诸“神”的盛宴

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  2016年9月,二十国集团(G20)领导人第十一次峰会在杭州举行,掌握着全球近90%GDP和近80%贸易额的20国集团首脑齐聚一堂,共商世界经济的未来。对于普通人来说,相比于全球经济走向,大家更关心来了哪些国家元首,毕竟从某种意义上来说,国家元首们也是大众心目中的“政治明星”。其实,除了G20,历史上还有许多“星光熠熠”的会议足以闪瞎观者的双眼,比如我们今天要介绍的“索尔维会议”就是这样一个集合了所有科学界“大神”的“全明星”会议。
  索尔维会议的诞生
  索尔维物理学会议是国际著名的科学会议之一。1911年在比利时工业化学家兼社会改革家恩斯特·索尔维(Ernest Solvay)资助下在布鲁塞尔举行了首次会议。索尔维物理学会议与通常的学术性会议不同,后者一般只公布已经获得一定成果的科学研究工作;而索尔维物理学会议却致力于讨论物理学发展中有待解决的关键性问题。每次会议都是由人数不多的、来自世界各国有关方面的最杰出的专家就一个专题进行讨论;首届索尔维物理学会议是在由于相对论和量子论的出现,而引起新概念同经典物理学理论的严重不协调的背景下召开的。从1911年召开第一次会议起,至今已举行过20多次。
  谁是索尔维
  恩斯特·索尔维,1838年4月16日生于比利时的雷别克·罗哥朗。父亲从小就给他灌输至高无上的社会责任感和生活操守的准则,这对他产生了毕生的影响。年青时他曾在马隆内作为寄宿生就学于弗雷尔学院,博览了许多化学与物理学方面的书籍,甚至在校学习时,就把自己的宿舍变成了一个化学试验室,把他的许多假日都花在了试验上。索尔维21岁时接受了舅舅的好意而进入工厂工作,这份工作使他有机会继续进行化学试验。他开始为生产纯碱而进行氨处理试验,并于1861年4月15日公布了他的第一个专利《关于利用海盐、氢和碳酸在工业上制造碳酸钠的技术问题》,这是19世纪工业化学领域最重要的进展之一。
  靠家庭的资助,索尔维在夏尔贝克建立了一个试验性的实验室,并迅速地获得了许多成果,这些成果为生产化学产品的比利时各公司提供制造纯碱的流程。1863年,索尔维在库耶创办了一个工厂并于1865年1月开始营运。由于他对技术方案的改进,使制纯碱流程情况大为改观,并显示出极强的生命力,到1867年日产量已达到8吨,随后产量成倍增加。索尔维立即寻求将他的企业变成国际性企业的道路。1872年,他在法国的多姆巴斯勒地区建立了一个工厂,它后来成为世界上最重要的苏打生产厂之一。此后,他在世界各地建立了20多个持有索尔维公司营业执照的股份制企业。索尔维的努力终于获得了非同寻常的成就,全世界都采用索尔维流程,从而使他变成了富豪。对索尔维来说,财富的追求并不是他的最终目的,他利用所拥有的财力和声望不断资助各种社会的及科学的规划机构,并给各种慈善事业和研究组织以巨额捐款。他一生始终保持简朴的习惯,不奢侈也不注重荣誉。1922年5月26日,索尔维在布鲁塞尔逝世,他的生活美德和工作态度给后人留下了美好的回忆;他所倡导和资助的索尔维物理学会议,为他在科学界奠定了永久的声望。
  能斯特运筹帷幄
  1910年春天,索尔维在布鲁塞尔他的合作者戈德斯米特(B.Goldschmidt)的住所会见了能斯特(W.Nernst)。能斯特曾是玻尔兹曼(L.Boltzmann)的门徒和奥斯特瓦尔德(F.Ostuwald)的助手,当时是柏林大学的化学教授和物理化学研究所所长。能斯特是一位具有多方面才能的人,一位有才华的物理化学家,他热衷于实际应用,对学生有着极强的影响力,而且还是一位能干的组织者;1889年,能斯特创立了电解波的电位和电导理论;1906年提出了热力学第三定律。在1905年去柏林以前,他在哥廷根已有了极高的学术声望和政治影响;后来因研究热化学,提出热力学第三定律的贡献而获1920年诺贝尔化学奖。
  在布鲁塞尔的戈德斯米特住所内,索尔维向能斯特讲了他关于万有引力及物质结构的想法,想知道这些想法能否引起像普朗克(M.Planck)、洛伦兹(H.M.Lorentz)、庞加莱(H.Poincarè)和爱因斯坦(A.Einstein)这些伟大的物理学家的注意。索尔维也对相对论和量子论的出现在经典物理学中所引起的危机很感兴趣。虽然索尔维是大企业家,但他希望把自己的著作《论万有引力和物质的基本原理的建立》提交出来以引起欧洲第一流科学家们的兴趣。能斯特由此看到了召开一次关于物质分子运动论和辐射量子论问题的最高水平国际会议的可能性,他向索尔维提出了自己的设想。这个设想立刻拨动了索尔维敏感的心弦,并得到他的即时响应,他委托能斯特进一步与普朗克、洛伦兹、爱因斯坦以及其他杰出的物理学家一起探讨这个问题。能斯特刚从布鲁塞尔回到柏林,就迅速着手将这个想法付诸实施。
  早在1910年前,能斯特就曾和普朗克商讨召开一次会议的可能性,以便借助于新思想来修改物质和辐射的经典理论,但普朗克当时不知道时机是否已经成熟。能斯特与索尔维在布鲁塞尔的会见给举行这次会议以新的契机。他把普朗克当时的态度理解为充分支持的表示,并立即与洛伦兹、克努森(H.C.Kundsen)联系,以便得到参加预定会议的人员的保证。同时他写信给索尔维,寄去了课题细节和邀请信的草稿。能斯特在产生了召集一次国际会议的念头之后,拟了一份简短的备忘录寄给被他尊崇为这个领域的思想领袖普朗克,普朗克于1910年6月给能斯特回复了一封持认可态度的信件。能斯特随后再一次去布鲁塞尔会见了索尔维,他把物理学基本原理的革命性变化和召开一次国际会议的必要性,描绘得那么激动人心,以致索尔维立刻答应资助这个会议。1910年7月26日,能斯特把一份用德文写的邀请书草稿寄给了索尔维,索尔维签署以后就把这份邀请书分别寄给了这个领域的18位最主要的物理学家。能斯特在他给索尔维的附信中,提议会议在1911年复活节过后即刻召开,并提议以布鲁塞尔为会议地点;会议计划要开一个星期左右,并希望把演讲以及随后的讨论汇编成书出版;索尔维同意了这些建议,能斯特随即投入了实际的筹备工作。他原先打算提名瑞利(J.Rayleigh)勋爵当会议主席,而瑞利勋爵对量子概念持否定的态度,还因为像他自己所承认的那样,他是一个“不善外语的人”。后来选定洛伦兹担任这个职务,这是一个更好的选择。能斯特同普朗克和洛伦兹一起制定了会议议程,决定了相应的演讲人,最后于1911年6月9日,正式向被委任的演讲人发出通知,其他与会者则在7月15日通知。能斯特提出一个要求,希望所有邀请书均由索尔维单独出面发出,不要提他自己的名字。可是,参加会议的人几乎没有一个不晓得能斯特的积极活动,他们都完全知道,他是这项事业背后的实际推动者。   被邀者积极响应
  洛伦兹是当时国际上理论物理学的权威,由于长于社交,善于辞令,具有幽默感,熟练地掌握多门外语,而且是一位和蔼可亲的人,因而被邀请担任会议的主席职务;并从1911—1927年间连续五次担任索尔维物理学会议的主席;他在国际物理学界的各种集会上,经常是一位很受欢迎的主持人。
  在会议邀请信发出不久,索尔维接连收到众多热情洋溢的回信。1911年7月8日,洛伦兹从莱顿写信给索尔维谈到他自己的情况:“虽然我在给能斯特教授的复信……已接受了在您倡议下,将在布鲁塞尔召开的这次科学会议的邀请,但是我仍要衷心地感谢您由于邀请我而给我的荣誉。同时请允许我告诉您,我十分欣赏您为科学的进步所做出的巨大努力,我完全同意您的计划。实际上,这些人数有限的物理学家,他们都认真地准备着计划中的重要议题,并毫无疑义地会精确地阐明各种困难问题,并且提出解决它们的办法……如果能为您的计划的成功贡献微薄力量,我将感到莫大的荣幸。”其他接受会议邀请的回信也都显示出极高的热情,没有一个人谢绝参加会议。
  这次会议除了比利时国王接见外,还安排了众多的其他活动,让科学家彼此熟悉和充分了解对方的工作。被邀的参加者都在复信中做出了热烈的反应,除去他们对这样一个会议主题盼望已久,也不排除一些人因被接纳进这个经过选择的狭小与会者的圈子而产生的荣耀感。
  世纪大争论
  现在,索尔维会议之所以被大众所熟知,还是因为第五次会议留下的那张著名的“全球最智慧照片”。其实,在这张全明星照片背后的故事远没有它表面上那么和谐,关于量子论的辩论让整场会议剑拔弩张,也让其成为了物理学历史上最著名的一次大会。
  量子论大流行
  量子论在诞生以后的5年里一直是普朗克的私人领地,从1905年开始,其他科学家们才在爱因斯坦带领下逐渐侵入这片领地。但所有这一切一直没归之于能斯特的功劳。能够清楚地说明他所起的作用的,正是他提出了召开一次讨论量子问题的国际会议的构想,邀请这个领域中的所有领袖人物参加,并且为此做了筹备工作。这次会议后来被称为第一届索尔维会议,并像能斯特所企求和预想的那样,成为量子物理学发展史上一个重要的里程碑。
  第一届索尔维物理学会议于1911年10月29日,在布鲁塞尔大都会饭店举行招待会,会议于10月30日开始,持续到11月3日。实际参加会议的18位被邀者当中,只有金斯(J.H.Jeanes)和庞加莱两人对量子概念抱明显否定的态度,但会议的结果使庞加莱改变了自己的观点。爱因斯坦应邀作闭幕讲话,题目是《比热问题的现状》,他对此作了极好的评论,而且还利用这个机会表达了他对电磁辐射的量子理论的看法,对当时固体的量子理论的研究产生了巨大的影响。
  到了1911年,量子概念不再是少数人的观点,而变成了许多第一流科学家所公认的一个具有重要意义的事情。其后的一代物理学家从一开始就被引到这个问题上来。这次会议的正式报告是1912年夏用法文发表的,1913年底出版了德译本。这份报告是一部关于量子问题的综合性手册。由于这次会议所讨论的是极端重要的问题,而且与会的又是当时第一流的物理学家,因此会议报告的出版强烈地激发了众多的物理学家来深入研究量子问题,并为其进一步发展提供了有利条件。
  但到了1927年,第五次索尔维会议时,一切都变了。
  华山论剑
  这次会议从1927年10月24日到29日,为期6天。会议明显地分成三派:只关心实验结果的实验派:布拉格(W.L.Bragg)和康普顿(A.H.Compton);哥本哈根学派:玻尔(N.Bchr)、玻恩(M.Born)和海森堡(W.Heisenberg);还有哥本哈根派的死敌:德布罗意(L.de Broglie)、薛定谔(E.Schrodinger),以及坐在台下的爱因斯坦。
  20世纪20年代,以玻尔、海森堡、玻恩等人为代表的“哥本哈根学派”开始流行。他们认为物理学的研究对象应该是可以被观察或实践的事物,而不是建立在观察不到或是纯粹的推论的基础上,在这种思潮引领下,他们建立起了矩阵量子力学。以海森堡的“不确定性原理”、玻恩的统计解释和玻尔的“互补原理”为基础,就产生了“哥本哈根解释”。年轻、激情是他们的标签,因而他们也被称为“反叛的一群”。
  与之相对,原先力推量子论的爱因斯坦早已不满量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为以玻尔为首的哥本哈根学派所诠释的量子力学不完备,但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的“上帝不掷骰子”的否定式呐喊!爱因斯坦直到过世前都没有接受量子力学的理论。对此,爱因斯坦还有另一个名言:“月亮是否只在你看着他的时候才存在?”
  会议的气氛从一开始便是火热的,像拳王争霸赛一样,重头戏到来之前先有一系列的垫赛:大家先就康普顿的实验做了探讨,然后各人分成了泾渭分明的阵营,互相炮轰。德布罗意一马当先做了发言,他试图把粒子融合到波的图像里去。泡利(W.Pauli)站起来狠狠地批评了这个理论,他首先不能容忍历史车轮倒转,回到一种传统图像中,然后他引了一系列实验结果来反驳德布罗意。众所周知,泡利“是世界第一狙击手”,谁要是被他盯上了多半是没有好下场的,德布罗意最后不得不公开声明放弃他的观点。幸好薛定谔大举来援,不过他还是坚持一个非常传统的解释,这连盟军德布罗意也觉得不大满意,泡利早就嘲笑薛定谔为“幼稚”。玻恩和海森堡躲在哥本哈根掩体后面对其开火,他们在报告最后说:“我们主张,量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假设是不能进一步修改的。”他们也集中火力猛烈攻击了薛定谔的“电子云”,后者认为电子的确在空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说:“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意,不过他依然坚持,谈论电子的轨道是“胡扯”(应该是波本征态的叠加)。玻恩回敬道:“不,一点都不是胡扯。”   爱因斯坦一开始按兵不动,保持着可怕的沉默,不过当玻恩提到他的名字后,他终于忍不住出击了。他提出了一个模型:一个电子通过一个小孔得到衍射图像。爱因斯坦指出,目前存在着两种观点,第一是说这里没有“一个电子”,只有“一团电子云”,它是一个空间中的实在,为德布罗意—薛定谔波所描述。第二是说的确有一个电子,而ψ是它的“几率分布”,电子本身不扩散到空中,而是它的几率波。爱因斯坦承认,观点Ⅱ是比观点Ⅰ更加完备的,因为它整个包含了观点Ⅰ。尽管如此,爱因斯坦仍然说,他不得不反对观点Ⅱ。因为这种随机性表明,同一个过程会产生许多不同的结果,而且这样一来,感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应,这似乎暗示了一种超距作用,从而违背相对论。
  风云变幻,龙虎交济,现在两大阵营的幕后主将终于都走到台前,开始进行一场决定命运的单挑。可惜的是,玻尔等人的原始讨论记录没有官方资料保存下来,对当时情景的重建主要依靠几位当事人的回忆。这其中有玻尔本人1949年为庆祝爱因斯坦70岁生日而应邀撰写的《就原子物理学中的认识论问题与爱因斯坦进行的商榷》长文,有海森堡、德布罗意和埃仑菲斯特的回忆和信件等等。
  海森堡在1967年回忆说:“讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗:当时的原子理论在多大程度上可以看成是讨论了几十年的那些困难的最终答案呢?我们一般在旅馆用早餐时就见面了,于是爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦、玻尔和我便一起走去会场,我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论,我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。在会议中间,尤其是会间休息的时候,我们这些年轻人——大多数是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验,而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。”
  爱因斯坦当然是不服气的,他如此虔诚地信仰因果律,以致于决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。然而,1927年这场华山论剑,爱因斯坦终究输了一招。并非剑术不精,实乃内力不足。面对浩浩荡荡的历史潮流,他顽强地逆流而上,结果被冲刷得站立不稳,苦苦支撑 。1927年,量子革命的大爆发已经进入第三年,到了一个收官的阶段。当年种下的种子如今开花结果,革命的思潮已经席卷整个物理界,毫无保留地指明了未来的方向。在1927年和1930年的第五届和第六届索尔维会议上,爱因斯坦站在哥本哈根学派的对立面提出了许多思维实验试图反驳玻尔,都被一一化解,但玻尔也始终不能说服爱因斯坦。这场争论被称为20世纪最著名的争论。爱因斯坦本是最初支持量子概念的人,现在却不接受它,令人唏嘘。他余生一直试图建立一个包容现有四种力(即:万有引力,电磁力,强作用和弱作用)的“统一场论”,但未成功。
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