“華山再論劍”——第六次索爾維會(huì)議 | 量子群英傳
撰文 | 張?zhí)烊?/span>
責(zé)編 | 呂浩然
從第五次索爾維會(huì)議到1930年的第六次，經(jīng)過(guò)了3年的時(shí)間間隔，其中發(fā)生的事件也不少。首先，洛倫茲主持完有名的第五次索爾維會(huì)議之后，不幸于次年的1月中旬染上了丹毒（erysipelas）并很快就病逝了，盡管洛倫茲的貢獻(xiàn)大多在電磁、光學(xué)及相對(duì)論方面，但他主持的1-5次索爾維物理會(huì)議，為量子力學(xué)之發(fā)展樹(shù)碑立傳！因此，我們簡(jiǎn)略介紹這位偉大的物理學(xué)家。
荷蘭科學(xué)家洛倫茲（Lorentz，1853-1928）與彼得·塞曼共同獲得1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
洛倫茲生于荷蘭，祖先來(lái)自于德國(guó)一個(gè)務(wù)農(nóng)的家族。洛倫茲記憶力出眾，很早就精通了德語(yǔ)、法語(yǔ)、英語(yǔ)等，讀大學(xué)時(shí)，他又自學(xué)了希臘語(yǔ)與拉丁語(yǔ)。雖然洛倫茲懂得多國(guó)語(yǔ)言，看起來(lái)頗富語(yǔ)言才能，但實(shí)際上他性格羞澀靦腆，是一個(gè)不愛(ài)交際、不善言辭的人。不過(guò)，當(dāng)他走上科學(xué)的道路成為教授之后，他的演講非常受聽(tīng)眾歡迎，因?yàn)樗梢詫?fù)雜的科學(xué)問(wèn)題講解得非常清晰透徹。
洛倫茲是現(xiàn)代物理的先驅(qū)者。1911-1927年，他擔(dān)任了五屆索爾維物理學(xué)會(huì)議的固定主席。在國(guó)際物理學(xué)界的各種集會(huì)上，因?yàn)樗芡袀冏鹬?，以及他的多種語(yǔ)言背景，他經(jīng)常是一位很受歡迎的主持人。
洛倫茲早期對(duì)光的電磁理論進(jìn)行了深入的研究，后來(lái)研究光和物質(zhì)的相互作用，提出洛倫茲力等概念，在連續(xù)電磁場(chǎng)理論以及物質(zhì)中離散電子等概念的基礎(chǔ)上，建立了經(jīng)典電子理論。應(yīng)用到磁學(xué)、塞曼效應(yīng)與電子的發(fā)現(xiàn)。
1904年，洛倫茲發(fā)表了著名的洛倫茲變換公式，解決以太中物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，并指出光速是物體相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的極限。后來(lái)，洛倫茲變換成為狹義相對(duì)論中最基本的關(guān)系式，狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論和時(shí)空性質(zhì)，如同時(shí)性的相對(duì)性、長(zhǎng)度收縮、時(shí)間延緩、速度變換公式、相對(duì)論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。
可惜洛倫茲主持完了第五次索爾維之后不久就去世了，因此，1930年的索爾維會(huì)議主持人換成了法國(guó)物理學(xué)家保羅·朗之萬(wàn)（Paul Langevin，1872-1946）。
朗之萬(wàn)生于巴黎，1905年他看到愛(ài)因斯坦的論文后，對(duì)相對(duì)論表示出了濃烈的興趣，并和愛(ài)因斯坦結(jié)下了深摯的友誼。他形象地闡述相對(duì)論并為其大作宣傳，因而有“朗之萬(wàn)炮彈”的美稱。他的一生也極富傳奇色彩：對(duì)物理學(xué)作了很多貢獻(xiàn)、反抗納粹統(tǒng)治、對(duì)中國(guó)人民的抗日活動(dòng)表示聲援，此外，還對(duì)中國(guó)物理學(xué)會(huì)的成立也起過(guò)積極的作用。
從左至右：愛(ài)因斯坦、艾倫費(fèi)斯特、朗之萬(wàn)、昂內(nèi)斯、韋斯，攝于萊頓朗之萬(wàn)家中，圖片來(lái)源：見(jiàn)文末[3]
仔細(xì)考察一下索爾維會(huì)議的照片就會(huì)發(fā)現(xiàn)，從第一到第六次物理會(huì)議的名單上，每一次都有居里夫人和朗之萬(wàn)的名字。他們兩人參加了每一次索爾維會(huì)議，而他們當(dāng)年的情感糾葛，轟動(dòng)了整個(gè)法國(guó)社會(huì)。
朗之萬(wàn)是皮埃爾·居里（瑪麗·居里的丈夫）的學(xué)生，皮埃爾在世時(shí)便與居里夫婦交往甚密。皮埃爾不幸喪命于車禍后，朗之萬(wàn)理所當(dāng)然地協(xié)同居里夫人照顧她的兩個(gè)女兒，幫助她度過(guò)難關(guān)。朗之萬(wàn)比瑪麗小5歲，本人的婚姻又不盡人意，因此，兩位大物理學(xué)家之間多方面的共鳴使得彼此互生情愫也是情理中之事。不想正好被朗之萬(wàn)的妻子利用來(lái)敗壞居里夫人的名聲，也中斷了兩人的愛(ài)情。
不過(guò)后來(lái)，朗之萬(wàn)成為居里夫人的女兒伊蕾娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie, 1897-1956）的博士生導(dǎo)師，在他的指導(dǎo)下，伊蕾娜與丈夫一起榮獲諾貝爾獎(jiǎng)（1935年化學(xué)獎(jiǎng)）。朗之萬(wàn)還有另一個(gè)學(xué)生路易斯·德布羅意（Louis Duc de Broglie，1892-1987），也是諾貝爾獎(jiǎng)得主（1929年物理學(xué)獎(jiǎng)）。有關(guān)居里夫人和朗之萬(wàn)，還有一個(gè)有趣的尾聲：兩人都去世之后，居里夫人的外孫女，嫁給了朗之萬(wàn)的孫子。
第六次索爾維會(huì)議
這次索爾維物理會(huì)議的主題是物質(zhì)的磁性，主持人朗之萬(wàn)自己在這方面做出了重要的貢獻(xiàn)。并且，實(shí)驗(yàn)技術(shù)在那段時(shí)間也得到很大的進(jìn)展。
會(huì)議的第一個(gè)報(bào)告是由索末菲作的關(guān)于磁學(xué)和光譜學(xué)的報(bào)告，他在報(bào)告中特別討論了關(guān)于角動(dòng)量和磁矩的知識(shí)，通過(guò)研究原子的電子組成，得出元素周期表的解釋。
圖14-2：1930年秋，第六屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開(kāi)，群龍?jiān)倬凼?。圖片來(lái)源：SCIENCESOURCE
第六屆不如第五屆盛況空前，但有34名成員應(yīng)邀出席，其中也有10位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。
在會(huì)議上，對(duì)磁現(xiàn)象的理論處理作了全面論述。費(fèi)米指出，像泡利提出的，對(duì)原子核的研究，將發(fā)現(xiàn)光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于物質(zhì)磁性的快速增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)的一般調(diào)查是由布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera，1878-1945）和韋斯（Weiss）在報(bào)告中給出的，韋斯等引入了與鐵磁狀態(tài)有關(guān)的內(nèi)部磁場(chǎng)，討論了鐵磁材料的狀態(tài)方程，包括在一定溫度（例如居里點(diǎn)）下這類物質(zhì)特性的突然變化。
費(fèi)米談到與波函數(shù)對(duì)稱性有關(guān)的量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)；泡利解釋自旋的概念；狄拉克提出了巧妙的電子量子理論，將克萊因-戈登的相對(duì)論波動(dòng)方程用一組一階方程式所取代，并且將電子的自旋和磁矩和諧地結(jié)合起來(lái)。
實(shí)驗(yàn)技術(shù)的最新發(fā)展為進(jìn)一步研究測(cè)量自由電子的磁矩開(kāi)辟了前景，Cotton和卡皮察報(bào)告了巧妙設(shè)計(jì)的巨大永磁體，使得在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生超強(qiáng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)成為可能，作為對(duì)他們報(bào)告的補(bǔ)充，居里夫人特別注意在研究放射性過(guò)程中使用這種磁體。
愛(ài)因斯坦的光子盒
盡管會(huì)議的主題是磁性現(xiàn)象，但有趣的是，這次會(huì)議被世人牢記的不是其“磁性”這個(gè)主題，而是與主題迥異的辯論：愛(ài)因斯坦和玻爾論戰(zhàn)的第二集。首先，早有準(zhǔn)備的愛(ài)因斯坦在會(huì)上向玻爾提出了他的思想實(shí)驗(yàn)—“光子盒”。
圖14-3：波爾完善后的愛(ài)因斯坦光子盒
實(shí)驗(yàn)的裝置是一個(gè)一側(cè)有一個(gè)小洞的盒子，洞口有一塊擋板，里面放了一只能控制擋板開(kāi)關(guān)的機(jī)械鐘。小盒里裝有一定數(shù)量的輻射物質(zhì)。這只鐘能在某一時(shí)刻將小洞打開(kāi)，放出一個(gè)光子來(lái)。這樣，它跑出的時(shí)間就可精確地測(cè)量出來(lái)了。同時(shí)，小盒懸掛在彈簧秤上，小盒所減少的質(zhì)量，也即光子的質(zhì)量便可測(cè)得，然后利用質(zhì)能關(guān)系E＝mc2便可得到能量的損失。這樣，時(shí)間和能量都同時(shí)測(cè)準(zhǔn)了，由此可以說(shuō)明測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是不成立的，玻爾一派的觀點(diǎn)是不對(duì)的。
描述完了他的光子盒實(shí)驗(yàn)后，愛(ài)因斯坦看著啞口無(wú)言、搔頭抓耳的玻爾，心中暗暗得意。
圖14-4：1930年，玻爾緊靠在愛(ài)因斯坦的旁邊快步走著，據(jù)傳照片是埃倫費(fèi)斯特拍攝的，說(shuō)法不確實(shí)。圖片來(lái)源：Paul Ehrenfest / AIP Emilio, Segre, Paul Ehrenfest / AIP Emilio, Segre
玻爾當(dāng)時(shí)的確被愛(ài)因斯坦的挑戰(zhàn)給驚呆了，他面色蒼白，呆若木雞，之后，羅森菲爾德有過(guò)繪形繪色的回憶：
玻爾反擊
不想愛(ài)因斯坦好夢(mèng)不長(zhǎng)，只經(jīng)過(guò)了一個(gè)夜晚，玻爾便也使出了殺手锏！第二天，玻爾居然“以其人之道，還治其人之身”，找到了一段最精彩的說(shuō)辭，用愛(ài)因斯坦自己的廣義相對(duì)論，戲劇性地指出了愛(ài)因斯坦這一思想實(shí)驗(yàn)的缺陷。
玻爾經(jīng)歷了一個(gè)不眠之夜，尋找愛(ài)因斯坦論點(diǎn)的缺陷，他深信肯定存在?！斑@種說(shuō)法無(wú)異于一場(chǎng)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，并引起對(duì)整個(gè)問(wèn)題的徹底反思?！辈枌?xiě)道。第二天早餐時(shí)他回應(yīng)了愛(ài)因斯坦的光子盒，“第二天一早迎來(lái)玻爾的凱旋，物理學(xué)得救了。”
玻爾指出，光子跑出盒子后，掛在彈簧秤上的小盒質(zhì)量變輕即會(huì)上移，根據(jù)廣義相對(duì)論，如果時(shí)鐘沿重力方向發(fā)生位移，它的快慢會(huì)發(fā)生變化，這樣的話，那個(gè)小盒上機(jī)械鐘讀出的時(shí)間就會(huì)因?yàn)檫@個(gè)光子的跑出而有所改變。換言之，用這種裝置，如果要測(cè)定光子的能量，就不能夠精確控制光子逸出的時(shí)刻。因此，玻爾居然用廣義相對(duì)論理論中的紅移公式，推出了能量和時(shí)間遵循的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系！無(wú)論如何，盡管愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)被回?fù)舻媚康煽诖?，卻仍然沒(méi)有被說(shuō)服。不過(guò)，他自此不得不有所退讓，承認(rèn)了玻爾對(duì)量子力學(xué)的解釋不存在邏輯上的缺陷。“量子論也許是自洽的”，他說(shuō)，“但卻至少是不完備的”。因?yàn)樗J(rèn)為，一個(gè)完備的物理理論應(yīng)該具有確定性、實(shí)在性和局域性！
“與愛(ài)因斯坦在1930年索爾維會(huì)議重逢，”玻爾若干年后寫(xiě)道，“我們的爭(zhēng)論有相當(dāng)戲劇性的轉(zhuǎn)折?！痹掚m這么說(shuō)，玻爾對(duì)這第二個(gè)回合的論戰(zhàn)始終耿耿于懷，直到1962年去世，他的工作室的黑板上還畫(huà)著當(dāng)年愛(ài)因斯坦那個(gè)光子盒的草圖。
圖片來(lái)源：
[1] https://indep.uz/index.php/site/annotation?id=162
[2] https://www.sciencephoto.com/media/222843/view/early-20th-century-physicists
[3] https://www.pinterest.com/ciralouise/early-modern-physics/
