量子力学革命，因为他们而发生

本书说的是七名物理学家，六男一女，参加了1932年4月在哥本哈根举行的一次小型年度集会。说实话，其中真正出席的只有六人。缺席的那位是沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），本来他打算跟前些年一样也参加的，但后来在那年春天，却决定去度假。不过我们也会看到，他在精神上与他们同在。

哥本哈根大学理论物理研究所（即现今的尼尔斯·玻尔研究所）。图源：wikipedia

如果让物理学家们来评选20世纪最顶尖的十大物理学家，大部分人都会把这七人中的四位——尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、保罗·狄拉克（Paul Dirac）、维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和沃尔夫冈·泡利——列上去。无论是谁来列选这个世纪最重要的实验物理学家，七人中唯一的女性莉泽·迈特纳（Lise Meitner）也肯定会榜上有名。七人中还有一位名叫马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück），在这次会议后不久就转行去了别的领域，但他仍一直自视为物理学家。后来他成了现代分子生物学的奠基人之一，在该领域的十大科学家中也有其一席之地。他们所有人，都教导了未来整整一代的科学家。七人中的最后一位，保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest），也许算得上是他们当中最伟大的老师。

1933 年，哥本哈根会议的与会者。前排左起：玻尔、狄拉克、海森堡、埃伦费斯特、德尔布吕克和迈特纳。第二排的卡尔•弗里德里希•冯•魏茨泽克在玻尔正后方，派尔斯在第二排最右。第三排右起第二位是布洛赫，第四排最右是维克托•韦斯科普夫。

物理学很幸运，因为在这样一个时刻，在那么多人的创造和影响下，发生了名为量子力学的伟大科学革命。实际上我们可以说，这场革命就是因为他们才发生的。20世纪的物理学还有一次重大的离经叛道，那就是相对论，而量子力学革命的发展与相对论截然不同。1905年提出的狭义相对论和1916年提出的广义相对论完全是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）一个人的功劳。此外，无论是狭义相对论还是广义相对论，在爱因斯坦最早提出时就已经是基本完整的形式，不需要改进，也不需要做出进一步阐释。但是，量子力学是在经历了漫长的积累期后，才于1925年到1926年间成形的，其细节随着时间的推移而不断演变，关于其含义的争论也持续了很多年。跟相对论不同，量子力学是很多人共同努力的结果，在推敲量子理论的过程中，他们常常会为其中一些结论而吵得不可开交。那一时期量子力学的最终版本，也就是所谓的哥本哈根诠释并没有被普遍接受，就连这场科学革命的部分缔造者都对此抱有异见。质疑从未停止。

泡利、海森堡、狄拉克等人一起创造了非凡的成就，而在实际意义上，这些成就给我们生活带来的改变，比20世纪其他任何科学变革都更加剧烈。这场科学革命带来的创造发明，比如晶体管和激光，既是影响我们日常生活的实际应用，也是未来进行研究的工具。

维尔纳·海森堡（1901-1976）在1933年。图源：维基百科

然而，本书讲述的是科学发展中的人，不仅描述这些物理学家做了什么，也讲述他们是如何做到的，他们自己又是什么样子的人。本书重点讲述这七个人的故事，但其他人也发挥了重要作用。至于说他们都是什么样子，这个问题无法一语道尽，因为跟其他随便什么团体一样，物理学家之间也是千差万别的。在他们当中，我们会看到有喜欢交际的人也有内向孤僻的人，有见异思迁的人也有忠贞不贰的人，有从不挪窝的人也有满世界游荡的人；有的人很有节制，有的人嗜酒如命。他们当中热爱音乐和喜欢登山的可能多得不成比例，但原因或许是有人就是这么告诉他们的，说物理学家都喜欢干这些事。他们的工作习惯也千差万别：有人喜欢一大早就开始干活，也有些人是夜猫子；有人总是独来独往，也有些人需要跟同行议论相长。但量子理论的这些奠基人有一个共同点：他们都是理论物理领域的天才。

1906年的莉泽·迈特纳(1878-1968)。她是发现放射性同位素镤和核裂变的主要贡献者之一图源：公共领域

他们还有一个共同特征，也许跟他们都是理论物理天才是有关系的。有三位科学家都出生于1900年到1902年之间，也都因为早慧而卓尔不群——泡利、海森堡和狄拉克，在二十多岁时就已成为该领域初创工作的领头羊。几位老一辈的理论物理学家，特别是玻尔、爱因斯坦、马克斯·玻恩（Max Born）和埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），在这场科学革命中同样发挥了极为重要的作用，但主要参与者都年轻有为仍是这场革命的显著特征。步入而立之年时，他们全都已经显露出自己的能力，也已经在这个领域声名鹊起。更准确地说，除薛定谔之外，他们在三十岁之前都已经取得了重大成就，而薛定谔也可能只是因为在二十五岁到三十岁之间恰逢第一次世界大战而去服了兵役，才延缓了自己在学术方面的发展。

保罗·狄拉克(1902-1984)。图源：Wikimedia Commons

在所有这些物理学家当中，有一位显得尤其与众不同，不仅因为他的思想和成就，也因为他对这个领域及其他人的个人影响。在玻尔的讣告中，海森堡写道：“玻尔对我们这个世纪的物理学和物理学家的影响比任何人都大，就连爱因斯坦都比不上他。”乍一听你可能会觉得，这就是讣告当中常见的那种溢美之词，但海森堡并不喜欢言过其实。读到这句评语我也很惊讶，因为我们这代人对玻尔并不这么看（我承认，我也是理论物理学家，但很难跻身天才之列）。但我越是深入探寻，就越发现这句话有多实在。这一评价并不是在比较学识上的贡献后得出的，因为爱因斯坦在这方面的贡献显然比玻尔要大得多。它说的是玻尔的风格如何影响了物理学家们思考和工作的方式，他们如何一个个地同时也是同心协力地努力寻找答案，如何跟他们的导师、同行和学生建立联系。通过施加这种影响，玻尔也成了20世纪人们最敬爱的理论物理学家。

尼尔斯·玻尔（1885-1962）。图源：AB Lagrelius & Westphal, Public domain, via Wikimedia Commons

是的，敬爱。青年物理学家对所有这些伟人都会感到敬重和钦佩，但敬爱又是另一回事。然而在一本本回忆录中，物理学家们说到玻尔时，这个词总会反复出现。本书有很大一部分就致力于解释为什么会这样，在玻尔的人格中，他的行为、他的思考和工作方式中，究竟是什么让人们对他这么深情。

人们喜爱玻尔有很多因素，其中之一是玻尔从不矫揉造作，或者说装腔作势。他身上完全没有个人野心和夸夸其谈的痕迹，尽管他们这些天才中似乎本来也很少有人有这种需求。他们对自己的地位全都心知肚明，然而玻尔对这种事情有一种近乎孩童般的天真。此外，为了让别人的工作得以改进、生活得以改善，他也不遗余力。有无数的例子表明，很多人能够得到自己的职位、开创自己的事业，有时候甚至是能够活下来，都有他的功劳。他知道谁需要帮助，什么时候以及如何去干预，怎么做出改变。

1936年哥本哈根会议期间，玻尔（左）、玻恩（中）和德尔布吕克（右）在会间休息时讨论问题。

除了上面提到的这些，玻尔身上还有一个特质，似乎也起了相当大的作用。跟他人关联起来，或者用玻尔的传记作家亚伯拉罕·佩斯（Abraham Pais）的说法，跟别人成为联体，是玻尔的一种需求，几乎也可以说是他的必需。他的讨论是以苏格拉底式的对话形式进行的，他通过这种讨论慢慢形成了自己的思想，因此甚至有人说他其实是个哲学家而非物理学家。玻尔酷爱悖论与佯谬，认为能从多个方面看问题才是解决和廓清问题的正确方法。他的密友爱因斯坦就描述他说：“他的观点就好像来自一个一直在努力寻找答案的人，从来都不像出自一个相信自己掌握着整个决定性真理的人。”这句评论一语中的，抓住了玻尔的精髓——他一直在为那个决定性的真理全力以赴。

玻尔跟别人成为联体的需求，也表现在他的娱乐活动上，无论是去滑雪、玩帆船，还是随便散散步、玩玩游戏，又或是看看电影。他会让别人感到自己被需要，因为他确实需要他们。玻尔无疑是个伟人，也从来都天真无邪，但他一直吸引着那些与之打交道的人，这也是让他们感到自己敬爱玻尔的重要原因。

这些理论物理学家中还有一位也很值得敬爱，尽管他身边的人用这个词时会很谨慎。后来有人觉得，对他的敬爱比人们对玻尔的敬爱更叫人费解。他跟玻尔形成了很有意思的对比，因为玻尔总是彬彬有礼，而沃尔夫冈·泡利总是粗鲁不堪。他的出言不逊和格言警句都成了传奇，而传奇的一部分在于人们认识到，他损人的时候不分地位也不分年龄。爱因斯坦、玻尔和海森堡都很可能会像学生一样被他贬损一番。而这么做的时候，他从来都不是故意要伤害别人。著名物理学家维克托·韦斯科普夫（Victor Weisskopf）曾说：“泡利的诚实就跟小孩子差不多，他总是会把自己的真实想法直接表达出来。”随后又补充道，只要习惯了他的风格，他这个人还是很好相处的。

沃尔夫冈·泡利(1900-1958)。图源：公共领域

泡利可能会损你，但从来不会对你视而不见，而他针对你的尖刻话语也会马上成为一种荣誉徽章，在朋友圈里广为流传。泡利很有妙语连珠的天赋，损人的时候经常会很好玩。只有他会这么描述一个人：“还这么年轻，就已经那么寂寂无名了。”但他富有表现力的话语传达了真实的情感和忠诚。在量子力学革命正如火如荼之际，玻尔和泡利在一次会议上碰过面，三十多年后玻尔对一位历史学者说起当时他们之间的一次典型交流：“我碰到泡利，他对我的背叛表达了最强烈的不满，以这种我们都极为珍视的情感表达方式，强烈谴责了原子物理应该引入新异端的观点。”

1930年代初，玻尔和海森堡一起滑雪。

运动型的玻尔喜欢远足、滑雪和劈柴，胖乎乎的泡利则更中意歌舞喜剧表演和葡萄美酒夜光杯。玻尔膝下有六个儿子，都是他的挚爱，泡利则没有子嗣。玻尔对自己的祖国丹麦一直深深依恋，第二次世界大战后也一直在为世界和平和裁军孜孜不倦地努力。泡利对全球事务意兴阑珊，他生活在典型的中立国瑞士，成了物理学研究的象征，人间烟火与他毫无瓜葛。泡利的缺点和瑕疵当然比玻尔多，但我们也知道，并不是只有纯洁无瑕的人才值得敬爱。韦斯科普夫对那个时代的所有物理学天才都非常了解，他在办公桌上放了一张泡利的照片，并承认泡利是他“学识上的父亲”。

马斯克·德尔布吕克（1906-1981）。图源：维基百科

他们俩之间的鲜明对比，人们对他们俩的喜爱之情，以及他们彼此之间的喜爱之情，在1932年4月的那次哥本哈根会议上，通过青年物理学家们上演的一出滑稽短剧表现得淋漓尽致。那一年也是约翰·沃尔夫冈·冯·歌德（Johann Wolfgang von Goethe）逝世一百周年，这位人文主义者和科学家的逝去，被广泛认为是人类失去了最后一位真正的全才。欧洲各地都举行了纪念歌德逝世一百周年的活动，因此在哥本哈根一年一度非正式聚会的这一小群物理学家决定，自己也来办一场纪念活动。活动以一出幽默短剧的形式展开，以戏说的方式把歌德的伟大剧作《浮士德》改编到物理学世界中。剧本主要由德尔布吕克执笔，其中高贵的玻尔被写成天主，喜欢冷嘲热讽的泡利成了魔鬼梅菲斯特，而感到苦恼的埃伦费斯特则成了浮士德。在歌德的《浮士德》中，梅菲斯特的台词最为诙谐，而泡利在现实生活中讲话时也确实总是妙语连珠。

保罗·埃伦费斯特（1880-1933）。图源：公共领域

这出滑稽短剧意在让人们从长达一周的激烈讨论中解放出来，也是这些非常年轻的物理学从业者眼中的物理学世界的迷人写照。在这部戏说作品中，他们既是编剧和制片，也是实际登台表演的人。这些青年物理学家尽管在剧中亲昵地戏谑着他们杰出的前辈（其中很多人比他们都大不了几岁），但他们都非常清楚，玻尔、狄拉克、海森堡和泡利都在二十五岁出头的时候就已经对这个领域做出了足以彪炳千秋的贡献。他们也都记得，歌德的《浮士德》中学士发出的警告：

举行会议的那一年对他们来说是极为关键的一年。我们会看到，仲夏时节发现的正电子，也就是电子的反物质对应，标志着狭义相对论和量子力学开始走到了一起。对物理学界来说，这就意味着除了少数几种不同寻常的例外情形，实验验证物理学革命的过程已经完成，而这场革命仍然是20世纪中影响最为深远的。

除此之外，就在会议召开前发现的中子，会议结束几个月后又在实验室实现的首次人工诱导核裂变，也开启了物理学的另一场革命，引领我们进入核物理时代。这场革命对我们世界观的影响，以及对人类毁灭世界的可能性的影响，仍然笼罩在我们头上。

这一年也见证了回旋加速器研究的开端，标志着物理学研究从小科学向大科学的转变。尽管詹姆斯·查德威克（James Chadwick）是单枪匹马发现的中子，但回旋加速器的工作需要专家团队和相当规模的资金来源才能进行，如今这类大型实验已经司空见惯。这次会议开完仅仅七年后，持怀疑态度的玻尔就评论称，制造核武器所需的裂变材料，打个比方说，只有“把美国变成一个大工厂”才能得到。后来也确实不幸言中。

1932年的这些科学发现（因此有时候也把这一年叫做实验物理学的奇迹之年），同样将物理学的重心从理论转到了实验，从用纸笔完成的研究转到在实验室里用复杂工具进行的研究。这两种工作模式必然应是齐头并进的，但总会有些时候一个占据了舞台中央，而一些时候又轮到另一个来唱主角。量子物理的理论进展主导了会议之前的十年，然而在实验室里取得的进步成了紧随这次会议之后那段时期的标志。

哥本哈根上演的这出短剧以发现中子结尾，指出了这一转变。该剧也预先昭示了这些物理学家，无论是年轻的还是年长的，在后来的岁月里会遇到的很多个人问题，细想之下很让人觉得诡异。回过头来我们可以看到，1932年对他们来说是一个分水岭。在那之前，他们只是一个很小的圈子，他们中间仅有的紧张气氛是谁会率先实现大家都在孜孜以求的目标。他们一起工作，一起吃饭，一起旅行，一起游泳，一起玩音乐，一起爬山。最重要的是，这些物理学家之间总有说不完的话，有时候是作为敌手，但只是学术意义上的，因为说到底，他们都是志同道合的朋友。1933年1月，阿道夫·希特勒在德国登上了权力宝座，他们这种意气相投的氛围也成了绝唱。

尽管本书聚焦的七名物理学家没有一人是严格意义上的宗教信徒，但包括玻尔在内共有四人至少拥有部分犹太血统。到了1933年，他们不得不开始担心人身安全问题并考虑移民。略超过十年后，这个物理学小圈子里的很多人都发现，他们陷入了一场彼此之间你死我活的战斗之中，被迫像浮士德一样和魔鬼做交易，而这些事情几年前根本无法想象。

本书包含了大量科学内容，只要表述的时候不动用方程这种理论物理学的通用语言，大家看着应该也不会感觉头大。我努力在这些限制条件下准确描述这些概念，希望不会给好奇的读者带来太大的负担，但同时也能对读者有些挑战。本书最着意强调的是这七个人的小团体以及他们身边的小圈子如何面对彼此，又如何面对他们自己的魔鬼。为了达到这个目标，我回溯了这场会议之前的十多年时间，以便了解他们都是怎么形成自己的信念和个性的，并从这场会议出发顺流而下，追踪他们的行动都带来了哪些直接后果。

我在物理学这一行摸爬滚打了一辈子，不否认自己对这行会有先入为主的看法，但这些人，个顶个的都是真正的巨人。我们往往没法知道，最近的科学发展中有什么能经受住时间的考验，但他们这些人的贡献肯定会万古长青。他们的成功要部分归因于他们在这个关键时刻——量子力学和核物理学的黎明时分——朝气蓬勃又豪情万丈，他们把握住了这一时刻，让这个领域得以成形。他们的成就是齐心协力的产物：他们中间有人以原创性见长，有人专擅批判，还有人比别人更加大胆，他们一起创造了历史上的一个神奇瞬间。数百年后，他们的名字也许只会在科学教材的脚注中出现，但他们的贡献仍将继续影响我们后人的思维方式。

1932年4月，有一小群人聚在哥本哈根的一个房间里举行了一次为期一周的会议，他们是这个非凡时代的缩影，而这一时刻，就是本书所述故事的关键。我想先跟你们讲讲这个故事是怎么开始的，以及我为什么要写这个故事，大家且听我道来。

《哥本哈根的浮士德》

1932年4月，哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所。约四十名科学家在这里荟萃一堂，在人人敬爱的导师的目光下无拘无束地讨论物理学的未来。他们要谈论的事情真的是太多了，因为无论是对科学，对他们的职业生涯，还是对他们各自祖国的历史而言，这都是一个至关重要的转折点。

科学家称1932年为“奇迹之年”，因为这一年不但见证了中子和反物质的发现，也在历史上首次实现了人工诱导核嬗变。这些重大发现预告了核时代的到来和大科学的出现，然而就在科学家们为此欢欣鼓舞的同时，欧洲也正势不可挡地坠入极权主义和战争的深渊。不到一年，希特勒登上权力宝座，改变了这些科学家的命运，也让1932年这次集会无忧无虑的氛围再也不可能出现。

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