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核科学群英谱(9):“战舰”贝特 精选

已有 4823 次阅读 2022-6-29 21:31 |系统分类:科普集锦


在著名物理学家中有些学者的天分很高,他们似乎对于所有问题都能以极快的速度抓住研究问题的核心并迅速得到正确的物理结果,因而能在许多前沿领域内都很活跃,而且干什么研究都能做成顶级水准。本文的主角汉斯-贝特就是这样的天才,他在多个领域取得重要成果,特别是在核天体物理方面的成就特别著名。贝特本人的故事很多,本文主要讲他在科学研究方面、特别是核物理和核天体研究方面相关的事情。

贝特1906年出生在斯特拉斯堡(现属法国,1906年属德国),他的父亲是一位大学教授、母亲(犹太裔)是一位大学教授的女儿。在他很小的时候,因为父亲不同任职而多次搬迁。在他10岁的时候他不幸染上肺结核被送到德国一个温泉小镇(Bad Kreuznach)康复,1年后去一所寄宿学校上学,1924年中学毕业去法兰克福大学读化学。当时法兰克福大学的数学方面很强,只是我们的主角不太欣赏这些数学家的理论方法;他一方面注意到自己实验技能实在令人不敢恭维,同时他对于物理系副教授盖拉赫(Walter Gerlach, 即原子物理中斯特恩-盖拉赫实验中的第二位学者,验证了角动量量子化)的高等物理越来越感兴趣。 1925年盖拉赫离开、迈斯纳[Karl Meissner, 不是发现超导体完全抗磁性的迈斯纳 (Walther Meissner)]接任,迈斯特推荐贝特去慕尼黑大学跟索末菲(Arnold Sommerfeld) 学习理论物理;于是他在次年如愿到慕尼黑大学索末菲那里学习物理方面的课程。索末菲那时已经大名鼎鼎,他经常受到他人寄来的文章,他在周末晚上集中讨论这些工作;而贝特去慕尼黑大学时,索末菲刚收到薛定谔关于波动力学的论文。索末菲给贝特博士论文的题目是晶体的电子衍射方面,后来贝特回忆说,那时他过于追求高精度而使得计算变得不必要的复杂。后来他第一次见到泡利(Wolfgang Pauli,1945年诺贝尔物理奖获得者) 时,泡利说:“我从索末菲那里听说过你的故事,我对你比对你的论文期望大多了”。在1928年取得博士学位之后,贝特现在法兰克福短暂做马德隆(Erwin Madelung, 即晶体静电能的”马德隆常数”的那位学者)的助手,不久去 Technische Hochschule 工作,在那里他完成了他本人很满意的一个成果,即基于薛定谔方程、利用傅里叶变化得到一个碰撞问题的简单公式,现在称为贝特公式。不久索末菲推荐他申请了一个基金到海外做博士后,他去了卡文迪许实验室,导师是Ralph H. Fowler (物理学家、天文学家, 1888-1944); 1931年他去了意大利恩里科-费米的实验室,他非常喜欢那里,对自己没有先到罗马而遗憾,至此他可以说得到了索末菲在逻辑严格方面和费米在图像简单方面的真传。

他在1932年返回德国索末菲研究组后,他帮助索末菲指导来自英语国家的博士后,他这段时间写了一个量子力学手册,这本手册直到1959年再版时几乎不用修订,索末菲又请他些一个金属中的电子方面的手册,这个手册内容称为后来物理学标准课程《固体物理》的构架基础,这两个手册能迅速成书而且内容非常精准是他的第一个传奇,这充分表明了贝特具有超乎常人的学习、理解、综合和总结能力,他每到一个新的领域都能迅速、完整而准确地掌握这个领域的背景和成果,并预知下一步发展方向。

1932年他刚接受图宾根(Tubingen)大学的教职不久,因为德国政治开始右倾化,贝特因为家里犹太人背景而被学校解雇,索末菲帮助他回到慕尼黑。1933年贝特离开德国去了英国曼切斯特大学,当时他与朋友佩鄂斯 (Rudolf Peierls) 的交流使他对核物理产生了浓厚的兴趣,当时查德威克和他的学生古德哈勃 (Maurice Goldhaber) 当发现氘核光致离解反应,查德威克让他们考虑这个实验的理论解释,结果贝特和佩鄂斯在从剑桥回曼切斯特路上乘车的四个小时内就把问题解决了,这是贝特在物理学研究的第二个传奇故事,表明他具有闪电式地抓住物理问题本质并迅速给出正确解答的能力。

贝特1935年去美国康内尔大学,当时的系主任对于在那里发展核物理很重视,这方面有一个很好的环境。为了防止有人把贝特挖走,康内尔大学很快给他一个助理教授的职位并许诺很快提升为正教授。1936年贝特和同事一起(以贝特为主)连续在 Reviews of Modern Physics 期刊发表三篇综述文章,全面总结了那时原子核物理的理论体系。我们在“核科学群英谱(7): 核结构标准模型的建立者—迈耶和简森”一文中曾直接引用过该文的一段,解释那个时期人们对于壳模型的看法。这三篇文章在此后很多年被很多人称赞为”贝特的圣经(Bethe’s bible)”。他能在如此短的时间内成为核物理方面的顶级专家,可以说是他在快速领会学习新研究前沿课题并能正确综合总结方面的第三个传奇。当时有其它学校给他教授职位,结果康内尔大学马上给他正教授的位置并且工资也翻了一番。那时的贝特可谓意气风发,他甚至偶尔在家人面前自我标榜,他在给母亲的信中说“我在美国可是主流理论家。虽然我还不是最好的, Wigner 肯定比我强一些,而奥本海默(J. Robert Oppenheimer, 美国曼哈顿计划的领导、“原子弹之父”)和泰勒(Edward Teller, 美国“氢弹之父”)和我是相当的”。

1938年卡内基研究所和乔治-华盛顿大学举办一个理论物理会议,会议有不少著名学者如钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1983年诺贝尔物理奖获得者)、伽莫夫、冯-诺伊曼(John von Neumann,二十世纪著名学者)、泰勒(Edward Teller)等。因为会议主题是恒星能量方面,他起初不感兴趣;是泰勒说服他参加的;而这次会议对于贝特的学术生涯是很重要的,这直接导致了贝特最重要的一个成就,即关于恒星内部能量产生核反应过程的研究。

为了说明这个成就,这里简述一下人类关于恒星能量起源认识的前期发展。我们略去20世纪以前对于太阳的那种信仰式观点,历史上第一个比较严肃的假说是卢瑟福在1904年提出的放射性衰变假说,因为那时人们对于放射性认识还不太久, 卢瑟福的进步在于他认识到太阳辐射能量的来源是核过程;第二个是亚瑟-爱丁顿(Arthur Eddington,英国天文学家、物理学家、数学家,通过日全食观测验证广义相对论这一著名实验的主持人) 的聚变机制 [A. S. Eddington, The Scientific Monthly Vol. 11, No. 4, 297 (1920)。 下载页面:https://www.jstor.org/stable/6491?seq=1;A. S. Eddington,  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 77, 16–35  (1916).], 他正确地指出太阳的能量来源是质子合成氦过程所释放的能量]。爱丁顿提出这个学说当时是有物理基础的, 那时人们根据爱因斯坦的相对论已经认识到,很少的质量亏损可以提供巨大的能量,而且那时已经大体知道由4个质子到氦核质量亏损约0.8%,只要太阳内含有 5% 是氢就可以提供这部分能量;当然现在我们都知道,太阳内部主要是氢。在20年代初期,量子力学还没有完整地建立起来,而太阳内部温度太低了(1500万度),在经典情况下这个温度无法使得质子有足够的动能发生核的合成,量子力学的隧道贯穿效应使得质子在低得多的温度下克服静电排斥而足够接近。不管怎样,[虽然没有获得诺贝尔奖]爱丁顿的这个成就是非常非常伟大的,他正确指出了恒星辐射能量的起源。

在1938年那次会议的前夕还有一个插曲。在1937年伽莫夫和外兹扎克(Carl Friedrich von Weizsacker) 提出,太阳内部的质子-质子合成氘核过程是太阳能量的来源。在会议结束的时候,贝特和泰勒的一位博士研究生(Charles Critchfield) 提出一系列反应道说明质子和氘核如何通过多步过程完成聚变、合成氦核。他回到康内尔后,仔细考虑相关反应道以及对应的截面,得到了恒星产生能量的所谓碳氮氧(CNO)循环系列核反应,因此他总共发表了二篇文章,一篇与 Critchfield合作 [关于p-p(质子-质子反应)链,Phys. Rev. 54, 862 (1938)]、另一篇是独立完成[关于CNO 循环,Phys. Rev. 55, 103 (1939)]。当然,现在认识到p-p链有多个分支,与 Critchfield的p-p链论文是其中的一个分支;p-p 链与CNO 循环是恒星产生能量的最重要过程,其中前者是太阳或比太阳质量略小的恒星产生能量的主要过程,而后者是质量大于太阳质量1.3倍的恒星产生能量的主要过程。贝特关于解释恒星能源产生方面的贡献导致他获得了 1967年的诺贝尔物理奖。

与当时在美国其它核物理学家一样,贝特参与了曼哈顿计划[洛斯阿拉莫斯实验室理论部的主任],并深度参与了氢弹的研制,甚至他私下里自称为氢弹的接生婆(“… I think it is more precise to say that Ulam is the father, because he provided the seed, and Teller is the mother, because he remained with the child. As for me, I guess I am the midwife”.)。

贝特在核天体物理做了很多重要工作,他发展了贝特-法捷耶夫方程并在此基础上研究中子星,与Gerald E. Brown (常被人称为Gerry Brown)合作研究超新星、中子星和黑洞等。常言道“十年磨一剑“,贝特每十年都有很重要的成就,一直到90多岁还在努力工作,可谓是科学家的楷模。其中在85岁高龄时还发表一篇关于太阳中微子方面的重要文章[Phys. Rev. Lett. 65, 2233 (1990)],解释电子中微子转变为缪子中微子的机制,为此他认为中微子有质量,而这一思想直到他差一个月快过95岁生日前(2001年6月)才证实。在国际引力波探测 (LIGO) 合作组早期,Kip Thorne (2017年诺贝尔奖获得者) 关于引力波咨询贝特和Gerry Brown, 他们两人因此发表了一篇关于双中子星并合方面的重要文章 [Hans A. Bethe and G. E. Brown, ApJ 506, 780 (1998)]. 当然,贝特在 Lamb 移动方面也做出了很重要的贡献[Phys. Rev. 72, 339(1947)]。因为他这些接连不断的重大贡献以及对于科学问题刨根问底的方式,贝特被昵称为”战舰“。

贝特作为科学家也有诙谐的一面。在他二十多岁的时候(1930年)在卡文迪许实验室与另外二位博士后伪作了一篇文章,里面有一些荒诞的内容,诸如大名鼎鼎的爱丁顿 (Arthur Eddington)尝试解释原子物理的精细结构常数之类,后来他们三个人还为此被逼道歉。贝特还参与了一件很多人可能觉得不合适的一件事,就是他在1948年被署名了一篇重要的文章,所谓Alphar-Bethe-Gamow 文章 (Phys. Rev. 73, 803 )[非常巧的是这篇文章刚好发表在4月1日愚人节那天,不知道是伽莫夫特别要求安排的还是出版社碰巧那天付印的];当然这件事的主谋是伽莫夫,在投稿之前其实贝特没有参加这个工作,伽莫夫当时也仅仅为了让作者姓名听起来有点儿像希腊前三个字母alpha、beta、gamma; 贝特对这个署名没有明确反对,因此只是从犯;不过这件事倒是促使贝特研究宇宙大爆炸的核合成问题。

作为一名有良知的学者,贝特一直坚持和平利用原子能,他是科学界禁止在大气层、外太空、水下核武器试验的“部分核实验条约“(1963年)、反弹道导弹条约(1972年)的主要呼吁者之一,在八十年代与其它物理学界反对里根总统的”星球大战计划“。

虽然年青时代曾经因为染病休学一年,但是贝特很长寿 (1906.7.2 到2005.3.6,接近99岁)。贝特的一生是正直勤奋的一生,也是热爱科学、献身科学的一生;他不仅是原子核物理学家的骄傲,而且是整个科学界的楷模。






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