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第43章 艰苦卓绝的科学大家(2)

二战结束后,他从和平主义立场出发,致力于建立世界政府和永远消灭战争的运动。他的政治活动的另一个重要内容是反对核战争,要求终止核武器研究,完全、无条件禁止核武器并清除现有核武器储备;反对美国扩军备战,反对限制和剥夺公民自由的麦卡锡主义。一些右翼分子污蔑攻击他是美国的“敌人”,威胁要取消他的美国公民身份,扬言要传讯他。爱因斯坦以大无畏的精神,拒绝传讯作证,声明即使“必须坐牢和准备经济破产”也决不屈服。爱因斯坦关心世界和平与民主,但他的研究却从未因政治活动而中止过。1952年,以色列政府推举他担任总统,他婉言谢绝了。

广义相对论完成后,他主要致力于相对论的发展和完善工作。在理论物理的核心中蕴涵许多哲学问题,因此,他在晚年从事了相当多的哲学探索。在爱因斯坦的后期研究中,继续探索真理追求创新,最富雄心的是构造统一场理论的努力。爱因斯坦试图以统一形式的理论描述电磁场和引力场,如果这一理论获得成功,自然界的和谐与统一将得到最完美的阐述。遗憾的是他没能取得成功。

1955年4月18日凌晨1时25分,爱因斯坦在普林斯顿因病逝世。根据他的遗嘱,没有举行葬仪,也没设坟墓、纪念碑和纪念殿堂。然而,他的个人品格却具有永恒的价值和魅力,在现代文明史上树起了一座不朽的丰碑。

尼尔斯·玻尔——与爱因斯坦并驾齐驱的革命旗手

回顾二十世纪的科学史,人们听到最多的总是爱因斯坦,以至于与他同处在那个物理学黄金时代的另一位科学家的光芒被掩盖,他就是为世人所公认的原子结构学说之父尼尔斯·玻尔。

尼尔斯·玻尔全名尼尔斯·亨利·戴维·玻尔,1885年出生在丹麦的首都哥本哈根,1911年在哥本哈根大学获博士学位。之后便前往英国剑桥,在以发现电子而闻名的科学家汤普森的指导下从事研究。几个月后他又去往曼彻斯特,与在几年前发现电子核的欧内斯特·卢瑟福合作。当时,卢瑟福公布了他的研究发现:原子中心有一个重核,周围有电子,而大部分是空间。这一发现与从前的学说是截然不同的。玻尔在卢瑟福的基础上,很快就发展了自己崭新的原子结构学说,他那篇具有划时代意义的论文《论原子和分子结构》于1913年发表在《哲学杂志》上。

玻尔学说指出原子就像一个微型的太阳系,电子在重核周围的轨道上旋转。其中一个极其重要的差别就是经典物理学定律认为行星轨道的大小可以是任意的,而玻尔假定原子的电子只能在某些大小确定的轨道上旋转,只有轨道半径使整个原子的全部角动量是普朗克常数的倍数时才有可能,而中介值不行。每个确定的轨道都具有与其相关的确定能量。当一个电子从一个确定的轨道跃迁到另一个确定的轨道时,辐射出来的光的频率就等于能量的变化再除以普朗克常数。

玻尔学说代表着对经典物理学说的一次彻底突破。一些富于想象力的科学家(如爱因斯坦)迅即称颂玻尔的论文是一部杰作,虽然起初有许多其他人对新学说提出了质疑,但玻尔学说经受住了关键性的检验,圆满解释了氢原子光谱。玻尔原子学说的一个很大的优点在于它从几个简单的假说出发,以惊人的准确性解释了氢原子辐射的所有谱线(颜色)的精确长度。而且玻尔学说预示有更多的谱线存在,这些谱线以前并未观察到,而不久就被实验所证实。此外玻尔原子结构学说第一次明确地解释了原子为什么具有它们所有的体积。由于具备这些令人信服的证据,玻尔学说很快就得到公认。1922年,玻尔也因些而获得诺贝尔物理奖。

1920年哥本哈根成立理论物理学研究所,玻尔就任所长。在他的指导下,众多才华横溢的青年科学家纷至沓来,使该所很快就成为世界上主要科研中心之一。

玻尔于1921年结婚,当时正值他从事科研工作的黄金时代。但他的原子结构学说却陷入困境。主要问题在于玻尔学说虽然成功地解释了只有一个电子的原子(如氢原子)的光谱,却不能正确地预示出其它原子的光谱。有些科学家对玻尔学说在解释氢原子方面的绝对成功深受启发,企图对它稍加修正就能解释较重原子的光谱。玻尔首先认识到稍加修正仍无济于事,必须彻底修正。

他本人没能找到解决问题的方法。这个方法是在1925年被海森堡等人找到了。他们是在1925年着手于这项研究工作的。有趣的是海森堡和大多数对发展新学说有贡献的其他科学家们都在哥本哈根做过研究工作。在那儿通过开展讨论和相互间的密切影响,玻尔本人拥护了新学说,并通过讨论和写作,促进新学说的系统化。

在30年代,玻尔把注意力转移到原子核结构问题上。他创造了重要的原子核“液滴模型”,还提出了反应堆中的“复核”学说。此外,玻尔还正确指出了参与核裂变的铀的同位素U235,这对后来发展原子弹具有重大意义。

1940年德国军队占领了丹麦,玻尔的处境十分危险,只因为他坚决反对纳粹分子,且母亲还是犹太人。

1943年他设法逃出了丹麦来到瑞典,同时,他还帮助许多丹麦籍犹太人潜逃出境。他从瑞典飞到英国,又从英国辗转到美国。在美国,他帮助制造了原子弹。

二战结束后,玻尔返回哥本哈根,在理论物理所从事研究工作,直到1962年去世。他生前有五个儿子,其中阿基·玻尔于1975年获得诺贝尔物理奖。

虽然玻尔最初的原子结构学说在五十多年前就已被取代,但是他在20世纪仍不愧为最伟大的人物之一。是他第一次深刻揭示了原子的内部结构,创建了无与伦比的哥本哈根学派,并作为学派的精神领袖奠定了量子力学的基础,他所提出的互补原理与海森堡的测不准原理,构成了量子力学哥本哈根诠释的重要支柱。即使现代科学家认为玻尔原子图像实际上不正确,它也具有重要的启发价值。也许所有理由中最重要的是玻尔学说给量子力学发展带来的动力。就算其中有些已被取代,也不难看出他的学说已被历史证明是现代原子学说和以后发展起来的量子力学的起点。但不管怎样,玻尔已经成为最受民众爱戴的科学家之一,他的品格和人道主义精神激励着后人。

罗伯特·奥本海默——原子弹之父

既是著名的犹太裔美国物理学家和政治活动家,也是“原子弹之父”的罗伯特·奥本海默已被载入人类史册。他在原子能的控制与利用方面所进行的广泛的政治活动也深刻地影响了人类社会。

1904年4月22日,罗伯特·奥本海默生于美国纽约市。他的父亲朱利叶斯·奥本海默年轻时从德国移居美国,是一位成功的商人。母亲埃拉·弗里德曼是一位画家。家境富裕,奥本海默从小受到了很好的教育。

奥本海默是一位少有的天才,公认的神童。他在5岁时即能够收集地质标本,曾在纽约德育学校学习。1922年进入哈佛大学,3年时间就读完大学4年的课程,1925年以优异的成绩毕业。

奥本海默兴趣广泛,但只有物理学才是他真正志向所在。当时美国的物理学尚不发达,毕业后他只身前往欧洲学习物理学。

当时正值理论物理学发展的黄金时代。经典物理学理论的弱点在人们对原子内部结构的探索中暴露了出来。爱因斯坦、普朗克、玻尔等人的伟大思想已经为新物理学的诞生提供了基础,物理学界几乎把全部精力都投入到原子理论的研究中。1925年前后,一大群二十几岁的小伙子如雨后春笋般,成为物理学舞台上引人注目的明星。一大批崭新的理论和思想接连诞生,一个个令人费解的难题在新理论中得到解决,一个个革命性的突破相继实现。当一个新的理论发现刚刚公布,人们往往还没来得及领悟它的含义,就又有一个伟大的发现诞生了。似乎在短短一瞬间,原子的大门向人们大大地敞开了。

在物理学革命的大潮中,奥本海默如鱼得水,他凭借敏捷的头脑迅速领悟到新理论的核心,并加入到理论研究的前沿。1925年奥本海默来到英国剑桥大学,1926年5月发表了第一篇论文。当时距德国物理学家海森堡关于新量子力学的第一篇论文发表还不到一年,奥本海默已充分掌握了海森堡的新方法,用以解决分子带状光谱的频率和强度问题。同年7月,他发表了第二篇论文,讨论了氢原子,提出了连续光谱问题,并且讨论了如何用公式表示连续光谱波函数归一化的问题。

奥本海默在科学界崭露头角,受到了麦克斯·玻恩的赏识。1926年,他应玻恩之邀来到哥廷根。当时玻恩已经是举世闻名的大物理学家,哥廷根理论物理研究所的学术带头人,而当时的哥廷根是能与哥本哈根相匹敌的最重要的理论物理学术中心之一。奥本海默开始在玻恩的指导下从事研究,二人合作研究出处理分子的电子自由度、振动自由度和转动自由度的方法,现在此方法已成为量子理论的重要内容,被称为“玻恩—奥本海默法”。1927年春,他获得博士学位,此后又在莱顿和苏黎世从事研究。

1929年,奥本海默接受了在伯克利的加里福尼亚大学和加州理工学院的学术职位,回到美国。他继续从事了大量的尖端性研究,几乎涉及到当时物理学中全部重点科研课题,取得多项成果。在加里福尼亚期间,他成为一名重要的物理学权威和学术带头人。

奥本海默其貌不扬,据查姆·伯曼特描述,“他头部狭窄,个子瘦瘦,耳朵尖尖,长得獐头鼠目”,但他崇高的声望、渊博的学识、精湛的造诣吸引很多人前来求教;他敏捷的思维、谦虚坦率的作风、锋芒毕露的个性和对人无微不至的关怀使人们对他仰慕不已。后来,他的许多学生都成了一流的学者。

起初,奥本海默的全部精力都花在科研和教学上,没时间看报纸,闲暇时则学习梵文。但到了30年代中期,他开始关心政治,有一段时间卷入了左翼集团的思潮。这为他的政治生涯奠定了基础,同时也为1953年的不幸事件埋下了祸端。

1940年,奥本海默与凯瑟林·哈里森结婚。

20世纪30年代,美国的物理学已相当发达,1933年至1941年期间,有100多名难民物理学家为逃避纳粹的迫害来到美国,极大地充实了美国的科研力量。在欧洲学术衰落之际,美国一跃成为世界学术中心,完全具备了制造原子弹的科研实力。1939年10月,美国总统罗斯福接受爱因斯坦的建议,着手发展原子弹的研制工作。1941年12月,美国政府的安全受到了严重威胁。尤其令人不安的是,拥有强大科研能力和战争资源的德国完全可能造出第一枚原子弹。美国政府终于痛下决心,拨出大量资金和人力进行原子武器的研制。

自1939年起,奥本海默一直在考虑原子能的释放问题。1941年,他终止了一切个人的研究工作,全力投入“曼哈顿工程”。1942年初,他受命负责快中子和原子弹问题的工作。这项研究触及到许多未知的问题,而这些问题又分给许多小规模的实验室。也因此,工作效率受到极大的限制。奥本海默认识到这一问题,建议把研制武器的工作集中在一个实验室内。主管“曼哈顿工程”的莱斯利·格罗夫斯接受了他的建议。事实证明,这一明智之举为研制工作争取了宝贵的时间。

格罗夫斯接受奥本海默的意见,选择新默西哥州的洛斯阿拉莫斯为实验室所在地,并且任命奥本海默为实验室主任。在此之前,奥本海默几乎没有管理方面的经验,让他主管一个如此规模的实验室颇为勉强,然而,让一个原子物理方面的外行担此重任将是更加危险的。在地道的美国科学家中,奥本海默几乎是唯一的人选。