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索爾維會議是由一位比利時的實業家Ernest Solvay創立的,並以他的名字命名。第一屆索爾維會議於1911年在布魯塞爾召開,後來雖然一度被第一次世界大戰所打斷,但從1921年開始又重新恢復,定期3年舉行一屆。到了1927年,這已經是第五屆索爾維會議了,也許,這也將是最著名的一次索爾維會議。

 

這次會議彌補了科莫的遺憾,愛因斯坦,薛定諤等人都如約而至。目前流傳得最廣的那張「物理學全明星夢之隊」的照片,就是這次會議的合影。當然世事無完美,硬要挑點缺陷,那就是索末菲和約爾當不在其中,不過我們要求不能太高了,人生不如意者還是十有八九的。

 

這次會議從10月24日到29日,為期6天。主題是「電子和光子」(我們還記得,「光子-photon」是個新名詞,它剛剛在1926年由美國人路易斯所提出),會議議程如下:首先勞倫斯‧布拉格作關於X射線的實驗報告,然後康普頓報告康普頓實驗以及其和經典電磁理論的不一致。接下來,德布羅意作量子新力學的演講,主要是關於粒子的德布羅意波。隨後波恩和海森堡介紹量子力學的矩陣理論,而薛定諤介紹波動力學。最後,玻爾在科莫演講的基礎上再次做那個關於量子公設和原子新理論的報告,進一步總結互補原理,給量子論打下整個哲學基礎。這個議程本身簡直就是量子論的一部微縮史,從中可以明顯地分成三派:只關心實驗結果的實驗派:布拉格和康普頓;哥本哈根派:玻爾、波恩和海森堡;還有哥本哈根派的死敵:德布羅意,薛定諤,以及坐在台下的愛因斯坦。

 

會議的氣氛從一開始便是火熱的,像拳王爭霸賽一樣,重頭戲到來之前先有一系列的墊賽:大家先就康普頓的實驗做了探討,然後各人分成了涇渭分明的陣營,互相炮轟。德布羅意一馬當先做了發言,他試圖把粒子融合到波的圖像裡去,提出了一種「導波」(pivot wave)的理論,認為粒子是波動方程的一個奇點,它必須受波的控制和引導。泡利站起來狠狠地批評這個理論,他首先不能容忍歷史車輪倒轉,回到一種傳統圖像中,然後他引了一系列實驗結果來反駁德布羅意。眾所周知,泡利是世界第一狙擊手,誰要是被他盯上了多半是沒有好下場的,德布羅意最後不得不公開聲明放棄他的觀點。幸好薛定諤大舉來援,不過他還是堅持一個非常傳統的解釋,這連盟軍德布羅意也覺得不大滿意,泡利早就嘲笑薛定諤為「幼稚」。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩體後面對其開火,他們在報告最後說:「我們主張,量子力學是一種完備的理論,它的基本物理假說和數學假設是不能進一步修改的。」他們也集中火力猛烈攻擊了薛定諤的「電子雲」,後者認為電子的確在空間中實際地如波般擴散開去。海森堡評論說:「我從薛定諤的計算中看不到任何東西可以證明事實如同他所希望的那樣。」薛定諤承認他的計算確實還不太令人滿意,不過他依然堅持,談論電子的軌道是「胡扯」(應該是波本征態的疊加),波恩回敬道:「不,一點都不是胡扯。」在一片硝煙中,會議的組織者,老資格的洛倫茲也發表了一些保守的觀點,and so on and so on...

 

愛因斯坦一開始按兵不動,保持著可怕的沉默,不過當波恩提到他的名字後,他終於忍不住出擊了。他提出了一個模型:一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。愛因斯坦指出,目前存在著兩種觀點,第一是說這裡沒有「一個電子」,只有「一團電子雲」,它是一個空間中的實在,為德布羅意-薛定諤波所描述。第二是說的確有一個電子,而ψ是它的「幾率分佈」,電子本身不擴散到空中,而是它的幾率波。愛因斯坦承認,觀點II是比觀點I更加完備的,因為它整個包含了觀點I。儘管如此,愛因斯坦仍然說,他不得不反對觀點II。因為這種隨機性表明,同一個過程會產生許多不同的結果,而且這樣一來,感應屏上的許多區域就要同時對電子的觀測作出反應,這似乎暗示了一種超距作用,從而違背相對論。

 

風雲變幻,龍虎交濟,現在兩大陣營的幕後主將終於都走到台前,開始進行一場決定命運的單挑。可惜的是,玻爾等人的原始討論記錄沒有官方資料保存下來,對當時情景的重建主要依靠幾位當事人的回憶。這其中有玻爾本人1949年為慶祝愛因斯坦70歲生日而應邀撰寫的”就原子物理學中的認識論問題與愛因斯坦進行的商榷”長文,有海森堡、德布羅意和埃侖菲斯特的回憶和信件等等。當時那一場激戰,討論的問題中有我們已經描述過的那個電子在雙縫前的困境:如何選擇它的路徑以及快速地關閉/打開一條狹縫對電子產生的影響。還有許許多多別的思維實驗。埃侖費斯特在寫給他那些留守在萊登的弟子們(烏侖貝特和古德施密特等)的信中描述說:愛因斯坦像一個彈簧玩偶,每天早上都帶著新的主意從盒子裡彈出來,而玻爾則從雲霧繚繞的哲學中找到工具,把對方所有的論據都一一碾碎。

 

海森堡1967年的回憶則說:

 

「討論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決鬥:當時的原子理論在多大程度上可以看成是討論了幾十年的那些困難的最終答案呢?我們一般在旅館用早餐時就見面了,於是愛因斯坦就描繪一個思維實驗,他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內部矛盾。然後愛因斯坦,玻爾和我便一起走去會場,我就可以現場聆聽這兩個哲學態度迥異的人的討論,我自己也常常在數學表達結構方面插幾句話。在會議中間,尤其是會間休息的時候,我們這些年輕人--大多數是我和泡利--就試著分析愛因斯坦的實驗,而在吃午飯的時候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根的人之間進行。一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數了,他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心裡他是不服氣的。」

 

愛因斯坦當然是不服氣的,他如此虔誠地信仰因果律,以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋。玻爾回憶說,愛因斯坦有一次嘲弄般地問他,難道他真的相信上帝的力量要依靠擲骰子(ob der liebe Gott w′rfelt)?

 

上帝不擲骰子!這已經不是愛因斯坦第一次說這話了。早在1926年寫給波恩的信裡,他就說:「量子力學令人印象深刻,但是一種內在的聲音告訴我它並不是真實的。這個理論產生了許多好的結果,可它並沒有使我們更接近『老頭子』的奧秘。我毫無保留地相信,『老頭子』是不擲骰子的。」

 

「老頭子」是愛因斯坦對上帝的昵稱。

 

然而,1927年這場華山論劍,愛因斯坦終究輸了一招。並非劍術不精,實乃內力不足。面對浩浩蕩蕩的歷史潮流,他頑強地逆流而上,結果被沖刷得站立不穩,苦苦支撐。1927年,量子革命的大爆發已經進入第三年,到了一個收官的階段。當年種下的種子如今開花結果,革命的思潮已經席捲整個物理界,毫無保留地指明了未來的方向。越來越多的人終究領悟到了哥本哈根解釋的核心奧義,並誠心皈依,都投在量子門下。愛因斯坦非但沒能說服玻爾,反而常常被反駁得說不出話來,而且他這個「反動」態度引得了許多人扼腕嘆息。遙想當年,1905,愛因斯坦橫空出世,一年之內六次出手,每一役都打得天搖地動,驚世駭俗,獨自創下了一番轟轟烈烈的事業。當時少年意氣,睥睨群雄,揚鞭策馬,笑傲江湖,這一幅傳奇畫面在多少人心目中留下了永恆的神往!可是,當年那個最反叛,最革命,最不拘禮法,最蔑視權威的愛因斯坦,如今竟然站在新生量子論的對立面!

 

波恩哀歎說:「我們失去了我們的領袖。」

 

埃倫費斯特氣得對愛因斯坦說:「愛因斯坦,我為你感到臉紅!你把自己放到了和那些徒勞地想推翻相對論的人一樣的位置上了。」

 

愛因斯坦這一仗輸得狼狽,玻爾看上去沉默駑鈍,可是重劍無鋒,大巧不工,在他一生中幾乎沒有輸過哪一場認真的辯論。哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝,海森堡在寫給家裡的信中說:「我對結果感到非常滿意,玻爾和我的觀點被廣泛接受了,至少沒人提得出嚴格的反駁,即使愛因斯坦和薛定諤也不行。」多年後他又總結道:「剛開始(持有這種觀點的)主要是玻爾,泡利和我,大概也只有我們三個,不過它很快就擴散開去了。」

 

但是愛因斯坦不是那種容易被打敗的人,他逆風而立,一頭亂髮掩不住眼中的堅決。他身後還站著兩位,一個是德布羅意,一個是薛定諤。三人吳帶淩風,衣袂飄飄,在量子時代到來的曙光中,大有長鋏寒瑟,易水蕭蕭,誓與經典理論共存亡的悲壯氣慨。

 

時光荏苒,一彈指又是三年,各方俊傑又重聚布魯塞爾,會面於第六屆索爾維會議。三年前那一戰已成往事,這第二次華山論劍,又不知誰勝誰負?

 

*********

飯後閒話:海森堡和德國原子彈計畫(二)

 

1944年,盟軍在諾曼地登陸,形成兩面夾攻之勢。到1945年4月,納粹德國大勢已去,歐洲戰場戰鬥的結束已經近在眼前。擺在美國人面前的任務現在是盡可能地搜羅德國殘存的科學家和設備儀器,不讓他們落到別的國家手裡(蘇聯不用說,法國也不行)。和蘇聯人比賽看誰先攻佔柏林是無望的了,他們轉向南方,並很快俘獲了德國鈾計畫的科學家們,繳獲了大部分資料和設備。不過那時候海森堡已經提前離開逃回厄菲爾德(Urfeld)的家中,這個地方當時還在德國人手裡,但為了得到海森堡這個「第一目標」,盟軍派出一支小分隊,於5月3日,也就是希特勒夫婦自殺後的第四天,到海森堡家中抓住了他。這位科學家倒是表現得頗有風度,他禮貌地介紹自己的妻子和孩子們,並問那些美國大兵,他們覺得德國的風景如何。到了5月7日,德國便投降了。

 

10位德國最有名的科學家被秘密送往英國,關在劍橋附近的一幢稱為「農園堂」(Farm Hall)的房子裡。他們並不知道這房子裡面裝滿了竊聽器,他們在此的談話全部被錄了音並記錄下來,我們在後面會談到這些關鍵性的記錄。8月6日晚上,廣島原子彈爆炸的消息傳來,這讓每一個人都驚得目瞪口呆。關於當時的詳細情景,我們也會在以後講到。

 

戰爭結束後,這些科學家都被釋放了。但現在不管是專家還是公眾,都對德國為什麼沒能造出原子彈大感興趣。以德國科學家那一貫的驕傲,承認自己技不如人是絕對無法接受的。還在監禁期間,廣島之後的第三天,海森堡等人便起草了一份備忘錄,聲稱:1.原子裂變現象是德國人哈恩和斯特拉斯曼在1938年發現的。2.只有到戰爭爆發後,德國才成立了相關的研究小組。但是從當時的德國來看並無可能造出一顆原子彈,因為即使技術上存在著可能性,仍然有資源不足的問題,特別是需要更多的重水。

 

返回德國後,海森堡又起草了一份更詳細的聲明。大致是說,德國小組早就意識到鈾235可以作為反應堆或者炸彈來使用,但是從天然鈾中分離出稀少的同位素鈾235卻是一件極為困難的事情。(*這裡補充一下原子彈的常識:當一個中子轟擊容易分裂的鈾235原子核時,會使它裂成兩半,同時放出更多的中子去進一步轟擊別的原子核。這樣就引起一連串的連鎖反應,在每次分裂時都放出大量能量,便是通常說的「鏈式反應」。但只有鈾235是不穩定而容易裂變的,它的同位素鈾238則不是,所以必須提高鈾235的濃度才能引發可持續的反應,不然中子就都被鈾238吸收了。但天然鈾中鈾238占了99%以上,所以要把那一點鈾235分離出來,這在當時的技術來說是極困難的。)

 

海森堡說,分離出足夠的鈾235需要大量的資源和人力物力,這項工作在戰爭期間是難以完成的。德國科學家也意識到了另一種可能的方法,那就是說,雖然鈾238本身不能分裂,但它吸收中子後會衰變成另一種元素。而這種元素和鈾235一樣,是可以形成鏈式反應的。不過無論如何,前提是要有一個原子反應堆,製造原子的反應堆需要中子減速劑。一種很好的減速劑是重水,但對德國來說,唯一的重水來源是在挪威的一個工廠,這個工廠被盟軍的特遣隊多次破壞,不堪使用。

 

總而言之,海森堡的潛臺詞是,德國科學家和盟國科學家在理論和技術上的優勢是相同的。但是因為德國缺乏相應的資源,因此德國人放棄了這一計畫。他聲稱一直到1942年以前,雙方的進展還「基本相同」,只不過由於外部因素的影響,德國認為在戰爭期間沒有條件(而不是沒有理論能力)造出原子彈,因此轉為反應堆能源的研究。

 

海森堡聲稱,德國的科學家一開始就意識到了原子彈所引發的道德問題,這樣一種如此大殺傷力的武器使他們也意識到對人類所負有的責任。但是對國家(不是納粹)的義務又使得他們不得不投入到工作中去。不過他們心懷矛盾,消極怠工,並有意無意地誇大了製造的難度,因此在1942年使得高層相信原子彈並沒有實際意義。再加上外部環境的惡化使得實際製造成為不可能,這讓德國科學家鬆了一口氣,因為他們不必像悲劇中的安提戈涅,親自來作出這個道德上兩難的決定了。

 

這樣一來,德國人的科學優勢得以保持,同時又捍衛了一種道德地位。兩全其美。

 

這種說法惹火了古德施密特,他戰時是曼哈頓計畫的重要領導人,本來也是海森堡的好朋友。他認為說德國人和盟國一樣地清楚原子彈的技術原理和關鍵參數是胡說八道。1942年海森堡報告說難以短期製造出原子彈,那是因為德國人算錯了參數,他們真的相信不可能造出它,而不是什麼虛與委蛇,更沒有什麼消極。古德施密特地位特殊,手裡掌握著許多資料,包括德國自己的秘密報告,他很快寫出一本書叫做ALSOS,主要是介紹曼哈頓計畫的過程,但同時也彙報德國方面的情況。海森堡怎肯苟同,兩人在Nature雜誌和報紙上公開辯論,斷斷續續地打了好多年筆仗,最後私下講和,不了了之。

 

雙方各有支持者。”紐約時報”的通訊記者Kaempffert為海森堡辯護,說了一句引起軒然大波的話:「說謊者得不了諾貝爾獎!」言下之意自然是說古德施密特說謊。這滋味對於後者肯定不好受,大家知道古德施密特是電子自旋的發現者之一,以如此偉大發現而終究未獲諾貝爾獎,很多人是鳴不平的。ALSOS的出版人舒曼(Schuman)當真寫信給愛因斯坦,問「諾貝爾得獎者真的不說謊?」愛因斯坦只好回信說:「說謊是得不了諾貝爾的,但也不能排除有些幸運者會在壓力下在特定的場合可能說謊。」

 

愛因斯坦大概想起了勒納德和斯塔克,兩位貨真價實的諾貝爾得主,為了狂熱的納粹信仰而瘋狂攻擊他和相對論,這情景猶然在眼前呢。

 

 

上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)

 

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