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哥本哈根學派創始人:不會踢足球的物理學家不是一個牛逼的教育家,與愛因斯坦相愛相殺

2019-08-27  hercules0...

超模君就來講講這個建立了哥本哈根學派,拿過諾貝爾物理學獎,跟愛因斯坦相愛相殺的物理界男神玻爾!


尼爾斯·玻爾


1

足球?物理?


1885年,玻爾出生在丹麥的哥本哈根,父親是哥本哈根大學的生理學教授,母親出身于一個富有的猶太人家庭,弟弟后來成為了劍橋大學的數學教授。


玻爾一家

從小,天賦異稟的玻爾不僅是當地有名的學霸,還特別擅長運動,俗稱“別人家的小孩”。


1903年,18歲的玻爾,以優異的成績考入了丹麥排名第一的哥本哈根大學,專攻物理,業余時間還玩得一手好球!

本以為玻爾會一直專心致志地研究物理,沒想到被球探發掘,和弟弟哈那德·玻爾一起成為了著名足球運動員,兩兄弟(一個主力門將,一個主力前鋒)稱霸丹麥足壇。

哈那德·玻爾和尼爾斯·玻爾

1908年倫敦奧運會,弟弟代表丹麥奪得了足球銀牌;而哥哥只能候補,作壁上觀。

至于玻爾為什么被列為后補,那就有點意思了!

聽說別家隊伍正在外圍努力遠射時,作為主力門將的玻爾卻在比賽途中,倚在門柱邊思考數學題

賽后還被別人發現,那個門柱被寫滿了各種公式,以至于教練一氣之下,把玻爾列到后補去了!


后來,兩兄弟不再玩足球了,弟弟哈那德·玻爾搖身一變,成為了劍橋大學的數學教授,還建立起周期函數研究的主要基礎。

而哥哥尼爾斯·玻爾則開創了哥本哈根學派,后來還成為科學史上,與愛因斯坦一時瑜亮的超級巨星。


2

哥本哈根學派創始人


1913年,玻爾開始研究原子輻射問題,寫出了具有劃時代意義的長篇論文——《論原子和分子的結構》,提出了量子不連續性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質,構建了原子結構的玻爾模型。

這也是首次將量子概念應用于原子、分子結構中得到的成果,玻爾不僅因此獲得了1922年的諾貝爾物理學獎從普朗克手里接了棒,正式成為了新一代量子力學的掌門人

普朗克


雖說玻爾一戰成名,但在自己國家,遠遠不及“著名足球運動員”這個頭銜出名,畢竟當時丹麥報紙普遍采用的標題是:《著名足球運動員尼爾斯·玻爾被授予諾貝爾獎》
1920年9月,玻爾一心籌建的哥本哈根理論物理研究所(即玻爾研究所)終于建成。

哥本哈根理論物理研究所

令人意想不到的是,這個研究所剛建成不久,便吸引了無數熱愛物理的年輕人以及世界知名物理學家。
海森堡、克拉邁爾斯、狄拉克、泡利、赫韋希、哈爾特列、朗道、派耶爾斯、周培源等無數位杰出物理學家都曾來到這里進行學術研究。

朗道、泡利周培源

所以,常常會有人問玻爾,為什么能夠聚集那么多有才能的年輕人?

一向不拘小節的玻爾如此回答:沒有什么秘訣,只有一點是清楚的,我不怕在年輕人面前承認自己的無知。
無論是評論一篇最近發表的文章,還是向大家介紹個人所做的工作,研究人員都可以隨心所欲地發表個人見解。

正如玻爾所說:“不僅要依靠少數科學家的能力與才華,而且要不斷吸收相當數量的年青人,讓他們熟悉科學研究的結果與方法。只有這樣,才能在最大程度上不斷地提出新問題。通過青年人他們自己的貢獻,新的血液和新的思想就不斷地涌入科研工作。


在這樣平等、自由、團結的學術研究氛圍下,很多物理學最深奧的問題都得以解決,就這樣慢慢形成了“哥本哈根學派”。


3

玻愛”之爭



說到這,就不得不提到物理界的另一位男神——愛因斯坦,兩人相愛相殺,在物理界“撕了大半輩子的逼”。

1920年,玻爾與愛因斯坦相識于德國柏林,初次見面,其樂融融。


不過,至此之后,他們兩個便圍繞關于量子力學理論基礎的解釋問題開始了終身論戰,只要一見面,就會唇槍舌劍,辯論不已。

而“玻愛之爭”最負盛名的三個回合,分別是在1927 年、1930 年以及1935年的索爾維會議上。

  第一回合  

我們先來看看1927年的第五屆索爾維會議合影,可謂是前無古人后無來者的物理盛會。
愛因斯坦舉著相對論大旗,頭頂光電效應的光環,玻爾高舉著他的“氫原子模型”,玻恩口口聲聲念叨著“概率”,德布羅意騎著他的“波”,康普頓西裝上印著“效應”二字,狄拉克夾著一個“算符”,薛定諤挎著他的“方程”,身后還藏了一只不死不活的“貓”,布拉格手提“晶體結構”模型,海森和他的同窗好友泡利形影不離,兩人分別握著“不確定原理”和“不相容原理”,埃倫費斯特也緊握他的“浸漸原理”大招牌,還有居里夫人“鐳和釙”、洛倫茲的“變換”、普朗克的“常數”、朗之萬的“原子論”、威耳遜的“云霧室”等等。


迄今為止物理界最豪華陣容

這次會議分成兩派,一派是以愛因斯坦為首的理論物理學家(薛定諤、德布羅意等),一派是爾掌門的哥本哈根學派(海森堡、泡利等),兩邊人數、實力旗鼓相當。

在本次的索爾維會議上,玻爾首先進攻,基于海森堡提出的不確定原理作出了大膽的推論:粒子運動的軌跡是不確定的

海森堡的不確定原理


愛因斯坦卻完全否定海森堡的不確定原理,認為一個完備的物理理論應該具有確定性、實在性和局域性。

但玻爾也不含糊,立馬反駁,“關鍵一點在于我們無法分清所看到的到底是原子本身的行為,還是原子與測量儀器之間的作用,在觀察存在的偉大舞臺上,我們既是觀眾,又是演員”。

波爾此番推論就像一個重磅炸彈,完全顛覆了傳統物理關于“實在”的認識,立即在物理界引起了軒然大波。

對此,愛因斯坦舉了個一針見血的例子(一個α 射線粒子的例子):“很抱歉,我沒有深入研究過量子力學,不過,我還是愿意談談一般性的看法。”


不過,波爾很快證明了愛因斯坦所舉的例子與他的推論并不矛盾。

最終,在1927年索爾維會議上,以玻爾為首的哥本哈根派大獲全勝。
但是,在正式會議結束之后幾天的討論中,火藥味就濃多了。根據海森堡的回憶,那段時間,愛因斯坦總會在早餐桌上,向玻爾拋出一個又一個的思想實驗,但玻爾每次都能夠輕松化解!

  第二回合  

3年后,即在1930年的第六屆索爾維會議上,早有準備的愛因斯坦在會上提出了著名的思想實驗——光子盒
在這個實驗里,時間和能量可以做到同時準確測量,因此,不確定原理是不成立的。

愛因斯坦的光子盒

走出會場后的玻爾一直在喃喃自語:如果愛因斯坦是對的,那么物理學就完了!”,第二天就基于愛因斯坦自己的相對論,證明了這一個思想實驗是有缺陷的。

廣義相對論

盡管愛因斯坦有被玻爾震驚到,但還是“嘴硬”地說了句:“量子論也許是自洽的,但卻至少是不完備的!”。
雖然玻爾用愛因斯坦的廣義相對論回擊了光子盒實驗,但心里也是不踏實的,因為他自知這是自己投機取巧所得到的推論,其中還有很多嚴格的概念需要澄清。因此玻爾一直耿耿于懷,直到1962年去世,人們發現玻爾實驗室的黑板上還留著愛因斯坦光子盒的圖。

最終,第二回合的論戰,他們兩個誰都沒有說服對方,這局就算平局了!


  第三回合  

“玻愛之爭”的第三個回合,就到了1935年,這場論戰達到了它的頂峰。

這次,愛因斯坦不再單打獨斗,聯手波多爾斯基、羅森,拋出了一份題為《量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文,其中設計了一個粒子衰變為兩個粒子的判決實驗,對玻爾為首的哥本哈根派進行反擊。
這一反擊就是物理學史上著名的“Einstein-Podolsky-Rosen疑難”,這個悖論涉及到微觀世界的物理實在問題。

玻爾不是吃素的,面對愛因斯坦等人的反擊,以測量儀器與客體實在的不可分性為理由,否定了EPR論證的前提———物理實在的認識論判據,從而否定了EPR實驗的悖論性質。

可惜的是,玻爾的異議及其論證有點模糊,所以愛因斯坦等人并不承認玻爾的理論。

愛因斯坦認為,盡管哥本哈根學派的解釋與經驗事實一致,但作為一種完備的理論,應該是決定論的,而不應該是或然的、用概率語言表達的理論。

最終,第三回合的論戰,也以平局告終!
而對于這場發生在20世紀最偉大的兩位物理學家身上的爭論,眾多物理學家都給予了高度的評價。

美國物理學家約翰·惠勒(John Archibald Wheeler)就曾這樣說過:“沒有矛盾和佯謬,就不可能有科學的進步。約麗斑駁的思想火花往往閃現在兩個同時并存的矛盾的碰撞切磋之中。

約翰·惠勒

這兩位20世紀最偉大的科學家,就這樣一生都未曾停止過相愛相殺,而當事人爾認為這場爭論是自己“許多新思想產生的源泉”,愛因斯坦也對玻爾給予了極高的評價:他將大膽和謹慎兩種品種難得地融合,無疑是我們科學領域最偉大的發現者之一”


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