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量子纠缠背后的故事(卅二):二度难产的诺贝尔奖 精选

已有 3104 次阅读 2021-1-28 08:27 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

在那个让物理学家人心振奋的1930年代初,已经问世30年、逐渐被接受为学界最高荣誉的诺贝尔物理学奖却在1931和1932年连续两年空缺。在瑞典的评奖委员会人员眼里,当时居然没有值得表彰的人选。

这个奖上次出现这种状况时还是1921年。那时的委员会为爱因斯坦的资格争执不下只好暂时搁置颁奖。老资格的阿伦尼乌斯和古尔斯特兰德认定爱因斯坦的理论不符合诺贝尔遗嘱中设定的条件:为人类福祉做出显著贡献的“发现或发明”。

当43岁的奥森在1922年加入这个委员会时,他成为其中第一名理论物理学家。他也同样认可“发现或发明”应该是确切的实际结果或被实际证明的预测,不能只是理论的推断。

但他机灵地施展乾坤大挪移,以爱因斯坦在光电效应中发现而且被证实的规律解开了死结,让委员会避免了难以摆脱的尴尬。由此,爱因斯坦最引人注目的相对论从未得到过诺贝尔奖的肯定。但他的光电效应解释基于量子理论,却为后者的获奖另辟蹊径。在爱因斯坦获得被延迟的1921年奖同时,玻尔搭上顺风车赢得1922年的物理奖。作为量子理论的创始人,他俩得以双星联袂,倒也不失为诺贝尔奖的佳话。

几年过后,阿伦尼乌斯和古尔斯特兰德相继去世,奥森成为委员会中首屈一指的权威。爱因斯坦和玻尔的旧量子理论也已成为历史,被新一代的新理论迅速取代。

从1927年开始,新理论的代表人物薛定谔、海森堡相继获得提名。他们的呼声也随着理论被广泛接受而逐年增高。奥森每年兢兢业业地审查、报告所有被提名人的贡献。他指出新量子力学还只是数学推理,没能带来切实的“发现或发明”。那几年,物理学奖延续传统,接连颁发给实验物理学家。获奖者中包括发现光子散射的康普顿和发明云室的威尔逊。

1929年的诺贝尔奖终于别具一格,授予了理论家德布罗意。他那奇异的物质波有了实验证明,成为货真价实的新发现。随后的1930年,物理奖又重回实验领域:拉曼(Chandrasekhara Raman)因为在光散射中的新发现成为印度也是亚洲的第一个科学类诺贝尔奖获得者。

薛定谔和海森堡在那几年中一如既往地获得多人提名。奥森也始终如一地坚持他们的理论不满足“发现或发明”的条件。他还指出这个新理论也不像索末菲的旧量子理论那样包括了狭义相对论,尚未完成。

于是,当年爱因斯坦成就斐然却连年无法获奖的戏剧在薛定谔和海森堡身上重演。甚至有人模仿奥森当年的暗渡陈仓,在提名中强调海森堡曾在最早尝试计算氢分子光谱时提出因为两个原子核自旋方向不同会出现两种不同的氢分子(分别为“正氢(orthohydrogen)”与“仲氢(parahydrogen)”),即“自旋异构体(spin isomers)”。这个预测已然被证实,应属于与爱因斯坦光电效应相当的新发现。奥森对这一说法倒没有异议,但调侃如此成就应该为海森堡提名化学奖。

这一次,他们内部的争执甚至超过了十年前,最终导致1931和1932两年持续未能发奖。按照诺贝尔的遗嘱,当年空缺的奖可以在下一年补发。但如果下一年仍然没有合适人选,就只能永久地过期作废。1931年的诺贝尔物理学奖因而付诸东流。在那之前,这个奖还只在1916年时因为第一次世界大战而完全空缺过。

这个荒诞的局面自然让众多物理学家极其沮丧。也与十年前一样,从普朗克、爱因斯坦、玻尔到泡利、费米等重要角色都相继加入提名行列,试图施加压力扭转局面。玻尔过去的助手克莱因已经成为瑞典的知名教授,也积极地参与了游说。不料,转机在1933年意外地出现。

那年,狄拉克也获得了一个提名。作为后来者,他的声望远不如海森堡和薛定谔。他的理论也是在矩阵、波动力学基础上的延伸。然而,正电子在安德森的云室中的出现彻底改变了奥森的立场。因为狄拉克,量子力学终于有了与爱因斯坦光电效应、德布罗意物质波同样被实验证明的新发现。并且,狄拉克方程融合了狭义相对论,又去除了奥森内心中另一个障碍。

当1933年的诺贝尔奖揭晓时,物理奖既属众望所归又因其分配方式令人瞠目。在奥森的安排下,海森堡因“发明”量子力学并“发现”氢分子自旋异构体独享补发的1932年奖。1933年的奖则由薛定谔和狄拉克平分,表彰他们“发现”原子理论中的新方法。

海森堡很不好意思。他的矩阵力学是在玻恩和约旦发扬光大之后才真正“发明”了量子力学,不该由他独享这一殊荣。薛定谔因为与狄拉克分享而觉得平白无故比海森堡矮了一截,颇有微词。狄拉克则完全没有想到自己会栖身获奖行列。他对这一荣誉会带来的社交麻烦恐惧万分,第一反应是干脆拒绝。老道的卢瑟福提醒他那样只会招惹更多的注意力,狄拉克才很不情愿地踏上了领奖之途。

也正是由于诺贝尔奖委员会莫名其妙的运作,旧量子理论和新量子理论在相隔11年前后都出现了奖项难产后的联袂颁发。1922年时,爱因斯坦在东亚旅行,并未能与玻尔同台领奖。1933年底,海森堡、薛定谔和狄拉克同时来到了斯德哥尔摩,在那里的火车站不期而遇。

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1933年12月9日,前来领取诺贝尔奖的薛定谔(右一;留意他的穿着)、海森堡(右二)和狄拉克(右三)在斯德哥尔摩火车站相遇。分别陪同他们的是海森堡的母亲(左一)、薛定谔的夫人安妮(左二)和狄拉克的母亲(左三)。

薛定谔与他的结发妻子安妮同来。仍然单身的海森堡和狄拉克则由他们各自的母亲陪伴。海森堡的父亲刚去世不久。狄拉克没有邀请他长大过程中专制、蛮横的父亲。与沉默寡言的狄拉克相反,他那从来没出过远门的母亲成了媒体明星,四处兴奋地为记者提供各种花絮。她也细致地观察着三位获奖者的表现,发现年长的薛定谔总想以三人之首自居,好出风头而不得;海森堡阳光热情;而她的宝贝儿子则总是拼命躲避着各方的注意力(但狄拉克也有出彩的一刻:在颁奖仪式上致辞时,他出乎意料地阐述起经济、社会问题并鞭笞资本主义制度的弊病,令举座茫然)。

10年前,爱因斯坦事后到瑞典补做领奖演讲后曾就近访问哥本哈根。那是他唯一一次踏足玻尔以及量子的大本营。这次,玻尔也邀请新一代的获奖者顺道来哥本哈根继续庆祝。曾经在那里病倒还惨遭玻尔“虐待”的薛定谔谢绝了好意。在玻尔那豪华的嘉士伯府邸里,海森堡意气风发,亲自上场为当地歌星的献唱提供钢琴伴奏。狄拉克却只是偷偷溜回自己房间休息。入夜后,玻尔又会去将他揪下来。客人已经散去,那是他们讨论物理问题的好时光。

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很少参与诺贝尔奖提名的爱因斯坦最早在1931年10月致信委员会提名薛定谔和海森堡。他在信中直言表达自己的犹豫:那两人对量子力学的贡献彼此独立,又都相当显著。他们各自都当之无愧,不应该只是分享荣誉。但爱因斯坦却难以定夺哪一个更应该先得到嘉奖。他认为薛定谔的波动方程更有前途,因而是更高价值的成就(这里他特地加上脚注表明只是一己之见,不一定正确)。但在理论的突破上海森堡显然早于薛定谔,拥有优先权。最后,爱因斯坦决定:如果由他做主,他会把奖先发给薛定谔。

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爱因斯坦在1931年10月10日写给诺贝尔奖委员会的提名信。(信头地址之“Caputh”是他的别墅所在地。)

他这封提名信发出的时间早已错过1931年的截止期,因而被当作1932年的提名。1933年,爱因斯坦只提了薛定谔,干脆没有再包括海森堡。也许属于意料之中,玻尔那几年持续提名海森堡和薛定谔,并一直将海森堡列在首位。爱因斯坦和玻尔都没有提过狄拉克的名。他们也绝不曾预料到最后的结局。

但爱因斯坦在这个提名上的彷徨也不只是薛定谔与海森堡之间的孰优孰劣。他在信中解释量子力学的贡献应该获奖的缘由时写道:“以我之见,这个理论无疑包含了终极真理的一部分。”

在量子力学的本质问题上与哥本哈根正统鏖战多年后,爱因斯坦也无法忽视量子力学——尤其是薛定谔的波动方程——在原子分子光谱、原子核衰变和人为嬗变、反粒子等一系列实际问题上所取得的辉煌成就。这样的理论即使不尽合理,也应该会有着其正确的一面。

只是,纵然有着正确的成分,他依然无法肯定量子力学已经是科学的真理。

× × × × ×

当海森堡、薛定谔和狄拉克在北欧领奖欢庆时,爱因斯坦已经在美国安家落户。

1929年9月,就在美国股市大崩溃的前夜,在新泽西州经营百货公司的一家子急流勇退,将家族产业出售给纽约市大名鼎鼎的梅西百货公司。那兄妹俩都没有子嗣后代,便将套现的巨额财富的一部分与职工分享,其余全部用于公益事业。1930年5月,他们以500万美元起始资金支持的“高等研究院”注册成立。第一任院长弗莱克斯纳(Abraham Flexner)雄心勃勃,要把它建成一个自由学术的乐园。在这个别具一格的研究院里,学者们生活无忧,没有教学负担,无需参加无聊的会议。他们也没有任何任务指标、年终评比,可以如同诗人、作曲家一样心无旁骛地追求自己心目中“没用的知识”。(弗莱克斯纳后来以《无用知识的用处(The Usefulness of Useless Knowledge)》为题发表了他的办院宣言。)

这个诱惑显然对爱因斯坦有着特殊的吸引力。他在1932年回绝加州理工学院和牛津大学的盛情,成为这家研究院的第二位受聘专家。

当弗莱克斯纳询问爱因斯坦对薪金的要求时,爱因斯坦小心翼翼地提出每年三千美元的价码。弗莱克斯纳目瞪口呆,干脆撇开这位科学大师改与他夫人艾尔莎谈判。他们很快达成协议,支付爱因斯坦一万五千美元的年薪。那是当时美国也是全世界科学家的最高档次。(作为院长,弗莱克斯纳自己的年薪是两万美元。)

让弗莱克斯纳更为瞠目结舌的却是爱因斯坦提出的另一要求:必须同时聘请他的助手梅耶(Walther Mayer)。

梅耶是个年轻的单身汉,爱因斯坦完全不是像薛定谔那样醉翁之意不在酒。从1929年起,梅耶就一直担任爱因斯坦的助手。即使是爱因斯坦与艾尔莎每年跨大西洋到美国访学时,他的私人秘书杜卡斯(Helen Dukas)和梅耶都永远地伴随在旁。

与玻尔必须在同他人交谈的过程中才能有效工作的风格相反,爱因斯坦的创造性思维永远是他自己孤独的努力。自从普朗克和能斯特以特殊待遇将他聘入柏林大学之后,他就是一个不讲课的教授,也从来没有过自己的学生。他乐此不疲,还经常开玩笑建议政府应该雇用理论物理学家担任海岸灯塔的守灯人,让他们能有更多没有外界干扰的时间独自思考、发现。

但在进入50岁之后,爱因斯坦也深感力所不逮,无法再自己对付广义相对论、统一场论中越来越繁复的数学推演。梅耶是数学博士,正好成为爱因斯坦不可或缺的助手。几年下来,他赢得了一个绰号:“爱因斯坦的计算器”。

弗莱克斯纳心目中的高等研究院成员都是世界首屈一指的学界明星,梅耶显然不合要求。他非常不情愿从一开始就来上一个降格以求的先例。但在爱因斯坦顽固的坚持下,他也只好让了步。何况,梅耶也是犹太人,独自留在德国会前途莫测。

爱因斯坦在1933年10月上班时,那高等研究院还并不存在。他们只是临时在就近的普林斯顿大学数学系新楼中租借了几间办公室,等候自己的大楼破土动工。那时他们也只有寥寥五名正式成员,其中包括冯·诺伊曼和外尔。本来就每年在普林斯顿大学访问半年的冯·诺伊曼已经爱上了美国,趁这个机会扎了根。在哥廷根接替导师希尔伯特退休后席位的外尔收到聘请后犹豫了两年,几经反复。最后他还是在希特勒上台、自己精神崩溃后才下定决心投奔新大陆。

弗莱克斯纳虽然被迫接受了梅耶,却也只是给了他一个永久职位,并没有把他算作正式成员。爱因斯坦对这个安排不尽满意,但梅耶本人更让他失望。在人身安全、职业都有了保障之后,梅耶不再愿意专职为他人打下手。他也对统一场论也没有兴趣,一头转回了自己的纯数学研究。爱因斯坦还是不得不另觅助手。

或者说,他不得不热情面对主动找上门来的年轻人。那在普林斯顿并不缺乏。

第一个来敲他办公室门的是刚刚获得博士学位的罗森(Nathan Rosen)。他在麻省理工学院师从当年在哥本哈根的BKS论文风波中梦魇一场的斯莱特,曾做了统一场论方面的硕士论文。爱因斯坦很感兴趣,当即建议他来研究院“共同研究”。兴奋的罗森很快成为研究院的博士后。

按照欧洲传统,研究院每天下午3点供应茶点,让大家惬意地聊天交流。1934年的一天,罗森在下午茶时不经意地向爱因斯坦提起他曾经计算过氢分子光谱。他觉得那很奇妙:在量子力学中,氢分子的两个原子只能共享同一个量子态,无法存在各自独立的量子态。罗森觉得不可思议。他不知道爱因斯坦多年前已经在他的鬼场中看出这个“分离性”大问题。海森堡在为氦原子的两个电子构造波函数时也发现过同一机理。

他们的交谈吸引了旁边另一位年轻人的注意。那便是曾在加州理工学院与爱因斯坦和托尔曼合作发表过论文的波多尔斯基。离开加州理工学院后,波多尔斯基回到苏联老家,跟着正好在那里访问的狄拉克研究过量子电动力学。之后他也是在爱因斯坦的推荐下又来到高等研究院继续深造。

爱因斯坦、托尔曼和波多尔斯基当初发表的那篇论文没有引起注意,但波多尔斯基自己却印象深刻。当时他们设想在爱因斯坦的光子箱上开两个孔,让两颗光子同时向相反方向逃出。因为光子原来在箱子里处于同一个量子态,它们离开箱子后无论跑出多远,其波函数还是会紧密地联系着。

波多尔斯基意识到两个原子的氢分子和两个电子的氦原子其实都是开了两个孔的爱因斯坦光子箱。当两个原子或电子由于互相作用形成同一个量子态时,它们就会永远地联系在一起。如果这时让它们在空间上彼此分离,各自向相反的方向运动,那就是光子箱假想试验的一个更为直观的实现。他立即向爱因斯坦提议继续探讨这个非常有意思的问题。爱因斯坦微笑颔首。

近一年后的1935年5月4日,《纽约时报》冷不丁地发表了一篇题为《爱因斯坦攻击量子理论》的新闻。

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1935年5月4日《纽约时报》报道“爱因斯坦攻击量子理论”的标题部分。

这篇报道的标题部分便提纲挈领地归纳了其全部内容:“【爱因斯坦】与两位合作者发现【量子理论】虽然‘正确’却还没有‘完备’”“【他们】看到存在更完备理论的可能”、“相信一个‘物理现实’的完整描述终将出现”。


(待续)




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