患了「科學革命綜合症」|尼爾斯·玻爾

2017/03/29

■ 盧昌海 / 文

尼爾斯·玻爾(Niels Bohr,1885~1962),丹麥物理學家,原子物理學的奠基人。他在研究量子運動時,提出了一整套新觀點,建立了原子的量子論,首次打開了人類認識原子結構的大門,為近代物理研究開闢了道路。

玻爾也是一位卓越的科學研究工作的領導和組織者,1921年創建了哥本哈根理論物理研究所,並逐漸在物理學界形成了舉世聞名的「哥本哈根學派」。玻爾因在研究原子結構,特別是研究從原子發出的輻射所作的貢獻獲1922年諾貝爾物理學獎。

20世紀前半葉物理學史的最突出特點無疑是發生了科學革命——相對論革命及量子力學革命。如果除此之外還要歸納什麼東西的話,那就是在經歷了像量子力學革命那樣激動人心的科學革命后,那一代的某些物理學家似乎產生了強烈的「科學革命情結」。

一般認為,科學革命是年輕人的專長,科學史的發展也基本佐證了這一點,但經歷過量子力學革命的某些物理學家卻似乎是例外,在面對新挑戰時,已不再年輕的他們往往比年輕人更青睞於用科學革命的思路去解決問題,以至於一有風吹草動就懷疑理論基礎需做重大變革。這種現象不妨稱為「科學革命綜合症」。

在「科學革命綜合症」的「病人」中,狄拉克(PaulDirac)是很典型的一位,當量子場論被發散問題所困擾時,他一再表示應該對理論基礎進行變革,而且那變革將會像從玻爾的舊量子論過渡到量子力學那樣劇烈。與他那激情燃燒的「革命情懷」完全相反,像費曼(Richard Feynman)那樣的年輕物理學家們卻反而很實用主義地採取了非革命性的手段(重整化)來解決問題。

海森伯是另一個例子,當量子場論遇到困難時,他也認為局勢類似於當年的舊量子論時期,主張建立「新物理」,沿著那樣的思路,他陷入了自己的死胡同——非線性旋量理論。那一代物理學家不止一位患有這種「科學革命綜合症」。

BKS理論雖然壽終正寢了,但玻爾好像也患上了「科學革命綜合症」,這促使他在1929年左右又重新向能量動量的守恆發起了衝擊,試圖解決一個當時尚無答案的問題:β衰變中的能量問題。

當時所謂的β衰變,是指核子通過發射電子而進行的衰變。而所謂β衰變中的能量問題,是指原本被認為是由衰變前後的核子狀態所確定的電子能量,實際上卻被發現是連續分佈的,從而與能量守恆定律相矛盾。這一問題使玻爾重新提出了能量動量在基元過程中有可能不守恆的觀點。不過,他再次提出這一主張,實驗雖是直接契機,「科學革命綜合症」的作用卻也不容小覷。

在經歷了量子力學革命后,一個很容易被提出的問題就是:從宏觀尺度進入原子尺度時我們經歷了量子力學革命,從原子尺度進入到更細微的原子核尺度時,是否要經歷另一次科學革命?在玻爾看來這一問題的答案是肯定的。他並且將之與自己不久前提出的互補原理聯繫在了一起,認為「我們在這裡遇到了對描述自然現象的習慣模式進行更激烈變更的必要性,這種變更意味著對互補性觀點的進一步推廣」。

1929年,玻爾將自己的觀點寫成一篇題為「β射線譜和能量守恆」的短文寄給了泡利。在那篇短文中,他不僅提出了β衰變中能量動量不守恆的可能性,而且還設想這種不守恆性或許有助於解釋當時尚未蓋棺論定的太陽的發光之謎。不過有了上一次的前車之鑒,在給泡利的信中,玻爾謙虛地表示「我將很樂意聽取您有關所有這些的看法,無論您覺得適宜用多麼溫和或多麼嚴厲的語氣來表達」。泡利沒有辜負玻爾的信任,看完之後給出了很「溫和」的評價:「我必須說它幾乎沒給我帶來任何滿足」在作了若干技術性批評后,他的最終建議是:「讓這篇短文先休息一長段時間,並讓星星安靜地照耀它吧。

也許是泡利反對的緣故,玻爾最終沒有發表那篇短文。但他並未就此死心,在接下來的幾年間,他在信件、會議討論及公開演講中不止一次地提到核物理中能量動量不守恆的可能性。而泡利本人則於1930年提出了能量問題的正解,那就是β衰變在發射電子的同時還發射了一種看不見的中性粒子,是它帶走了一部分能量,使其餘部分看起來不守恆了。泡利提議的中性粒子就是我們如今所說的中微子(確切地說是反電子中微子),可惜對它的實驗證實是二十多年後的事,因而未能及時終止玻爾的第二次錯誤。

玻爾直到1936年才放棄能量動量不守恆的提議。那時雖然中微子仍未被觀測到,但義大利物理學家費米(Enrico Fermi)在中微子假設基礎上建立起來的四費米子相互作用理論得到了很好的實驗支持,使玻爾覺得問題已基本得到了解決。當玻爾最終從錯誤中走出來時,他不僅自己走出來了,而且對來自其他人的類似想法產生了抵禦能力。如前所述,當量子場論被發散問題所困擾時,狄拉克顯示出了「科學革命綜合症」的「癥狀」,他的一個早期提議很接近玻爾曾經犯過的錯誤,即認為能量動量有可能不守恆,他表示「物理學目前已面臨了不得不對基礎進行激烈變更的前景,這種變更包括了放棄我們依賴最深的某些原理(比如能量動量的守恆),而代之以BKS或與之類似的理論」。

但此時的玻爾已不再為這類提議所動了,他對狄拉克認真看待BKS論文的做法表示了「深受感動」,但對狄拉克的觀點本身卻表示「一點都不滿意」,他並且明確宣布那篇舊作(即BKS論文)「已經完成了自己的使命」。

科學史上幾乎沒有哪位偉大的科學家是從不犯錯的,真正不犯錯的往往反而是小角色。在寧靜小湖畔行走的人或許能不濕腳,在洶湧海浪前搏擊的人卻必然會沾水,偉大的科學家是後者而不是前者。

》第25卷第5期,原文題為「玻爾的錯誤」

為 BKS理論付出了大代價|尼爾斯·玻爾

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