衰變、釋放出有毒物質進而將貓殺死的機率是50%。然而，還有50%的可能是放射性物質沒有衰變，因而並沒有釋放有毒物質。所以，量子力學理論認為，這隻貓既沒死也沒活，一直到打開箱子進行觀測才能確定其狀態。

是誰幫助建立了中國物理學會？

1931年，國際聯盟派出4位專家來華考察教育，其中就有著名物理學家保羅·朗之萬 (圖6. 前排右四)。來華後他建議中國物理學工作者聯合起來成立中國物理學會，並加入國際純粹與應用物理學聯合會。經過朗之萬的促進，中國物理學會的籌備組織迅速成立，當時的清華大學校長梅貽琦被推選為籌備會主任。1932年8 月22日至24日在北平清華大學召開了中國物理學會的成立大會，這也是中國物理學會第一次年會。

朗之萬生於巴黎，1905年他看到愛因斯坦的論文後，對相對論表示了濃烈的興趣，並和愛因斯坦結下了深摯的友誼。他形象地闡述相對論並作了大量宣傳工作，因而有「朗之萬炮彈」的美稱。朗之萬是居裡夫人丈夫皮埃爾生前的學生，傳說他與妻子感情冷淡，卻深深迷上了比自己大五歲的居裡夫人。兩人的情書被郎之萬的妻子拿去交給了所謂的媒體，這段緋聞瞬間被炒得沸沸揚揚，1911年巴黎新聞報刊登了題為《愛情故事：居裡夫人與郎之萬教授》的文章。