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量子纠缠背后的故事(卅八):奥本海默的哥本哈根 精选

已有 3823 次阅读 2021-3-21 05:48 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

玻尔在同惠勒一起理清原子核裂变的机制后对原子弹的实现并不乐观。他对“匈牙利阴谋”成员泰勒表示,那会是一项规模浩大的工程,除非你能把整个国家转变为一个巨型工厂。几年后,玻尔在参观洛斯阿拉莫斯基地时不得不向泰勒承认他低估了美国的决心和实力:你们还真是把整个国家变为巨大的工厂。

然而,那并不是很早就和西拉德一起游说核武器的泰勒的功劳。令玻尔、泰勒和其他所有物理学家更为惊讶的却是,曼哈顿工程的“大脑”会是还没到不惑之年的奥本海默。

与他在轴心国的对立面海森堡同样,奥本海默是一个理论物理学家,完全没有能力进行对原子弹至关重要的实验工作。他也不具备领导、管理大型团队的经验。他的资历不仅远远不如海森堡,与美国已经拥有的一批物理学精英也相差甚远。况且,他的政治背景还相当不可靠,有可能是美国共产党成员。

这一切都没能让曼哈顿计划的总负责人格罗夫斯(Leslie Groves)将军望而却步。他慧眼独具地认定奥本海默是一个能洞察全局的奇才,尤其善于组织队伍、鼓舞士气、启迪新思想,比其他那些埋头苦干、精于专业的物理学家更具备领袖气质。

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1945年9月第一次实现核爆炸后,奥本海默(左)与格罗夫斯视察爆炸点。他们脚下的钢丝是置放原子弹高塔的唯一残留。

奥本海默果然不负重望。他与格罗夫斯精诚合作,在短短三年内将黑板上描画的原子弹变为物理的现实,提前结束了第二次世界大战。

为了得到这个报国机会,奥本海默也付出了一点个人代价。在接受安全审查时,他指认自己的学生玻姆(David Bohm)是美国共产党员,可能会是个危险的角色。

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奥本海默在1904年出生于纽约市的富足之家。父亲是早年从德国移民的犹太人,在新大陆白手起家成为进口纺织品的富商。母亲则是艺术家出身。他们居住在市区豪华公寓中,家里收藏有很多世界名画。奥本海默从小熟读经典,还在爷爷的影响下喜爱上收集矿石。但他也瘦弱多病,让父母多操了不少心。他们请专业教练带他户外活动,甚至不远万里送他到美国西部牧场体验野外生活。

出于对矿石的兴趣和爱好,奥本海默到哈佛上大学时选择的是化学专业。但他在学校里广为涉猎,自己旁听、自修了大量文学、哲学以及数学、物理课程,同时还不间断地创作诗词、小说。尽管如此,他还是只用了三年时间就以优异成绩毕业。

其后,奥本海默负笈海外,慕名来到卡文迪许实验室。诺贝尔化学奖得主卢瑟福看到他简历中没有足够的物理训练,将他拒之门外。退休后还在实验室工作的汤姆森却收留了他。很快,他贫乏的动手能力和性格缺陷在那里暴露无遗,自己也陷入彷徨、抑郁的泥潭。出于对实验室中负责带他的布莱克特(Patrick Blackett)的嫉妒和不满,奥本海默将一个浸泡过化学试剂的苹果置放在布莱克特的桌上。幸好,布莱克特没有中招。他后来赢得1948年诺贝尔奖。

得知消息急忙赶来的父母经过一番活动让奥本海默免于被开除的命运,只接受了心理治疗。他被诊断为患有精神分裂症。不得不离开实验室后,他留在剑桥专心理论研究,反倒发现一片新天地。他很快在发表了两篇论文后才离开,到哥廷根投奔玻恩。

狄拉克在1927年的哥廷根见到这个比他只小了两岁的不成器纨绔子弟时,正是量子力学的火红年代。那里聚集着一大批他们的同龄人,正在热火朝天地进行着各种计算。已经基本上摆脱了心理阴影的奥本海默表现出他的另一面。他在组会、讲座中过于活跃,频频出言打岔,还刻意地模仿约旦天生的口吃。同组的年轻人不得不联名给玻恩写信要求处置。奥本海默看到玻恩有意留在桌上的信件后才有所收敛。

同样难以与人相处的狄拉克与奥本海默惺惺相惜,成为经常一起远足的好朋友。狄拉克对奥本海默整天卖弄诗词也不甚其烦,讥谕曰:“我不知道你怎么能够同时从事科学和写诗。在科学上,你需要用每个人都能懂的语言解释无人知晓的新发现。在诗词上,你却总是要用没人能懂的话去描绘一些所有人都明白的事情。”

当然奥本海默的天赋并不仅在艺术。他在量子理论的计算中越来越得心应手。在研究分子光谱时,他发明了“玻恩-奥本海默近似”计算方法,影响深远。他也以此成就获得了博士学位。

玻恩长出了一口气。他给埃伦菲斯特写信通报奥本海默天资聪慧但缺乏心理约束,让他经受了从未有过的痛苦。他的哥廷根已经被奥本海默折腾得瘫痪良久,总算可以恢复正常了。

宅心仁厚的埃伦菲斯特几年前曾将在哥廷根碰壁的费米招至身旁,挽救了他的物理生涯。这时他故伎重演,从玻恩手中接下了这块烫手山芋。但一年后奥本海默想去哥本哈根继续深造时,埃伦菲斯特不敢让他再去祸害玻尔,立即阻止。他推荐奥本海默去苏黎士,并给泡利写信明言只有他才能“修理”好这个犟头青年。

泡利果然不在乎奥本海默的个性,还言传身教,把自己言语刻薄、不留情面的风格全数传给了这个放荡不羁的新弟子。奥本海默也在泡利指导下率先发现了狄拉克方程中的无穷大困难。曾经在量子力学问世前因为无法解释塞曼效应而忧郁,要放弃物理改当小丑演员的泡利因之旧病复发。这次他声称准备改行去写小说。

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短短几年里,奥本海默发表了十余篇有影响的论文,成绩卓著。虽然没能去哥本哈根亲自聆听玻尔的教诲,他在玻恩、埃伦菲斯特、泡利的训导下也已经完全皈依哥本哈根学派。他的名声也已抵达那个圣地。在玻尔研究所的《浮士德》中,奥本海默和他的口吃登台亮了相(编剧德尔布吕克曾在哥廷根学习。他以为奥本海默也是天生的口吃。)。

自然,奥本海默成为美国大学竞相追逐的明星。他别出心裁地同时接受了加州理工学院和加州大学伯克利分校的聘请。加州的这两个学校一南一北,相距不是很远。他按学期轮流在两个校园里讲课,主要传授量子力学。

同后来的惠勒等哥本哈根忠实弟子一样,奥本海默的梦想是在美国重现玻尔研究所的辉煌和热闹。他自己的哥本哈根便是在北加州的伯克利。

相比于已经拥有迈克尔逊、密立根的加州理工学院,伯克利那时还是学术界的不毛之地。学成归国的奥本海默带来了欧洲的最新进展。他的量子力学教程不仅材料新颖,而且蕴含着自己深厚的文学功底,在美国独树一帜。

成为教授的奥本海默也散发着独特的个人魅力。他身材修长清瘦,穿着一丝不苟,头上永远戴着一顶小礼帽。仗着家境宽裕,他时常带着学生们拜访邻近旧金山市内的高档餐馆、音乐会和剧院,让那些在经济萧条时期上学的穷小伙子们有机会体验上层社会的生活方式。无疑,他受到青年学子的一致爱戴。他的做派,甚至说话的节奏和抑扬顿挫,都成为竞相模仿的样板。有的学生甚至会跟随他在两个学校之间穿梭,不间断地听他讲课。

当玻姆在1941年加入这个追星行列时,奥本海默已经在伯克利建立起美国的第一个理论物理中心。玻姆的师兄谆谆教诲:“玻尔是真主安拉,奥本海默是他的使者”。

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玻姆也是犹太人。他在1917年出生于美国东部一个普通家庭。与奥本海默相反,他的童年在贫困、孤独中度过。他母亲患有精神疾病,时常发作时年幼的玻姆只好躲起来自己读书。他在科幻小说中找到了逃避现实的乐园,也逐渐喜欢上科学。对科学一窍不通的父亲资助他上了当地的宾夕法尼亚州立学院。毕业后,他以优异的成绩被加州理工学院录取为研究生。

但他发现他与那里的贵族学生格格不入。在听了奥本海默的课后,他不仅追随老师北上,还干脆转学进了伯克利。

那时的伯克利不仅是奥本海默的哥本哈根,还有着各种各样的左派政治团体,包括仿照苏联榜样成立的美国共产党、共青团等组织。他们经常性的活动吸引了当地的大学生和年轻人。奥本海默那群思想活跃的青年学生自然地成为其中的积极分子。出于对纳粹迫害犹太人的义愤,玻姆也签名加入了作为纳粹对立面的共产党。不过他在参加了几次会议后感到乏味,就又退了党。

玻姆来到伯克利不久,奥本海默便成为曼哈顿计划的负责人,不再有时间指导学生。玻姆甚至不得不代替导师讲授量子力学的课程。他当然也希望加入研制原子弹的队伍,但申请遭到拒绝。冠冕堂皇的理由是他在欧洲还有不少亲属(因为是犹太人,那些家属后来大多死于纳粹集中营),是安全隐患。他不知道自己已经被钟爱的导师出卖。

1943年,玻姆完成了氢原子核(质子)与氘原子核散射的计算,准备写成论文申请博士学位。不料,他的这项研究被发现对原子弹设计大有帮助,立刻被设定为军事机密。玻姆虽然是作者,却不再有资格接触这一内容。他既不能答辩也不被允许写论文。好在奥本海默为他出具了一份能力证明,伯克利以此直接授予他博士学位。

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战争结束后,奥本海默成为家喻户晓的英雄人物,名气在物理学家中仅次于爱因斯坦。普林斯顿的高等研究院看中了他在曼哈顿计划中表现出非凡才能,聘请他担任院长,期盼他能够继续带领世界一流的科学家再创奇迹。

也许出于内疚,奥本海默将玻姆作为他最好的学生推荐给隔壁的普林斯顿大学。惠勒借在伯克利开会的机会面试了玻姆,当即表示支持。1946年,玻姆被普林斯顿大学聘请为助理教授。随后,惠勒也将年轻的玻姆列入谢尔特岛会议的邀请名单。

但玻姆几乎没有参与那个会上的激烈讨论。他对施温格、费曼繁杂的数学演算没有兴趣,觉得无穷大困难也不过是一个技术性的细节。他更为关心的是量子力学的基础性问题。在普林斯顿,他一连几年开设量子力学课,以奥本海默当年的讲义为基础系统地梳理、讲解量子力学的内在逻辑,准备自己出版教科书。

作为奥本海默版哥本哈根的毕业生,玻姆已经成为玻尔的铁杆信徒。他发现哥本哈根诠释、互补原理那一切都还只存在于玻尔、海森堡等人的泛泛而谈中,缺乏一个系统的阐述。他希望自己的教材能弥补这个不足,一统量子力学的思想。

为此,玻姆花了相当的篇幅论述冯·诺伊曼的测量理论,还专门探讨了爱因斯坦和罗森、波多尔斯基共同提出的纠缠问题。他甚至找出了一个与他们的假想试验等同,但更直观的试验版本。

爱因斯坦他们在那篇EPR论文中假想的是两颗从光子箱中逃逸出来的光子或者从氦原子中分离出的电子。因为它们开始时非常接近,处于同一个量子态,在分开之后即使渐行渐远也保留着互相纠缠的量子特性。如果测量其中一颗的位置或速度,就会瞬时地改变另一颗所处的状态。

当玻姆在二战之后考虑这个问题时,物理学家已经熟悉了狄拉克提出的反粒子概念。在费曼那神奇古怪的图中,电子和它的反粒子正电子会经常地成对出现、湮没。它们或者来自一颗光子(如前一章的费曼图所示),或者干脆就是无中生有地在量子的“真空”里随机出现。

如果这样的一对电子、正电子突然出现,它们自然会处于同一个量子态中。同时,它们各自的自旋也应该彼此相反,互为抵消以保证角动量的守恒。

电子的自旋是古德斯密特和乌伦贝克的发现。作为其反粒子的正电子也有着完全相同的特性。虽然如洛伦兹和爱因斯坦当年的分析,微观粒子的自旋是一个纯粹的抽象量子概念,并不等同于经典物体的旋转,但类似地球的自转、陀螺的旋转依然可以作为理解自旋的直观图像。陀螺旋转时有着顺时针、逆时针两个相反的方向。电子自旋也同样有着两个不同的状态,姑且以其“旋转轴”指向称作向上和向下。在凭空产生的电子、正电子对中,如果其中一个的自旋朝上,另一个自旋肯定会朝下。

当然,无论是电子还是正电子,它们出现时的自旋方向都是随机的,即处在向上和向下这两个本征态的叠加态中,像薛定谔的猫一样既死又活。在这样的情形下,如果有人测量近处电子的自旋,发现其自旋向上。远处那颗正电子就会同时发生波函数坍缩,自动进入自旋向下的本征态。

玻姆的这个基于自旋的假想试验与EPR的场景并没有本质的不同。只是它不再纠结于位置、速度那样的连续变量,代之以向上和向下这种泾渭分明的分立状态,图像更为清晰。如果想象这电子、正电子是一对孪生的猫,它们的自旋是其生与死的标志。那么,当我们在近处看到这只猫是活着时,我们同时就已经隔空打牛,刹那间“杀死”了远在天边的那另一只猫。

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二战的结束没有带来人们期盼的天下和平。世界很快分裂为以英美为首领的西方列强和苏联的东方势力两大阵营,进入冷战时代。

在美国,国会众议院“非美活动调查委员会”的注意力开始集中于共产主义理念在国内的渗透、影响,以及可能的苏联间谍活动。在集中调查以好莱坞为代表的左派艺术家后,他们也开始关注科技领域。曾经被奥本海默点名的玻姆首当其冲。

1949年5月25日,收到传票的玻姆出席委员会的公开听证。当被问及他是否曾经是共产党员、还知道什么人是共产党员时,玻姆一律援引宪法第五修正案,拒绝回答。

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1949年5月25日,刚刚参加完国会听证的玻姆。报纸上头条新闻是中国“红军”占领上海。

第五修正案是美国宪法中保护个人权力、被称作“权利法案(Bill of Rights)”的十项修正案之一,着重于公民作为被告时不可剥夺的权利。它包括政府无权强迫公民交代可能对自己不利的的信息。凭着这一尚方宝剑,玻姆有权不回答议员们提出的那些问题,更可以拒绝出卖自己的朋友。

两个星期后,奥本海默也被传唤。他不仅承认自己过去曾是共产党的同路人,还公开指认了他的一些学生在伯克利期间曾经加入过美国共产党。其中包括玻姆。

三个月后的8月29日,苏联爆炸了第一颗原子弹,震惊世界。美国的专家们很清楚,以其科技、工业实力,苏联肯定能够自己研制出原子弹。但他们没料到这一天的到来如此迅速,不能不怀疑原子弹的机密已经泄露。

10月1日,中华人民共和国成立,社会主义阵营急速增长。1950年6月,朝鲜战争爆发。两大阵营在战场上兵戎相见,更加剧了世界形势的恶化。那年,美国终于破获了为苏联传递核武器机密的间谍网。痛定思痛的政客们开始了大规模的抓特务运动,进入所谓的“麦卡锡主义”时期。(麦卡锡(Joseph McCarthy)是上任不久的参议员,因其后来积极以防范共产主义为名实施政治迫害的行为被用来为那场运动命名。作为参议员,麦卡锡与众议院的听证调查并没有直接关系。)

那年12月4日,玻姆突然遭到联邦法警拘留,被以“藐视国会”的罪名起诉。普林斯顿大学随即取消了他的授课资格。虽然他们还继续按雇佣合同支付工资,却禁止他踏足校园。

1951年2月,依然在取保候审中的玻姆欣慰地看到他精心写作的《量子理论》出版问世,获得一致的好评。那是一部当时还绝无仅有,全面、系统地以正统哥本哈根诠释解读量子力学的大作。就连曾经写过量子力学“旧约”、“新约”的泡利也非常欣赏。他一改刻薄的口吻,给玻姆写信致以真挚的祝贺。

不久,玻姆又接到一个意外的电话。听筒里传来爱因斯坦那苍老的德国口音。爱因斯坦已经拜读了玻姆的新书,想约他谈一谈。


(待续)




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