精选栏目

90年前物理学界“全明星”照的背后

《科技生活》周刊||热度 ( )

你一定看过那张号称汇集全球三分之一智慧,史上最强物理学家“全明星”照——在1927年10月,金秋的布鲁塞尔,召开了第五次索尔维会议。这次会议可谓群贤毕至,参加的29人中有17人获得过或后来获得了诺贝尔奖。这次会议上爱因斯坦和玻尔就量子力学的解释问题进行了第一次公开论战,促成了科学史乃至哲学思想史上最著名的争论。

文/记者 刘辛味 编辑 刘昭

与会人员(从左至右):

后排:A.皮卡尔德(A.Picard) E.亨利厄特(E.Henriot) P.埃伦费斯特(P.Ehrenfest) Ed.赫尔岑(Ed.Herzen) Th.顿德尔(Th. de Donder) E.薛定谔(E.Schrodinger) E.费尔夏费尔德(E.Verschaffelt) W.泡利(W.Pauli) W.海森堡(W.Heisenberg) R.H.否勒(R.H.Fowler) L.布里渊(L.Brillouin )

中排:P.德拜(P.Debye) M.克努森(M.Knudsen) W.L.布拉格(W.L.Bragg) H.A.克莱默(H.A.Kramers) P.A.M狄拉克(P.A.M.Dirac) A.H.康普顿(A.H.Compton )

L.德布罗意(L.de Broglie) M.波恩(M.Born) N.玻尔(N.Bchr )

前排:I.朗缪尔(I.Langmuir) M.普朗克(M.Planck) M.居里夫人(Mme Curie ) H.A.洛伦兹(H.A.Lorentz ) A.爱因斯坦(A.Einstein) P.朗之万(P.Langevin)

Ch.E.古伊(Ch.E.Guye) C.T.R.威尔逊(C.T.R.Wilson) O.W.里查逊(O.W.Richardson)

▲ 在利奥波德公园拍摄的第五届索尔维会议合影 (拍摄者:Benjamin Couprie)

毫无疑问,这是有史以来最著名,前无古人也可能后无来者的一次学术会议。不过,你可能不知道为什么叫索尔维会议,为什么能聚集这么多大牛?在这张照片拍下来的90周年的此刻,以此文怀念那个科学群星闪耀的时代。

索尔维:热爱科学的实业家

索尔维会议(Solvay Conference)是在比利时工业化学家和实业家欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay)资助下召开的国际性学术讨论会。索尔维和提供诺贝尔奖金的诺贝尔很像,他们热爱科学研究,也是家底雄厚的实业家。诺贝尔设立了以自己名字命名的科学奖金,而索尔维为召开世界最高水平的学术会议提供了经费。

索尔维(1838-1922)出生于比利时雷贝克,距离布鲁塞尔约30千米的一个小村庄。不过他可不算是一个普通的农民孩子,他的父亲有一座石矿,开了一家油盐店,这位有商业头脑的父亲自己就会制盐,小时候的索尔维就接触了一些基本的化学知识。而且,他的父亲从小就给他灌输了至高无上的社会责任感和生活上行为准则,深深地影响了他自己的一生。


欧内斯特·索尔维

1861年,年仅23岁的索尔维获得了他的第一份专利:利用食盐、氨和石灰石为原料在工业上制造碳酸钠的技术,后来被称为氨碱法。氨碱法实现了工业上的连续生产,提高食盐利用率,获得的碳酸钠品质纯净,是19世纪工业化学领域最重要的进展之一,直到20世纪40年代才被我国著名化学工程专家侯德榜改进成更高效的侯氏制碱法(联合制碱法)取代。

拿到专利的索尔维靠着家里的资助建了一个研究实验室,为当时比利时各个化学工业公司提供制造纯碱的技术。1863年,索尔维创立了自己的工厂。开始运营后,因制碱法的巨大成功,索尔维的工厂很快站稳脚跟,具有商业头脑的索尔维逐渐把比利时的工厂扩大为了国际公司。直至今天,索尔维集团(Solvay S.A.)仍是化学工业的领军企业,在全球拥有145个工业基地,致力于发展先进的化学解决方案,业务几乎遍布一切与化学有关的领域。

对于成为世界大富豪的索维尔本人来说,财富并不是他追求的目标。索尔维一生简朴,淡泊名利,他利用自己的资源投身于各种慈善事业,包括资助各种研究组织,晚年时建立了多个研究所,其中包括社会学研究所、商学院等机构,这些后来并入了布鲁塞尔大学,国际物理与化学研究所至今仍在科研一线做出贡献。而这些投资最著名的,恐怕就是索尔维会议。

第一届索尔维会议:能斯特背后的推动

晚年的索尔维不仅仅是资助科学研究,他自己本人也热衷于基础科学,受到当时科学界的影响,尤其洛伦兹、爱因斯坦有关相对论的内容,以及普朗克量子论对经典物理的危机令他十分关注物理学的进展,甚至自己也提出了一些构想。

1910年春天,索尔维在他的合作者住处会见了当时柏林大学物理化学所的所长,德国化学家能斯特。能斯特因在热化学领域做出的贡献,获得了1920年的诺贝尔化学奖,实际上他提出了热力学第三定律。能斯特不仅是有才华的科学家,也表现出实干精神,是一位能干的组织者,当时他已经有了极高的学术声望和影响力。

▲能斯特(Walther Nernst, 1864-1941),被誉为物理革命的建筑师。业余爱好是打猎和钓鱼

索尔维向能斯特介绍了他自己关于万有引力和物质结构的思想,并询问能斯特他的理论能否引起当时的物理学家普朗克、洛伦兹、爱因斯坦等人的注意。能斯特很快意识到这将是一次契机,向索尔维提议召开一次高水平的国际会议,让杰出的物理学家一起来讨论这些问题。

其实在他们的讨论会面前,能斯特就曾和普朗克讨论过开一次会,讨论当时的物理学问题。但当时物理学界对新的“量子”态度不一,普朗克认为时机还不成熟。不过,在布鲁塞尔与索尔维见面得到支持后,能斯特坚定了想法,马上给德国的普朗克和洛伦兹等人写信。6月得到了普朗克支持的回信,能斯特又跑到布鲁塞尔“忽悠”索尔维,兴奋地把物理学基本原理的革命性变化和召开国际会议的必要性介绍给了索尔维。这位大富翁立即答应资助会议,后来又亲自在能斯特起草的邀请书上签字,寄给了18位物理学家,他们当时都是研究理论物理的顶尖学者。

能斯特和普朗克、洛伦兹制定了会议议程,最终索尔维发送了正式的会议通知。能斯特要求不要在会议通知中提到自己的名字,但后来的参会者都知道能斯特在背后的推动作用。爱因斯坦收到通知后给能斯特写信:“我很高兴接受布鲁塞尔会议的邀请,我会为指派给我的题目做好准备。对这项事业我感到欣喜万分,而且相信,您是运筹帷幄的。”

物理学家们接到邀请后也纷纷给索尔维回信表示了感谢,积极响应参加。就这样,第一届索尔维物理学会议在1911年10月29日召开,就“辐射理论和量子”进行了讨论。这次会议受到了比利时国王接见,还安排了很多社交活动。

▲第一届“全明星”合照,其实前排左三的索尔维当时不在场,他的照片是后来粘上的。另外有趣的是,除了后排右五的英国物理学家金斯(James Jeans)和唯一女性居里,其他人都留胡子

第一次索维尔会议影响极大,把量子论从个别物理学家的兴趣推向了历史最前沿。多国的研究者之后纷纷加入进来,对量子物理的发展起到了极为重要的作用。物理学家们真正意识到,无论光还是热辐射,量子背后隐藏的都是经典物理难以解决的巨大难题。

尽管没人理会索尔维提出的那套“民科”似的理论,索维尔还是感受到了会议的巨大成功。之后,他分别建立了物理和化学的基金会,后来统称为国际物理学和化学协会。索尔维会议(1922年开始加入化学会议)每3年召开一次,邀请来自世界各国相关领域的顶级学者就一个前沿问题讨论,延续至今。

▲ 洛伦兹(Hendrik L o r e n t z 1953 - 1928),世纪之交时代的物理学界权威,懂多种语言,是前五届索尔维会议的主席

第五次索尔维会议

其实第一届索尔维会议已经堪称物理学界的全明星了,爱因斯坦的朋友贝索(Michele Besso)把这第一届会议称为“巫师盛会”,就像中世纪时传说女巫每年和妖魔有一次大聚会。

那么为什么第二届到第四届会议没那么出名呢? 其实第二届时,大名鼎鼎的卢瑟福(Ernest Rutherford)参加了,但他当时还没有发现原子核。会议主题“物质的结构”在1913年(当时约定每2到3年召开一次)还未有突破性进展。第三次会议受到第一次世界大战的影响,在1921年才召开,而且云集一批顶尖物理学家的德国被排除在国际会议之外。爱因斯坦一人受到了邀请,但因其他事宜未能成行。1924年,同样第四次会议,爱因斯坦也因为其他德国科学家未受邀请而拒绝参加。直到1926年,德国加入国际联盟,德国科学家才回归国际学术圈,更加突出了第五届会议的意义。

▲ 经过艺术家上 色处理后的第五届 会议合影 ( 来源: Business Insider)

斗转星移,第一届会议过去16年, 1927年第五次会议准备召开。在短短的16年内,物理学却极大的发展了。量子论很大程度上被接受,光具有波粒二象性。通过对氢原子模型的解释,量子力学逐渐发展起来,对物质结构原子更深层次也有了概念。

物理科普作家张天蓉很有意思地形容了这次参会的明星们:玻尔高举着他的“氢原子模型”,玻恩口口声声念叨着“概率”,德布罗意骑着他的“物质波”,康普顿西装上印着“效应”二字,狄拉克夹着一个“算符”,薛定谔挎着他的“方程”,身后还藏了一只不死不活的猫,布拉格手提“晶体结构”模型,海森堡和他的同窗好友泡利形影不离,两人分别握着“测不准原理”和“不相容原理”。最后登场的是爱因斯坦,举着划时代的两面相对论大旗,头顶光电效应光环,洋洋洒洒跨辈分地坐在了中间。周围是发现镭和钋的居里夫人,洛伦兹“变换”、普朗克“常数”,威尔逊“云雾室”等。提到的这些人全都是诺奖得主……

各个身怀绝技的物理学家,却对新发展起来的量子力学有着巨大的疑问,面对违反常理的随机性和概率,到底如何解释?

爱因斯坦和玻尔首次交锋他们在争什么

这届索尔维会议的主题是“光子和电子”,前面这些提到的“大侠”逐一作报告,就量子力学的问题进行了针锋相对的讨论。会议其实是一部量子论发展的微缩历史,不同观点进行了直接碰撞。

很快,参会者分成了三派——只关心实验结果的实验派:布拉格、康普顿;以玻尔领衔的哥本哈根诠释派;以及哥本哈根派的死敌:爱因斯坦、德布罗意和薛定谔。

▲爱因斯坦和玻尔 讨论量子力学 (来源:UCPH)

随着会议的进行,最终成为了爱因斯坦和玻尔两人的“决斗”。事实上,爱因斯坦与玻尔的科学争论是科学史上最著名的争论之一。除了具体的物理学上的问题,这场争论涉及了科学认识最隐蔽的东西——哲学认识问题。一套数学表示的物理学理论需要一套对应的“物理实在”的解释,但量子力学表现出的,颠覆了人们对物质实在的理解。

爱因斯坦有着自己客观物质世界的“上帝”,他是因果律的坚定支持者。他曾说出“上帝不掷骰子”,让很多人误解为爱因斯坦反对量子力学。实际上他承认量子力学理论的自洽性和逻辑完整性,甚至承认结果的随机性。爱因斯坦反对的是量子力学不满足因果律,在爱因斯坦心中,物理理论应该是决定论的。

而以玻尔为首,所谓哥本哈根学派的完备解释,建立在物理结论依赖观察者,非决定性、非定域性等哲学基础上。玻尔甚至在会中说:“爱因斯坦,不要再告诉上帝应该怎么做!”这与爱因斯坦认为“物理实在”的因果性相对立。不过,也因为有爱因斯坦的“挑刺”,间接地 推动了量子力学的发展。

载入史册的物理学首次“华山论剑”,最终以玻尔的哥本哈根学派获得了首胜。不过,爱因斯坦和玻尔争论持续多年,这段历史和他们各自的哲学思想的研究,可谓汗牛充栋。无论现在还是未来,科学争论依然会有,但是影响那么深远的争论恐怕很难出现了。90年过去,即便哥本哈根诠释作为正统解释,物理学家对量子力学诠释的争论依然存在。

群星云集的国际学术会议也难再现,第五届索尔维会议,给我们留下了一个科学的宝库。■

分享到:         

历期科技生活周刊

更多 +

您可能感兴趣的文章 :