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量子纠缠背后的故事(卅五):分崩离析的裂变 精选

已有 3488 次阅读 2021-2-26 08:33 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

EPR论文发表的1935年,67岁的索末菲退休。他在给爱因斯坦的信中诉说纳粹的上台摧毁了自己一辈子的爱国情操。现在他宁愿看到德国不复存在,并入一个崇尚和平的欧洲。

索末菲的退休是海森堡在莱比锡一直在等待的机会。他梦寐以求回返慕尼黑接替导师的席位。然而他生不逢时。在那之前几年里,海森堡没有参与斯塔克和萊纳德的“德意志物理学”运动,反而支持、协助了劳厄的抵制行动。海森堡坚持物理是客观的科学,无论其理论是否来自爱因斯坦或别的犹太人。

斯塔克没有忘记。为阻扰海森堡的升迁,他发起大批判揭露海森堡的不坚定立场,还给他戴上“白犹太人”的致命高帽。海森堡措手不及,不得不求助与他家有往来的纳粹高级领袖希姆莱(Heinrich Himmler)。希姆莱及时地为海森堡提供了保护,但也严厉警告他必须说话小心,不可造次。在那之后,海森堡吸取教训,不再轻易提及爱因斯坦等犹太物理学家的名字。当然,他的慕尼黑梦想也付诸东流。

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EPR论文问世之际,狄拉克正好结束他在高等研究院的短期访问。

相比众望所归的海森堡和薛定谔,名气不高的狄拉克在1933年获得诺贝尔奖时只有区区两个提名。其中之一来自在1925年因X射线衍射实验与父亲共同获奖的布拉格。那时才25岁的布拉格迄今还是最年轻的科学奖获得者。狄拉克得奖时31岁,成为历届获奖者中最年轻的理论物理学家(这个记录在1957年被还不到31岁的李政道(Tsung-Dao Lee)打破。(如果按照所得的1932年奖来算,海森堡比李政道还会更年轻几天。但他是在1933年才得到那个奖。))。

在高等研究院,狄拉克重写他的《量子力学原理》,推出大为改进的第二版。他那套符号表述还没能得到广泛接受,但至少在他手里已经圆润成熟。然而,美轮美奂的数学背后,计算结果中出现的无穷大问题依然让他束手无策。

至少在同行眼里,年过而立功成名就的狄拉克不再是过去那个心无旁骛孜孜不倦的勤奋青年。他上班时经常在活动室里钻研各种棋局,包括充满异国情调的围棋。似乎数学公式及其中的困难都已经不再能拴住他的身心。

更让他们大跌眼镜的是一向不近女色,过着僧侣般日子的狄拉克居然坠入了情网。一次午餐时,狄拉克偶遇研究院朋友维格纳(Eugene Wigner)从欧洲来探望的妹妹曼琪(Manci),一见钟情。曼琪已经是两个孩子的母亲,刚刚摆脱了一场梦魇般的婚姻。她为人爽快健谈,性格活脱脱是狄拉克的反面。

结束在研究院的访问后,狄拉克与六年前一样乘火车横越美国大陆,在旧金山搭乘邮轮经日本、苏联到东欧去看望曼琪。这是他的第二轮环球旅行。

曾经在芝加哥师从康普顿的吴有训已经学成归国,在清华大学担任物理系主任。他得到消息后立即与同校的周培源教授一起邀请狄拉克顺路访问中国。1935年7月12日,狄拉克从日本乘船到天津,然后在北平逗留了一星期。

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1935年7月16日,狄拉克在中国访问国立北平研究院物理所。前排左起:吴有训、狄拉克、李书华、熊庆来、严济慈。

他游览了长城、故宫等名胜,也在清华大学做了两场关于电子、正电子的讲座。随后,他乘火车由东北转西伯利亚铁路至莫斯科,继续他的行程。

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虽然与院长关系紧张,爱因斯坦对普林斯顿的环境还是很满意。他在1935年5月专程出国,按规定在美国境外的领事馆递交了归化申请。这是他继瑞士、奥地利、德国后第四次也是最后一次更改国籍。在那之后,他再也没有离开过美国。

他和妻子艾尔莎在小镇僻静的街道上置买了一栋普通小楼,与一直跟随着他的秘书杜卡斯合住。他们的小日子不幸非常短暂。艾尔莎的身体每况愈下,在1936年底去世。随后,艾尔莎的二女儿和爱因斯坦的妹妹相继从欧洲来到美国,与杜卡斯一起照料这个举世闻名的鳏夫。(曾担任过爱因斯坦秘书的那个艾尔莎大女儿也已经病逝。)

爱因斯坦与前妻玛丽奇的大儿子也来到美国。他在父亲母校苏黎士理工学院获得工程学位,已然成家立业(爱因斯坦曾经像自己父母拒绝玛丽奇一样强烈地反对儿子的择偶选择)。在其后的年月里,他逐渐修复了因为父母离异、父子隔绝而对父亲的怨恨。爱因斯坦和玛丽奇的二儿子患有精神疾病,只能留在欧洲继续由母亲照料。

年近花甲的爱因斯坦是在艾尔莎病重后才真切体会到自己对这个保姆式后妻的依赖,一时间急剧衰老。妻子去世后,他更加任性地不修边幅,由着那一头白发在风中狂乱飘逸。他沉默寡言,试图独自沉浸在钟爱的物理之中。但除了他自己,所有人都能看出他在学术上已是勉为其难,不再有睿智的思想火花。

当玻尔在1937年初来到普林斯顿时,他看到的正是这样一个激情不再的爱因斯坦。那还是他们1930年索尔维会议分手后的第一次见面。在与薛定谔、玻恩等人热火朝天通信来往时,爱因斯坦与这位老对手完全没有联系。索尔维会议后,埃伦菲斯特作为两人的共同好友曾一度居中传话,试图澄清误解。那个别扭的渠道早就随着他的自杀消失。

尽管爱因斯坦和玻尔在两次索尔维会议上的唇枪舌剑中始终保持着友好的姿态,那天长日久的争执也不可避免地伤害了个人感情。这次重逢,他们寒暄依旧,却不再能敞开心扉畅所欲言。

玻尔也只是在他的环球旅途中路过普林斯顿。日本的物理学家在爱因斯坦、海森堡和狄拉克相继访问后已经花了十年时间在邀请、期盼玻尔来访。奈何玻尔日程繁忙,曾几度推迟行期。1934年,他与大儿子和朋友出海游玩时遭到风浪,儿子落水遇难,给这个和睦的家庭带来沉重打击。这样直到1937年,玻尔才得以携妻子玛格丽特和二儿子踏上旅途。他们在普林斯顿短暂逗留后也横穿美国大陆,乘邮轮前往日本。

吴有训得知后又赶紧委托在美国的周培源向玻尔发出顺路访问中国的邀请。(周培源在加州理工学院获得博士学位后在莱比锡和苏黎士分别担任过海森堡和泡利的助手。在他们的推荐下,他曾到波尔研究所访问,是那时去过那里的唯一中国人。)玻尔欣然同意,于1937年5月20日从日本乘船抵达上海。他们一家三口先后访问上海、杭州、南京、北平,拍摄了大量照片甚至一段彩色电影片。沿途,玻尔也做了多场演讲、座谈,向中国的物理学家、知识分子讲解互补原理以及最新的原子核理论。

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1937年,玻尔(前排中)访问中国时与当地物理学家合影。

直到6月7日晚,他们才从北平乘火车出山海关,与狄拉克一样取道苏联返回丹麦。

一个月后,北平郊区的卢沟桥发生事变。短短半年后,玻尔曾经流连忘返的那几个城市相继沦陷于日本军队的铁蹄之下。中国进入全面战争状态。

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当薛定谔在1936年10月回到阔别十多年的故乡时,那里已物是人非。奥地利名义上还是独立国家,但已经沦为德国的附庸。虽然薛定谔既不是犹太人也不热衷政治,他在荣获诺贝尔奖前突然离开柏林大学的行为让德国政府和纳粹党徒大光其火,曾经在报刊上大肆批判。回到矮檐下的薛定谔只好低下头,专注于自己的教学任务和学术研究。在跟着爱因斯坦纠缠了一番猫的死活后,他又对爱因斯坦与爱丁顿正在研究的统一场论产生起浓厚的兴趣。

他的个人生活恢复了“正常”,又可以在妻子安妮、两个情人和小女儿之间如鱼得水。作为一个小小的象征性反抗,普朗克还主持将1937年的普朗克奖章授给了薛定谔。那正是薛定谔自己八年前为德国物理学会设立的大奖项。

然而,不到半年后,德国正式吞并了奥地利。这个也是希特勒故乡的传统小国成为德国的一个州。一时间,奥地利的犹太人成为被清洗、驱逐、羞辱的对象。薛定谔也成为眼中钉,言行受到紧密的监视和控制。为了保住岌岌可危的职位,他向校方递交了一份“自白书”,承认自己过去的认识错误,无保留地宣示对德国和“元首”的效忠。这封热情洋溢的信件立即出现在德国和奥地利报纸的头版,并通过英国报刊的转载传遍全世界。在伦敦,林德曼和牛津大学的同僚们为之气愤、痛心。

对薛定谔来说,更糟糕的是他还不得不舍弃那个交往不久的新情人。因为她是犹太人,他只得断然终止关系并要求她将以前的情书尽数焚毁,不留痕迹。

他的高调表态一度改善了处境。1938年春天,他被许可到纳粹德国的首都柏林参加普朗克80岁生日庆祝。夏天,他又带着老情人希尔德去拜访普朗克夫妇,一起在阿尔卑斯山中度假。然而,薛定谔回家后就收到了被解职的公文。奥地利已经不再是他的容身之地。他和安妮不得不再次踏上流亡路,在费米的帮助下取道意大利逃出法西斯领地。

第一次世界大战后从英国赢得独立的爱尔兰那时正在努力提升自己的文化、科学地位。他们模仿普林斯顿的高等研究院在自己首都创建一个同样的学术机构,连名字也完全照搬:都柏林高等研究院。薛定谔还在奥地利时,爱尔兰人就已经通过玻恩与安妮辗转地秘密接头,希望能有这个诺贝尔奖获得者去当新研究院的带头大哥。于是,薛定谔在一番折腾后阴错阳差地获得了他求之不得的理想职位。他不再需要花时间站讲台授课,还有了个至少在名义上与爱因斯坦平起平坐的位置。(在其后的1940年代,玻恩所在的爱丁堡和薛定谔的都柏林成为美国之外中国学生的聚集地。计有彭桓武、程开甲、杨立铭、黄昆、胡宁等人曾在那里学习、进修。)

已经屡次被薛定谔行为激怒的林德曼也再次伸出援手,为他们提供了行程便利。在牛津和比利时临时任职等待一年后,薛定谔和安妮在1939年10月初到达都柏林安家。他们还带着玛奇已经“送还”的希尔德和小女儿。薛定谔另外的那个情人自己逃离奥地利后也与他们再度汇合,重归于好。

他的生活又一次恢复了正常。

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1939年初,玻尔再度来到普林斯顿。高等研究院已经永久性地聘请他为访问成员,拥有随来随去的特权。这一次,他在研究院中驻扎了半年之久。然而,爱因斯坦似乎有意回避远方的客人,他们只在所里的聚会场合有过几次碰面。其间爱因斯坦做过一次统一场论进展的讲座,玻尔躬逢其盛。爱因斯坦一如既往地坚持那才是有望解决量子力学问题的最佳途径。但他又直视着玻尔强调他不愿意再继续讨论这个话题。被噎住的玻尔甚是不快,无可奈何。

其实玻尔这次也不会有多大兴致继续那个争论,他有着更紧迫的现实问题。就在丹麦的码头上登船那一刻,他得知了来自柏林的最新实验结果:当铀被中子撞击时,出现了质量不到铀一半的钡。因为犹太人身份逃离德国的迈特纳(Lise Meitner)和侄子弗里施(Otto Frisch)认为那是铀原子核被打击后分裂成两个质量差不多的碎片,钡是其中之一。

卢瑟福早就确定了原子不是一成不变的“元素”。质量重的原子核可以自发衰变为另一种原子,轻的也能被考克饶夫和沃尔顿的加速器中出来的质子打开,发生人工嬗变。但原子核整个地一分为二却还是非同小可。弗里施借用生物学中细胞分裂的术语把它称作“裂变(fission)”

还在横渡大西洋的邮轮上时,玻尔已经认定伽莫夫的液滴模型是理解原子核裂变的有效工具。自然地,他需要一个得力的年轻助手协助他完成具体的计算并撰写论文。事有凑巧,在纽约港口迎接他的是曾在哥本哈根镀过金的老相识惠勒(John Wheeler),立刻就抓了他的差。惠勒已经是普林斯顿大学的助理教授,正好天时地利人和。师徒俩一头扎进这个新课题,短短几个月间奠定了原子核裂变的理论基础。

相比之下,爱因斯坦的纠缠和薛定谔的猫不是那么急迫。

那年7月,玻尔结束在美国的访问回到哥本哈根。两个月后,德国军队发动闪电战大举入侵波兰。欧洲的第二次世界大战揭开序幕。

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那个夏天海森堡也一直在美国巡回访学、出席学术会议。尽管他刻意回避,他们的话题总不可避免地会涉及一触即发的战争形势。在罗切斯特,他过去的助手威斯科夫(Victor Weisskopf)和老相识贝特(Hans Bethe)都强力劝说他在美国留下。但海森堡立场坚定。他相信纳粹会赢得这场战争。虽然他本人对纳粹并没有好感,却也必须为国效力。

一站又一站,海森堡的老朋友们听到的是同一个回答。在8月份的会议上,他没等会议结束就匆匆辞别。因为他必须赶回去参加机关枪射击训练。

短短三年后,贝特和威斯科夫不得不向美国政府提议在战争中寻找机会以绑架、轰炸甚至暗杀的形式对付他们这位过去的导师、朋友,“否决敌人的大脑(deny the enemy his brain)”。

其后两年中,美国军方做了多次尝试,只因种种缘由未能奏效。1944年12月,海森堡到中立的瑞士讲演。他不知道听众席上正坐着一位怀中揣着手枪的美国间谍,其使命是只要听到海森堡透露出他们在核武器上有任何进展的迹象就不惜任何代价将他当场击毙。海森堡的那次演讲却是纯学术,讲解他为解决量子问题新发明的“散射矩阵(S-matrix)”理论。为了避免外交纠纷,间谍没有采取行动。(这位间谍名叫伯格(Moe Berg)。他原来是美国职业棒球明星,也是普林斯顿和哥伦比亚法学院毕业的高材生。因通晓七国语言在战争爆发后投身地下工作。)

海森堡侥幸活到了战争的结束。与贝特和威斯科夫一样,当年在一起探索自然秘密的物理学家都因为战争归属了敌对的两个阵营。发现电子自旋后就到美国工作的古德斯密特受命在战场上搜捕参与核武器计划的德国物理学家,将他们统一关押于设在英国的特殊营地,通过监听手段获取他们的机密。海森堡、劳厄、萊纳德等人都成为那里的阶下囚。他们是在那里听到原子弹在日本爆炸的新闻才知道美国、英国已经超越德国,获得了他们未能攫取的成功。

87岁高龄的普朗克也被古德斯密特追踪捕获。他没有被送往战俘营,而是获准自己养病。普朗克深受脊背痛苦,已然伛偻龙钟。在80岁生日之后,即使德高望重也因为立场不坚定被指为“白犹太人”的他决定彻底退休,不再过问政事。临别之际,他还做主把1938年的普朗克奖章授予德布罗意:一位追随“犹太物理学”的法国人。

普朗克曾在一战中失去他的大儿子,二儿子在法国战场上被俘而幸存。战后,那个儿子逐渐成长为政府中的部长助理,但在希特勒上台那天辞职。1944年,已经败像毕露的德国军队中发生政变,部分高级官员刺杀希特勒失败。在随后的大清查中,普朗克的儿子也涉案被捕。年老的普朗克不得不低声下气地向希姆莱、希特勒求情,但儿子还是被处以绞刑。(在哥本哈根改编《浮士德》的德尔布吕克的妹妹、妹夫和妹夫的弟弟也在那次事件中牺牲。)

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卢瑟福没能看到原子核裂变的发现。他在那之前的1937年一次手术中意外离世。作为原子核嬗变的鼻祖,卢瑟福清楚核反应时会释放能量。但他认为那能量过于微弱,不具备实用价值,只是所谓的“月光(moonshine)”——不切实际的痴心妄想。

裂变是剧烈的核反应,释放出比卢瑟福看到过的嬗变中大很多的能量。那却也不过是稍微明亮一点的“月光”。匈牙利物理学家西拉德(Leo Szilard)却一直坚持着一个可能性。铀原子核裂变时还会产生几颗中子。如果这些中子又能碰到另外的铀原子核如法炮制,便可以形成持续性的“链式反应(chain reaction)”。这样,微观世界那微乎其微的能量可以在极短时间内聚集,在宏观世界中宏伟壮丽地爆发,甚至成为可以决定战争胜负的巨型炸弹:原子弹。

西拉德也是众多从欧洲逃到美国的犹太人之一。他人微言轻,只好联合同是匈牙利人的维格纳和泰勒(Edward Teller)说服大名鼎鼎的爱因斯坦出面。(他们三人后来被戏称为促成美国核武器的“匈牙利阴谋”。)他们一同起草了一封致美国总统罗斯福(Franklin Roosevelt)的信,提醒政府注意这个潜在的威胁和机会。信由爱因斯坦签名送达白宫时,德国刚刚入侵波兰。

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1939年8月,西拉德(右)与爱因斯坦讨论给罗斯福总统的信稿。

那年年初在纽约港口迎接玻尔的除了惠勒还有费米。因为妻子是犹太人,费米在意大利也处境艰难。正好,他因为核物理研究的成就获得了1938年诺贝尔奖。在斯德哥尔摩领奖后,费米带着妻子和两个孩子以奖金为路费直接来到了美国。

三年后,费米和西拉德所带领的团队在芝加哥实现了人类第一个链式核反应。

1945年8月6日和9日,两颗不同型号、设计的原子弹分别在日本的广岛、长崎上空爆炸。8月15日,作为法西斯轴心国最后堡垒的日本无条件投降。第二次世界大战结束。

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作为德国研制核武器的“大脑”,海森堡虽然逃过了反法西斯同盟国的追杀,却没能为他的祖国建造出原子弹。第一次世界大战之后,德国的物理学在普朗克坚定、稳健的领导下重新崛起,在最尖端的量子力学、核物理上傲视全球。海森堡没能在核武器上取得突破,也始终确信敌对方更不可能有所成就。直到在战俘营中听到原子弹爆炸的新闻他才如梦初醒。迫于形势,他极力改写历史,为自己塑造出一个在内部消极抵抗纳粹,故意拖延原子弹进程的新形象。

原子弹的爆炸再一次将爱因斯坦推上举世瞩目的前台。卢瑟福的“月光”在一瞬间变作史无前例之“比一千个太阳还亮”的释放,充分展示狭义相对论所揭示质量转化能量的威力。

因为那封给罗斯福的信,爱因斯坦也经常被看作原子弹的始作俑者。其实,他的信只得到一般性的注意。美国研制原子弹的“曼哈顿计划”是在那之后两年多才开始实施。那时日本已经轰炸了珍珠港,将美国拖进大战。原子弹的初步研究也已经在英国完成。

由于还有着同情共产党和反战的嫌疑,爱因斯坦没有获得接触最高机密的资格,与曼哈顿计划无缘。而对原子弹举足轻重的也不是他的相对论,而是那同样由他首创,却始终让他爱恨交加的量子理论。

真正领衔实现了海森堡未能做到之壮举的却是一个由他过去同事、朋友和学生组成的强大团队。他们中的主力正是包括西拉德、维格纳、泰勒、弗兰克、费米、贝特、威斯科夫等一大批因为纳粹迫害而逃离欧洲的犹太物理学家。他们也有着如斯莱特、惠勒那些曾经在欧洲的量子力学圣地游学、镀金的少壮。当然,还有曾在美国各个大学校园中聆听索末菲、玻尔、玻恩、海森堡、狄拉克等人巡回讲座的年轻人。而最为出乎意料,他们这一方的“大脑”竟是曾在剑桥和哥廷根镀金,与狄拉克相交甚欢的那个纨绔弟子奥本海默。

毫无例外,他们都是以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派的成员,或者是在其熏陶下学习、掌握量子力学的新一代。

原子弹的爆炸不仅宣告了第二次世界大战的结束,也标志着人类进入核能量的新时代。从世纪之初贝克勒尔在铀矿石中发现放射性,经过卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔等人的不懈努力,量子的概念不再只是为了解释黑体辐射、光谱数据的权宜之计,也不再局限于看不见摸不着的微观世界。它伴随着原子弹那眩目的闪光、骇人的蘑菇云进入了寻常人家的视野。

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1945年8月6日和9日分别在日本广岛(左)、长崎爆炸的原子弹所产生的蘑菇云。

原子弹的成功又一次无可辩驳地宣示了量子力学的正确性。而在那战火辉煌的年代,爱因斯坦对量子力学完备性的质疑只是杞人忧天,无人再问津。

惠勒只是愧疚他们的动作还是太慢了。他的哥哥曾在1944年惨烈的意大利战场上寄回一张明信片,上面只写有两个字:“快点(hurry up)!”拥有历史学博士学位的哥哥了解弟弟曾经与玻尔一起研究过原子核裂变,早就猜想到他是在后方参加研制威力强大的新武器。但哥哥已经等不及了。明信片寄出几个月后,他在战场上捐躯。


(待续)




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