量子纠缠背后的故事(十三)

联袂的诺贝尔奖

瑞典化学家诺贝尔(Alfred Nobel)通过遗嘱设立他那举世闻名的奖项时,为物理奖规定的标准是“在物理中最重要的发现或发明”。如何诠释这简单的一句话是被指定审核、发放奖金的瑞典科学院及其评奖委员会成员的职责。

虽然已经出现过牛顿、麦克斯韦那样几乎毕生从事理论研究的大家1,物理学在20世纪初还是被看作纯粹的实验科学。所谓“发现或发明”被自然地理解为实验室里、工业生产中实实在在的成果。理论研究中那些看不见摸不着的数学推演不过是为实验提供解释和线索,不属于独立发现。

自1901年开始颁发起,物理奖20年来的获奖者几乎是清一色的实验物理学家。理论家屈指可数:1902年洛伦兹凭借他对塞曼效应的理论解释“沾光”,与在实验中发现该效应的塞曼同时得奖;1910年,荷兰的范德瓦尔斯(Johannes van der Waals)因为他对气体状态方程的理论研究得奖。普朗克在1908年未能获奖固然是他运气不佳,很大程度上也出于评委对其理论“发现”的疑虑。

那个时代一些杰出的理论家如玻尔兹曼、庞加莱等在世时皆与诺贝尔奖无缘。

1918年,普朗克终于修得正果,因为“能量子的发现”获奖。那是第一个授予量子概念的诺贝尔奖。

曾几何时,诺贝尔奖也是青年爱因斯坦的梦想。他奇迹年的那四篇论文——布朗运动、光电效应、狭义相对论、质能关系——可以说每一篇都够得奖资格,虽然那些理论预测需要多年以后才陆续得到实验证明。到1918年时,他对自己会很快得奖早不再有疑,自信地将预期的奖金作为筹码与前妻玛丽奇达成离婚协议。但他没料到会发生的一波三折。

早在1910年,爱因斯坦还是苏黎士大学不引人注意的新任副教授时,物理化学家奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)第一次向瑞典科学院提了他的名。仅仅几年前,奥斯特瓦尔德还是爱因斯坦广发求职信得不到回音的众多“愚蠢”大教授之一。爱因斯坦的父亲还曾专门给他写过一封信,低声下气地为儿子求助。

奥斯特瓦尔德自己在那年获得诺贝尔化学奖。他的提名没有引起注意,那年的物理奖归了范德瓦尔斯。

自那以后,爱因斯坦几乎每年都会得到多人的提名。与奥斯特瓦尔德一样,提名人大多把他的相对论列为主要贡献。奥斯特瓦尔德还特意提醒评委会,相对论已经是物理学的基础,并非哲学思辩。年复一年,评委会成员依然觉得相对论只是纸上谈兵,没有足够的实际验证。

这个局面在1919年发生了戏剧性的改变。那年,爱丁顿的日全食结果宣布得太晚,物理奖已经授予爱因斯坦当年的盟友、后来的政敌斯塔克。

但爱丁顿的结果不仅让爱因斯坦名闻遐迩,也让原来对广义相对论有疑虑的物理学家信服。那其中有老资格的洛伦兹,他立即在下一年提名爱因斯坦。那年,爱因斯坦获得了八个提名,在洛伦兹之外还有爱丁顿、塞曼、瓦尔堡和玻尔等知名人物。普朗克也为他提了名,但因为错过截止期无效。

诺贝尔奖揭晓时,全世界物理学家的眼镜同时掉下了鼻梁。获奖者是瑞士的纪尧姆(Charles Guillaume)。他可以说是完全不为人所知,因为发明有助于长度、质量精准测量的合金得奖。

那年负责评选的还是当年曾试图让普朗克和卢瑟福同时得奖的阿伦尼乌斯。他对爱丁顿的测量结果是否可靠有所怀疑。在收到那些支持爱因斯坦的提名信同时,他们也收到来自萊纳德等人的各种反对意见。在无从定夺的状态下,他们选择了更符合“发现或发明”标准的纪尧姆。这个人选让那些拼命反对相对论的人也摸不着头脑。

再下一年,爱因斯坦的提名人增至14位,包括了普朗克、瓦尔堡、爱丁顿、奥森。爱丁顿在提名信中将爱因斯坦与牛顿相提并论,应该是作为英国人能给予德国科学家的最高评价。

这一次,负责审理的是瑞典的眼科医生、诺贝尔生理与医学奖获得者古尔斯特兰德(Allvar Gullstrand)。他对物理不甚了了,却也兢兢业业地做了一番研究,写出50页的报告,认定广义相对论的验证还存在大量漏洞,不足以得奖。

即使在瑞典科学院内,这个报告也没能让人信服。但谁也不敢公开违拗德高望重的古尔斯特兰德。他们集体把头埋进沙里,做出一个折中选择:既不把奖颁给爱因斯坦,也不再发给他人,就让那年的物理奖空缺。

因为过程保密,爱因斯坦当时不可能了解这些内幕。但连年的错失已经让他对诺贝尔奖意兴阑珊。他的国际声望早就远远超越这个奖能带来的荣誉,奖金也已名花有主。所以,当他在1922年9月接到阿伦尼乌斯带有强烈暗示的信时,丝毫不为所动。


海森堡做梦也没想到过他会在哥廷根的夏日傍晚与玻尔单独散步。他有太多的问题要问,而最想知道的是这位名人的内心深处对量子理论究竟有着怎样的想法。

与玻尔一样,海森堡出生于知识家庭,父亲是慕尼黑大学的古典哲学、文学教授。与玻尔和他弟弟相似,海森堡有一个年龄非常接近的哥哥。他祖父掌管着德国最出名、普朗克40年前曾经上过的中学,那也是他们兄弟俩的学校。两人出类拔萃,学业一帆风顺。只有第一次世界大战的到来才打搅了宁静的生活。

高中的海森堡在战时、战后的混乱政局中召集小伙伴组织起队伍,加入当地类似童子军的组织。他们在慕尼黑城内维持秩序、搜寻食物,也经常深入附近的阿尔卑斯山里长途拉练、野营,在农庄里干活,劳筋骨苦心志。

中学毕业后,他在1920年夏天进入慕尼黑大学。受父亲影响,他的兴趣在于哲学和数学。父亲为他安排与学校最著名的数学老教授面谈。当教授听海森堡介绍已经自学了相对论,便认定他再也不可能专心数学。于是,他父亲又建议他去找索末菲。

索末菲接纳了海森堡。他在面谈后看出这个新生才高志大、好高骛远,建议他先学会踏踏实实地解决一些实际问题,并让他去与早两年入校、同样聪明绝顶的泡利(Wolfgang Pauli)作伴。与勤奋、生活规律、喜欢户外活动的海森堡相反,泡利不爱运动,夜夜声色犬马早上睡懒觉。但两个年轻人还是立刻成为好朋友。

泡利那时正被导师抓差,替索末菲为一家百科全书撰写关于相对论的综述。那正是海森堡所渴求的大课题。泡利却嗤之以鼻。他告诉海森堡相对论自诞生后就已经是一个完整的体系,既没有发挥余地也没有实用价值,在学术上是一条死路。索末菲那时刚着手的原子模型千疮百孔,才是肥沃的学术土壤。海森堡听从了师兄的忠告。

索末菲正有点焦头烂额。他已经解释的塞曼效应有了新变化:有些光谱线的分裂不尽情理,出现超越他模型的所谓“反常塞曼效应”2。他猜想已有的三个量子数可能还不足以描述电子的轨道,需要再加上一个新的量子数,却一时也找不出头绪。

初生牛犊的海森堡仔细研究了索末菲收集、整理的光谱数据,很快发现一个窍门。如果那新加的第四个量子数不是整数,而是半整数(1/2,3/2,……),他就能凑出相当一部分光谱线的分裂,解释这个反常塞曼效应。

他这个举动让泡利和索末菲都大吃一惊,深感绝对不可接受。普朗克的量子概念精髓在于能量或其它物理量可以分为一份一份的量子,也就是可以一个一个地数。如果允许以半整数计数,那么肯定还会出现以四分之一、八分之一等等计数。此风一开,量子概念也许自身难保。

但海森堡有着与几年前玻尔一样的尚方宝剑:无论模型如何没有道理,他可以解释实际的谱线分裂。索末菲只能高抬贵手,批准了海森堡发表论文。他将论文转寄给爱因斯坦、玻尔等人时专门附信道歉,表示论文存在大问题,但结果似乎太过重要,他不得不同意发表。

玻尔在去哥廷根前读到了这篇论文,因而知道海森堡这个大名。

经过这番历练,年轻的海森堡深为困惑。物理——尤其是量子——的研究方式完全不是他中学时想象的那样逻辑清晰、井井有条,既有数学的严谨又蕴含哲学的智慧。恰恰相反,玻尔和索末菲的原子模型逻辑上根本无法自圆其说,只是结果能与实验证据相符。这样通过光谱窥探原子的奥秘似乎与盲人摸象无异。如何知道自己摸对了、摸全了,如何确定此乃真实的物理?

玻尔表示深有同感。他坦白地告诉海森堡他也一样地没有把握,只是也只能依赖自己的直觉,摸石头过河。他已经认识到从熟悉的经典物理世界到量子世界本身也是一个量子式的跃迁,没法在逻辑上按部就班、顺理成章地平滑过渡。他告诉海森堡那原子的微观世界也许压根就是不可理解、没法用人类语言表达的。他们所做的模型不过是在尽可能地描述原子世界那些可以被观察、被理解的小部分。

同样对哲学情有独钟的玻尔还挺神秘地解释,物理就如同诗人的言辞。诗人并不那么关心事实本身,而会更关注于为事实勾画出美妙的图像和意境,建立内在的联系。

虽然不尽理解,玻尔这番肺腑之言扭转了青年海森堡对物理学、科学研究的原初想象和成见,开启了他的职业生涯。3

分手时,玻尔邀请海森堡毕业后找机会到他的哥本哈根研究所深造,一起尝试破解这些疑惑。


1922年11月13日,爱因斯坦乘坐的邮轮在赴日本途中在中国的上海短暂停留。他在那里受到当地知识、新闻界人士热烈欢迎,也接到他终于获得诺贝尔奖的电报。稍早,玻尔在哥本哈根也得到了他自己的喜讯。

那年,爱因斯坦的诺贝尔奖争议已经近似丑闻。法国的布里渊(Marcel Brillouin)在提名信中诘问:你们要好好想一想,如果50年后人们发现爱因斯坦不在获奖者之列会怎么反应?与他一起,包括普朗克、劳厄、索末菲、郎之万、瓦尔堡、奥森的17人为爱因斯坦提了名。

奥森那年加入了评委会。他刚从哥廷根的玻尔节回来,挺身而出要设法解开这个死结。一年前,奥森作为同事曾经辅助古尔斯特兰德研究相对论的现状,知道他很不靠谱,却极为固执。奥森决定避开相对论这个烫手山芋,改提光电效应。虽然爱因斯坦所依据的量子理论与相对论一样也还未被瑞典科学院成员接受,奥森强调爱因斯坦“发现”了光电效应背后的定律,那已经由密立根的实验证实。因此完全符合诺贝尔奖的标准。

这样,奥森提议将搁置的1921年奖补授给爱因斯坦,表彰他这一发现以及“他对理论物理的贡献”。为了避免误解,他还特意注明:那被表彰的贡献中没有包括未来也许会被证实的相对论和引力理论。4

为了加强效果,奥森建议同时将1922年的奖授予玻尔,因为玻尔的原子模型是爱因斯坦光电效应理论的延伸。他成功地赢得了古尔斯特兰德和阿伦尼乌斯的首肯,两个奖项都顺利得以通过。

虽然两年的奖同时公布,玻尔很庆幸他的奖排在爱因斯坦之后,免了在他尊敬的师长之前捷足先登的尴尬。他更兴奋地期待能与爱因斯坦同台领奖共享殊荣,却只能抱憾。当玻尔12月10日在斯德哥尔摩发表获奖演说时,爱因斯坦还在地球另一端的日本讲学。德国和瑞士为爱因斯坦的国籍发生了争执。妥协之后,德国驻瑞典大使在仪式上代爱因斯坦领了奖,再由瑞士的大使之后转交给爱因斯坦。

1923年7月,从亚洲回来的爱因斯坦借瑞典的一次会议补做了获奖演讲。他压根没有提及光电效应,而是着重地介绍了相对论,并提出他下一步的宏大构想:寻找一个能兼顾广义相对论(引力)和电磁作用的“统一场论”(unified field theory),并希望这样一个全面的理论能够解决量子概念中那些令他寝食不安的难题。

萊纳德没想到他反对相对论、犹太物理学的不懈努力会导致爱因斯坦最终以他所发现的光电效应得奖。至少在诺贝尔奖说明中,他们俩的名字永远地联系在一起。

虽然有点阴错阳差,爱因斯坦与玻尔继普朗克之后的联袂获奖奠定了量子在诺贝尔殿堂中的位置,也开启了诺贝尔奖接纳理论家的新时代。

在这场激烈争议的背后,玻尔的得奖一帆风顺。他从1917年起就开始被提名,呼声逐年增高。获奖的1922年,他有着11人的提名。获奖可以说是众望所归,毫无异议。

只是那丰富、扩展了玻尔原子模型的索末菲私下里非常纳闷他为什么没能与玻尔分享这个奖。在玻尔得奖之后,他一直在等待,期望还能得到来自斯德哥尔摩的青睐。从1917到他去世的1951年,索末菲总共会获得84次提名,在物理奖中首屈一指。然终其一生,他未能跻身这个荣誉行列。

(待续)

系列目录

1

牛顿唯一亲手做的是光学棱镜实验,参阅《宇宙膨胀背后的故事(之四):察言观色识星移

2

名为“反常”只是因为当时的理论无法解释,自然现象本身没有正常、反常之分。

3

玻尔和海森堡的这番——以及后来多次——的对话内容只有海森堡多年后一面之词的回忆,可能存在有意或无意的不确。

4

这个画蛇添足的注释似乎也为爱因斯坦将来以相对论再度得奖预留了机会。但评委会后来再也没有重启这一争端,相对论也就一直在诺贝尔奖中缺席。