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物理风雨100年:索尔维会议的前生今世

[日期:2016-12-20] 来源:雷锋网  作者: [字体: ]

  提起物理学最辉煌的年代,人们都会想起那张群星云集的华丽照片。1927年,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。包括爱因斯坦、波尔、薛定谔、居里夫人在内的诸多学界精英都参加了大会,留下了物理学界最经典的记忆。可想而知,索尔维会议对现代科学起到了怎样的作用。百余年来,它一直在延续。让我们透过这扇窗口,触摸物理学界的脉搏。

  

物理风雨100年:索尔维会议的前生今世

 

  索尔维国际物理学化学研究会 (法语:Institut International de Physique Solvay) 是由比利时企业家 欧内斯特·索尔维于1912年在布鲁塞尔创办的一个学会。此前一年他通过邀请方式举办了第一届国际物理学会议,即第一次索尔维会议 (法语:Conseils Solvay)。在此次成功之后,研究会继续负责邀请世界著名的物理学家和化学家对前沿问题进行讨论的会议。索尔维会议致力于研究物理学和化学中突出的前沿问题,每三年举办一次,规律为第一年是物理学,第二年轮空,第三年是化学。这会议常被趣称为“集中了全人类三分之一的智慧”。

  

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  图1. 欧内斯特·索尔维

  欧内斯特·索尔维 (Ernest Solvay) 不仅是一名家财万贯的实业家,也是一名科学家。他发明的工业氨碱法沿用至今。索尔维制碱法是将海水与石灰石混合,进而产生碳酸钠,也就是我们常说的苏打。苏打可以将水软化,使硬水中的钙离子和镁离子沉淀析出,因此,减少了污垢的形成。相比于碱液的强腐蚀性和危险性,苏打温和的多,它可以用来降低食物的酸性。

  索尔维热衷于慈善事业,他将自己的财富献给了科学,为物理界的杰出人士创办了影响深远的索尔维会议。首届索尔维会议于1911年秋天在比利时的布鲁塞尔举办。

  原子核的往事

  首届索尔维会议究竟发生了哪些趣闻轶事呢?在首届会议之前,欧内斯特·卢瑟福 (Ernest Rutherford) 刚刚完成了α粒子散射实验,这个实验表明原子内部有一个密度极大的原子核,电子将它包围起来。 卢瑟福在实验中发现,带电的α粒子在轰击金箔后会反射回来,这表明α粒子遇到了一块密集的带电区域。然而卢瑟福在1911年索尔维会议上却对此只字未提。

  

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  图2. 首届索尔维会议,1911年

  居里夫人 (Marie Curie) 也出席了会议,当时她与卢瑟福有同样的发现,只是途径不同而已。居里夫人意识到放射性元素与它的化学性质无关,她说:“放射性与之前观察到的现象无任何关联。放射性似乎来自原子内部的深层区域,这块区域远远超出了我们的感受范围和观测范围,除非是在原子能量释放的那一刻。”

  

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  图3. 欧内斯特·卢瑟福与居里夫人

  卢瑟福作为听众,意识到他的α粒子散射实验已经准确地验证了这一点。但是他依然沉默不语。如今,卢瑟福成了原子核的发现者,他通过无可辩驳的实验证明了原子核的存在。同样,居里夫人在她所专攻的领域内,通过革命性的实验阐明了放射性现象的本质。最终两人都为科学做出了巨大的贡献,并各自赢得了属于自己的诺贝尔奖。

  量子力学前辈

  第五届索尔维会议讨论的核心是有关量子力学的,而追溯量子力学就不得不提及一个人,那便是德国物理学家马克斯·普朗克 (图6.前排左二),“量子力学之父”。参加这届索尔维会议时他已经69岁,德高望重,是当然的前辈。

  

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  图4. 马克斯·普朗克

  19世纪末,扬弃古典物理学的观念已提上日程。因而消除牛顿力学和麦克斯韦电磁场这两大理论之间的不一致,就成为二十世纪物理学发展的前提。普朗克此时提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为辐射能 (即光波能) 不是一种连续的流,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。

  玻尔-爱因斯坦论战

  围绕着量子论的发展,涌现了无数物理天才,在普朗克和爱因斯坦之后,玻尔、薛定谔、泡利、狄拉克等人陆续登场。他们几乎都在30岁之前对量子论做出了重大诠释。

  

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  图5. 奥托·斯特恩 (左) 和沃尔夫冈·泡利

  “电子自旋”的概念刚诞生时。有一次,玻尔出门旅行,经过汉堡火车站时,泡利 (Wolfgang Pauli) 和斯特恩 (Otto Stern) 就在站台上询问玻尔对此的看法,到达莱登以后,玻尔遇到了爱因斯坦和埃伦费斯特,继续讨论了这个问题。

  返程途中,玻尔经过哥廷根,海森堡和约尔丹又出现在站台上与他讨论了同样的问题。最后,当玻尔的火车抵达柏林时,泡利又出现了,他特地从汉堡一路赶到柏林,想听听玻尔一路上都有了些什么新想法。

  由于前几次索尔维会议适逢20世纪前三十年的物理学大发展时期,参加者又都是一流物理学家与化学家,使得索尔维会议在物理学发展史上占据了重要的地位。

  

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  图6. 第五届索尔维物理学会议,国际索尔维物理研究所,1927年

  最负有盛名的一次会议当属1927年10月召开的第5次关于电子与光子的索尔维国际会议,世界上声名赫赫的大物理学家均有出席,对新提出的量子理论进行了探讨。参加这次会议的29人中有17人获得或后来获得诺贝尔奖。

  这次会议的带头人是爱因斯坦和玻尔。爱因斯坦那时不再对海森堡的“不确定性定理”抱有幻想,声称“上帝不会掷骰子”。对此,玻尔曾回应道,“爱因斯坦,不要再告诉上帝应该怎么做!”玻尔在 1922年获得了诺贝尔奖。然而,这并不是爱因斯坦与玻尔之间唯一一次发生口角,关于物理定律的两种不同解释是他两人间分歧的最大来源。学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发布的调查显示,玻尔的理论观点占据了上风。据称,尼尔斯-玻尔和爱因斯坦在工作方面有很大分歧,在一次争论中玻尔还呵斥爱因斯坦道:“爱因斯坦,不要再告诉上帝应该怎么做!” 这一争论被称为玻尔-爱因斯坦论战。

  

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  图7. 玻尔和爱因斯坦

  第五届索尔维国际会议为我们留下的那张物理学历史上的经典照片,经过瑞典艺术家桑娜·杜拉韦 (Sanna Dullaway) 上色,重新焕发出活力。看着那些精致的老式西服,一张张熟悉的伟大脸庞,还有那地面上的秋天落叶,书上记载的故事仿佛重新显现在我们眼前。

  

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  图8. 第五届索尔维物理学会议 (着色版)

  勉强过关的博士生

  维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg,图6. 后排右三) 是量子力学第一种有效形式 (矩阵力学) 的创建者,他更是为后人留下了一个神秘诡谲的“海森堡之谜”。“二战”期间,纳粹德国召集众多科学家研制原子弹,海森堡是其中核心人物,但最后德国并没有造出原子弹,有一说法正是海森堡没有尽全力,但海森堡本人一直拒绝披露其中的真相。

  

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  图9. 泡利 (左),海森堡 (中) 和费米 (右) 于科莫湖,1927年9月

  光辉成绩的背后也有着不为人知的往事,1923年,年仅21岁的海森堡差点没有拿到博士学位。在答辩现场,面对数学问题时,海森堡回答起来得心应手;等到天文学问题的时候,他就开始不知所措;最后到实验物理的时候,则完全一脸茫然。在上实验课的时候,海森堡需要使用法布里-珀罗干涉仪来观察光波的干涉。虽然教实验的威廉·维恩已经讲解过很多次,可是海森堡依然一点都不知道如何算出干涉仪的分辨率。当问及海森堡蓄电池如何工作的时候,他依然是一脸的困惑、不知所云……最终,在导师阿诺·索末菲的极力保护下,海森堡勉强拿到了博士学位。

  薛定谔的猫

  埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrödinger,图6. 后排左六) 也是索尔维会议中声名卓著的人之一。 他在1935年提出了著名的量子理论即“薛定谔的猫 (Schrödinger’s cat)” 。这一理论指出一些事物没被观测到之前,可以同时以两种本征态存在。

  

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  图10. 埃尔温·薛定谔

  薛定谔假想将一只猫放置于一个装有放射性物质的箱子内。若在一小时内该物质发生衰变、释放出有毒物质进而将猫杀死的几率是50%。然而,还有50%的可能是放射性物质没有衰变,因而并没有释放有毒物质。所以,量子力学理论认为,这只猫既没死也没活,一直到打开箱子进行观测才能确定其状态。

  是谁帮助建立了中国物理学会?

  1931年,国际联盟派出4位专家来华考察教育,其中就有著名物理学家保罗·朗之万 (图6. 前排右四)。来华后他建议中国物理学工作者联合起来成立中国物理学会,并加入国际纯粹与应用物理学联合会。经过朗之万的促进,中国物理学会的筹备组织迅速成立,当时的清华大学校长梅贻琦被推选为筹备会主任。1932年8 月22日至24日在北平清华大学召开了中国物理学会的成立大会,这也是中国物理学会第一次年会。

  朗之万生于巴黎,1905年他看到爱因斯坦的论文后,对相对论表示了浓烈的兴趣,并和爱因斯坦结下了深挚的友谊。他形象地阐述相对论并作了大量宣传工作,因而有“朗之万炮弹”的美称。朗之万是居里夫人丈夫皮埃尔生前的学生,传说他与妻子感情冷淡,却深深迷上了比自己大五岁的居里夫人。两人的情书被郎之万的妻子拿去交给了所谓的媒体,这段绯闻瞬间被炒得沸沸扬扬,1911年巴黎新闻报刊登了题为《爱情故事:居里夫人与郎之万教授》的文章。

  

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  图11. 居里夫人和朗之万

  当时正值首届索尔维会议结束,爱因斯坦刚在会上结识了居里夫人,听闻此事,他出离愤怒,义正言辞地写了封信寄给居里夫人,给予了她坚定的支持与安慰。尽管当时他们没有走到一起,多年之后,居里夫人的外孙女嫁给了郎之万的孙子。

  

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  图12. 爱因斯坦给居里夫人的信

  历届索尔维物理会议

  

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  图13. 历届索尔维会议情况

  

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  图14. 2011年索尔维会议合影

  

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  图15. 2014年索尔维会议合影

  每一届索尔维会议都由国际科学委员会来管理。委员会的高水准保证了索尔维会议在世界上的地位,而学会也以委员们的杰出贡献为骄傲。每一名委员会成员任期为6年,可延期一次。

  历任国际物理科学委员会主席

  

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  1911-1928: 亨德里克·洛伦兹 (Hendrik Lorentz), 获1902年诺贝尔物理学奖, Haarlem (The Netherlands)

  

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  1928-1946: 保罗·朗之万 (Paul Langevin), Paris (France)

  

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  1946-1962: 劳伦斯·布拉格 (Sir Lawrence Bragg), 获1915年诺贝尔物理学奖, Cambridge (UK)

  

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  1962-1967: 罗伯特·奥本海默 (Robert Oppenheimer), Princeton (USA)

  

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  1967-1968: Christian Møller, Copenhagen (Denmark)

  

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  1969-1980: Edoardo Amaldi, Rome (Italy)

  

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  1980-1990: Léon Van Hove, Genève (Suisse)

  

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  1992-2006: Herbert Walther, Munich (Germany)

  

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  2006-present: David Gross, 获2004年诺贝尔物理学奖, Santa Barbara (USA)

 

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