■盧昌海/文

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾(1885 ~ 1962)是原子物理學的創(chuàng)始人。他在研究量子運動時，提出了一整套新的觀點，建立了原子的量子理論，第一次為人類打開了認識原子結構的大門，為現代物理研究開辟了道路。

玻爾也是科學研究的杰出領導者和組織者。他于1921年創(chuàng)立了哥本哈根理論物理研究所，并逐漸形成了世界聞名的物理學“哥本哈根學派”。玻爾因其對原子結構，特別是原子發(fā)射的輻射的研究做出的貢獻而獲得1922年諾貝爾物理學獎。

玻爾作為著名的量子理論先驅，對長期開啟量子時代的“光量子”概念持熱烈態(tài)度。說“拒絕”可能有些夸張，但說“不熱衷”可能還不夠。恰當的說法可能是“否定”，即“能不用就不用”，甚至是為不用付出一定的代價。他的態(tài)度幾乎一直持續(xù)到舊量子論時期結束。

有些人可能認為這種態(tài)度本身就是錯誤的，但平心而論，雖然這種態(tài)度對一個量子理論的先驅來說有些出乎意料，但在當時并不是錯誤的，因為當時的實驗并沒有把光量子的概念支持到一種判斷的程度。但是玻爾的否定態(tài)度并沒有錯，只是他為這種態(tài)度付出的代價比他同時代的大多數人都要高得多，而且因為他放棄了能量和動量守恒而變成了錯誤。

玻爾錯誤的時機是戲劇性的。大多數喜歡物理學史的讀者都知道，早期對光量子概念的支持主要來自兩個實驗現象:早期的是光電效應，促使愛因斯坦提出了光量子的概念；后一組是康普頓效應。玻爾因為對光量子概念持否定態(tài)度而放棄了能量和動量守恒，就在美國物理學家阿瑟·康普頓發(fā)現康普頓效應之后。

當然，這并不是因為玻爾看不上實驗，而是因為有具體的原因和機會。

原因是康普頓在發(fā)表他的實驗結果時(1923年)，他觀察到的是X射線被物質散射后波長(進而頻率)發(fā)生了變化。雖然這個結果與經典電磁理論相矛盾(根據經典電磁理論，電磁波被物質散射后頻率不會改變)，但它與光量子的概念是一致的——荷蘭物理學家彼得·約瑟夫·威廉·德拜和康普頓本人都用光量子的概念解釋了實驗結果，但不足以決定性地支持后者，即證明光量子本身的真實性。由于康普頓當時的實驗比較粗糙，不可能觀察到基本過程(即單個光量子與電子的相互作用)，因此只能證明光量子概念在平均意義上的有效性。其實不僅僅是康普頓效應，還有早期的光電效應，只能證明一般意義上的光量子概念的有效性。正是這種美中不足給了玻爾機會。

當康普頓在美國取得這些進展時，在歐洲消息靈通的玻爾幾乎立即得知了這個消息。1923年底，他親自訪問美國，與康普頓等人有直接交流。1924年初，在給英國物理學家歐內斯特·盧瑟福的一封信中，玻爾描述了他對美國之行的感受。這封信清楚地表明了他對波動理論的支持和對光量子概念的否定態(tài)度。康普頓對光量子的解釋，對于像他這樣把波動理論當作信條的人來說，簡直“可怕”。

機會是一個年輕的美國物理學家，約翰·斯萊特，碰巧在1923年底參觀了玻爾所在的哥本哈根。在那次訪問中，他帶來了一個關于輻射和物質之間相互作用的有趣想法，這引起了玻爾和他的合作者荷蘭物理學家亨德里克·克拉默斯的興趣。這三人很快共同撰寫了一篇題為《輻射的量子理論》的論文。那篇論文中提出的理論后來被三個姓氏的首字母稱為BKS理論(論文本身被稱為BKS論文)。正是那篇論文記錄了玻爾的錯誤。

BKS理論主要包含三位作者的三個核心思想。第一種想法是所謂的“虛擬輻射場”，它被認為是不同原子之間的聯(lián)系，具有誘導量子躍遷的作用，這是斯萊特的貢獻；第二種想法是基于光量子的概念，放棄不同原子對輻射的吸收和發(fā)射之間的因果關系。這個模糊的想法就是Kramos的想法；第三種想法是拋棄原始過程中的能量守恒和動量守恒，將其弱化為一個統(tǒng)計規(guī)律，這就是玻爾的想法。玻爾提出這個想法的動機是什么？歸根結底是想調和原子能級變化的不連續(xù)性和波動理論所要求的輻射能變化的連續(xù)性之間的矛盾，或者說對光量子概念的否定態(tài)度在起作用。

在BKS理論的三個核心思想中，斯萊特的思想是核心中的核心?？梢哉f，如果沒有斯萊特的哥本哈根之行，就不會有玻爾介入這個理論，這也是我們?yōu)槭裁捶Q之為偶然性的原因。但是斯萊特指責玻爾的錯誤顯然是不公平的。因為早在1919年，在與斯萊特建立任何聯(lián)系之前，玻爾就在與同事的通信中反復提到放棄能量和動量守恒的想法。

事實上，正是斯萊特反對玻爾把放棄能量和動量守恒塞進BKS理論。在后者最初的想法中，他不僅沒有拋棄能量守恒和動量守恒，甚至還為光量子的概念留了一席之地，只是因為無法與玻爾的口才相抗衡而同意了玻爾的觀點。后來，當BKS理論被實驗證偽時，玻爾向斯萊特道歉，但斯萊特委婉地表示他不介意，但近40年后(玻爾去世時)，他在接受采訪時對玻爾表示強烈不滿，甚至用了“我從未向玻爾先生表示過任何敬意，因為我在哥本哈根度過了可怕的一天”這種罕見的語氣。

此外，BKS論文的另一位作者克拉莫斯曾經反對玻爾的光量子觀，放棄了能量和動量守恒?？上皇遣柕膶κ?。他被后者的日夜辯論弄得筋疲力盡，被送進了病房，最后同意了玻爾的意見。

BKS理論引起了許多物理學家的注意。在玻爾的名聲和口才的影響下，很多人叛變了。比如即將建立矩陣力學的維爾納·海森堡，一開始持懷疑態(tài)度，說從這個理論中“看不到實質性的進展”，但參觀完哥本哈根之后，玻爾“洗了腦”，他的變節(jié)不算，玻爾的觀點也被“說教”給梅克斯·玻恩。在后來給玻爾的信中，玻恩介紹了“布道”的結果:“我想告訴你，我對你在輻射理論上的新實踐感到多么高興”，“雖然我只聽了海森堡的口頭簡報，但我相信你的新理論是正確的，在某種意義上是這些問題的最終答案”。

即將建立波動力學的歐文·薛定諤也表示了普遍認同。在給玻爾的信中，他不僅對自己的最新想法表示了“極大的同情”，還表達了對這種想法的長期興趣。但有趣的是，他隨后沿著玻爾的觀點進行的分析，導致了能量的不確定性、單個系統(tǒng)的不穩(wěn)定性等推論，似乎用回到塞繆爾的方法來反駁玻爾，以至于尼爾斯·玻爾文集第五卷主編克勞斯·斯托爾岑堡在介紹這段歷史時，簡單地把薛定諤的觀點稱為“熱力學反駁”?？紤]到薛定諤幾乎是愛因斯坦之后的反哥本哈根人物，他對玻爾觀點的“極端同情”到底是真正的“愛”還是圓滑的“外交”，就有點難說了。

就連以思維犀利、批判犀利著稱、享有“物理學良心”、“上帝之鞭”美譽的年輕大師沃爾夫岡·泡利，也沒能抵擋住玻爾的口才，在訪問哥本哈根時追隨海森堡的腳步投奔了玻爾。畢竟泡利就是泡利，沒有海森堡和玻恩那么容易糊弄。他在離開哥本哈根后不久醒來，在給玻爾的信中宣布:“你成功地屏蔽了我強烈反對這種解釋的科學良知。但這只能持續(xù)很短的時間.....今天，我已經成為一個完全反對這種解釋的物理學家。此后泡利的反對從未動搖過，直到BKS理論破產，以至于玻爾后來說泡利“長期以來對我們的哥本哈根反叛毫無同情心”。

連泡利都沒能擋住玻爾的影響(雖然只是暫時的)，說明玻爾的首席科學家地位沒有被吹。但是，盡管玻爾影響很大，還是有一個人一直旗幟鮮明地反對BKS理論。這個人是誰？他是玻爾的老對手愛因斯坦。在了解了BKS理論后，他在給玻恩的信中毫不含糊地表達了他的反對意見，并在后來寫了一段著名的話，那就是如果BKS理論是正確的，“我寧愿做一個鞋匠，甚至賭場雇員，也不愿做一個物理學家”。愛因斯坦也提出了許多具體的反對意見。除了思維敏銳之外，泡利在離開哥本哈根后之所以這么快就改變了態(tài)度，是因為愛因斯坦的觀點也起到了一定的鼓勵作用(泡利在改變態(tài)度之前就已經和愛因斯坦討論過BKS理論)。

對BKS理論的最后一擊是實驗性的判斷。這個判斷來得很快。BKS論文發(fā)表僅一個月左右，德國物理學家瓦爾特·博特和漢斯·蓋格就完成了一篇重要論文，對康普頓效應進行了詳細的研究，初步結果對BKS理論非常不利。第二年(1925年)4月，他們公布了改進后的結果。與此同時，康普頓本人和他的合作者也發(fā)布了更復雜的研究成果。這些結果表明，康普頓散射中反沖電子與散射光之間存在明顯的同時性和角相關性，這是玻爾等人可以利用的一個細節(jié)，因為最初的康普頓實驗未能揭示這一點。這個細節(jié)與BKS理論完全矛盾，因為BKS預言的散射光發(fā)射在時間和方向上是隨機的，與反沖電子沒有明顯的同時性和角相關性。那些更復雜的研究也直接證實了基本過程中的能量和動量守恒，從而判玻爾的觀點死刑。

面對無可辯駁的觀察事實，玻爾終于投降了。1925年4月21日，在給英國物理學家拉爾夫·福勒的一封信中，他承認“除了為我們的革命努力舉行盡可能光榮的葬禮之外，別無他法”。在給德國物理學家詹姆斯·夫蘭克的一封信中，他悲傷地說，“我感到非常不幸，我不知道該怎么辦。我只想引用瑞利勛爵的話給你，‘有些最了解我的人覺得我應該比現在更自信，也許他們是對的’。信上署名“你不幸的波爾”。