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交流學(xué)術(shù)，偶爾風(fēng)月
提起物理學(xué)最輝煌的年代，人們都會(huì)想起那張群星云集的華麗照片。1927年，第五屆索爾維會(huì)議在比利時(shí)布魯塞爾召開。包括愛因斯坦、波爾、薛定諤、居里夫人在內(nèi)的諸多學(xué)界精英都參加了大會(huì)，留下了物理學(xué)界最經(jīng)典的記憶?？上攵?，索爾維會(huì)議對(duì)現(xiàn)代科學(xué)起到了怎樣的作用。百余年來，它一直在延續(xù)。讓我們透過這扇窗口，觸摸物理學(xué)界的脈搏。
索爾維國(guó)際物理學(xué)化學(xué)研究會(huì) (法語：Institut International de Physique Solvay) 是由比利時(shí)企業(yè)家 歐內(nèi)斯特·索爾維于1912年在布魯塞爾創(chuàng)辦的一個(gè)學(xué)會(huì)。此前一年他通過邀請(qǐng)方式舉辦了第一屆國(guó)際物理學(xué)會(huì)議，即第一次索爾維會(huì)議 (法語：Conseils Solvay)。在此次成功之后，研究會(huì)繼續(xù)負(fù)責(zé)邀請(qǐng)世界著名的物理學(xué)家和化學(xué)家對(duì)前沿問題進(jìn)行討論的會(huì)議。索爾維會(huì)議致力于研究物理學(xué)和化學(xué)中突出的前沿問題，每三年舉辦一次，規(guī)律為第一年是物理學(xué)，第二年輪空，第三年是化學(xué)。這會(huì)議常被趣稱為“集中了全人類三分之一的智慧”。
圖1. 歐內(nèi)斯特·索爾維
歐內(nèi)斯特·索爾維 (Ernest Solvay) 不僅是一名家財(cái)萬貫的實(shí)業(yè)家，也是一名科學(xué)家。他發(fā)明的工業(yè)氨堿法沿用至今。索爾維制堿法是將海水與石灰石混合，進(jìn)而產(chǎn)生碳酸鈉，也就是我們常說的蘇打。蘇打可以將水軟化，使硬水中的鈣離子和鎂離子沉淀析出，因此，減少了污垢的形成。相比于堿液的強(qiáng)腐蝕性和危險(xiǎn)性，蘇打溫和的多，它可以用來降低食物的酸性。
索爾維熱衷于慈善事業(yè)，他將自己的財(cái)富獻(xiàn)給了科學(xué)，為物理界的杰出人士創(chuàng)辦了影響深遠(yuǎn)的索爾維會(huì)議。首屆索爾維會(huì)議于1911年秋天在比利時(shí)的布魯塞爾舉辦。
原子核的往事
首屆索爾維會(huì)議究竟發(fā)生了哪些趣聞?shì)W事呢？在首屆會(huì)議之前，歐內(nèi)斯特·盧瑟福 (Ernest Rutherford) 剛剛完成了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明原子內(nèi)部有一個(gè)密度極大的原子核，電子將它包圍起來。 盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，帶電的α粒子在轟擊金箔后會(huì)反射回來，這表明α粒子遇到了一塊密集的帶電區(qū)域。然而盧瑟福在1911年索爾維會(huì)議上卻對(duì)此只字未提。
圖2. 首屆索爾維會(huì)議，1911年
居里夫人 (Marie Curie) 也出席了會(huì)議，當(dāng)時(shí)她與盧瑟福有同樣的發(fā)現(xiàn)，只是途徑不同而已。居里夫人意識(shí)到放射性元素與它的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，她說：“放射性與之前觀察到的現(xiàn)象無任何關(guān)聯(lián)。放射性似乎來自原子內(nèi)部的深層區(qū)域，這塊區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的感受范圍和觀測(cè)范圍，除非是在原子能量釋放的那一刻?！?/p>
圖3. 歐內(nèi)斯特·盧瑟福與居里夫人
盧瑟福作為聽眾，意識(shí)到他的α粒子散射實(shí)驗(yàn)已經(jīng)準(zhǔn)確地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。但是他依然沉默不語。如今，盧瑟福成了原子核的發(fā)現(xiàn)者，他通過無可辯駁的實(shí)驗(yàn)證明了原子核的存在。同樣，居里夫人在她所專攻的領(lǐng)域內(nèi)，通過革命性的實(shí)驗(yàn)闡明了放射性現(xiàn)象的本質(zhì)。最終兩人都為科學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)，并各自贏得了屬于自己的諾貝爾獎(jiǎng)。
量子力學(xué)前輩
第五屆索爾維會(huì)議討論的核心是有關(guān)量子力學(xué)的，而追溯量子力學(xué)就不得不提及一個(gè)人，那便是德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克 (圖6.前排左二)，“量子力學(xué)之父”。參加這屆索爾維會(huì)議時(shí)他已經(jīng)69歲，德高望重，是當(dāng)然的前輩。
圖4. 馬克斯·普朗克
19世紀(jì)末，揚(yáng)棄古典物理學(xué)的觀念已提上日程。因而消除牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)這兩大理論之間的不一致，就成為二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的前提。普朗克此時(shí)提出了一個(gè)大膽的假說，在科學(xué)界一鳴驚人。這一假說認(rèn)為輻射能 (即光波能) 不是一種連續(xù)的流，而是由小微粒組成的。他把這種小微粒叫做量子。普朗克的假說與經(jīng)典的光學(xué)學(xué)說和電磁學(xué)說相對(duì)立，使物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)革命，使人們對(duì)物質(zhì)性和放射性有了更為深刻的了解。
玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)
圍繞著量子論的發(fā)展，涌現(xiàn)了無數(shù)物理天才，在普朗克和愛因斯坦之后，玻爾、薛定諤、泡利、狄拉克等人陸續(xù)登場(chǎng)。他們幾乎都在30歲之前對(duì)量子論做出了重大詮釋。
圖5. 奧托·斯特恩 (左) 和沃爾夫?qū)づ堇?/p>
“電子自旋”的概念剛誕生時(shí)。有一次，玻爾出門旅行，經(jīng)過漢堡火車站時(shí)，泡利 (Wolfgang Pauli) 和斯特恩 (Otto Stern) 就在站臺(tái)上詢問玻爾對(duì)此的看法，到達(dá)萊登以后，玻爾遇到了愛因斯坦和埃倫費(fèi)斯特，繼續(xù)討論了這個(gè)問題。
返程途中，玻爾經(jīng)過哥廷根，海森堡和約爾丹又出現(xiàn)在站臺(tái)上與他討論了同樣的問題。最后，當(dāng)玻爾的火車抵達(dá)柏林時(shí)，泡利又出現(xiàn)了，他特地從漢堡一路趕到柏林，想聽聽玻爾一路上都有了些什么新想法。
由于前幾次索爾維會(huì)議適逢20世紀(jì)前三十年的物理學(xué)大發(fā)展時(shí)期，參加者又都是一流物理學(xué)家與化學(xué)家，使得索爾維會(huì)議在物理學(xué)發(fā)展史上占據(jù)了重要的地位。
圖6. 第五屆索爾維物理學(xué)會(huì)議，國(guó)際索爾維物理研究所，1927年
最負(fù)有盛名的一次會(huì)議當(dāng)屬1927年10月召開的第5次關(guān)于電子與光子的索爾維國(guó)際會(huì)議，世界上聲名赫赫的大物理學(xué)家均有出席，對(duì)新提出的量子理論進(jìn)行了探討。參加這次會(huì)議的29人中有17人獲得或后來獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
這次會(huì)議的帶頭人是愛因斯坦和玻爾。愛因斯坦那時(shí)不再對(duì)海森堡的“不確定性定理”抱有幻想，聲稱“上帝不會(huì)擲骰子”。對(duì)此，玻爾曾回應(yīng)道，“愛因斯坦，不要再告訴上帝應(yīng)該怎么做！”玻爾在 1922年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。然而，這并不是愛因斯坦與玻爾之間唯一一次發(fā)生口角，關(guān)于物理定律的兩種不同解釋是他兩人間分歧的最大來源。學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)布的調(diào)查顯示，玻爾的理論觀點(diǎn)占據(jù)了上風(fēng)。據(jù)稱，尼爾斯-玻爾和愛因斯坦在工作方面有很大分歧，在一次爭(zhēng)論中玻爾還呵斥愛因斯坦道：“愛因斯坦，不要再告訴上帝應(yīng)該怎么做！” 這一爭(zhēng)論被稱為玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)。
圖7. 玻爾和愛因斯坦
第五屆索爾維國(guó)際會(huì)議為我們留下的那張物理學(xué)歷史上的經(jīng)典照片，經(jīng)過瑞典藝術(shù)家桑娜·杜拉韋 (Sanna Dullaway) 上色，重新煥發(fā)出活力?？粗切┚碌睦鲜轿鞣粡垙埵煜さ膫ゴ竽橗?，還有那地面上的秋天落葉，書上記載的故事仿佛重新顯現(xiàn)在我們眼前。
圖8. 第五屆索爾維物理學(xué)會(huì)議 (著色版)
勉強(qiáng)過關(guān)的博士生
維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg，圖6. 后排右三) 是量子力學(xué)第一種有效形式 (矩陣力學(xué)) 的創(chuàng)建者，他更是為后人留下了一個(gè)神秘詭譎的“海森堡之謎”。“二戰(zhàn)”期間，納粹德國(guó)召集眾多科學(xué)家研制原子彈，海森堡是其中核心人物，但最后德國(guó)并沒有造出原子彈，有一說法正是海森堡沒有盡全力，但海森堡本人一直拒絕披露其中的真相。
圖9. 泡利 (左)，海森堡 (中) 和費(fèi)米 (右) 于科莫湖，1927年9月
光輝成績(jī)的背后也有著不為人知的往事，1923年，年僅21歲的海森堡差點(diǎn)沒有拿到博士學(xué)位。在答辯現(xiàn)場(chǎng)，面對(duì)數(shù)學(xué)問題時(shí)，海森堡回答起來得心應(yīng)手；等到天文學(xué)問題的時(shí)候，他就開始不知所措；最后到實(shí)驗(yàn)物理的時(shí)候，則完全一臉茫然。在上實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候，海森堡需要使用法布里－珀羅干涉儀來觀察光波的干涉。雖然教實(shí)驗(yàn)的威廉·維恩已經(jīng)講解過很多次，可是海森堡依然一點(diǎn)都不知道如何算出干涉儀的分辨率。當(dāng)問及海森堡蓄電池如何工作的時(shí)候，他依然是一臉的困惑、不知所云……最終，在導(dǎo)師阿諾·索末菲的極力保護(hù)下，海森堡勉強(qiáng)拿到了博士學(xué)位。
薛定諤的貓
埃爾溫·薛定諤 (Erwin Schr?dinger，圖6. 后排左六) 也是索爾維會(huì)議中聲名卓著的人之一。 他在1935年提出了著名的量子理論即“薛定諤的貓 (Schr?dinger’s cat)” 。這一理論指出一些事物沒被觀測(cè)到之前，可以同時(shí)以兩種本征態(tài)存在。
圖10. 埃爾溫·薛定諤
薛定諤假想將一只貓放置于一個(gè)裝有放射性物質(zhì)的箱子內(nèi)。若在一小時(shí)內(nèi)該物質(zhì)發(fā)生衰變、釋放出有毒物質(zhì)進(jìn)而將貓殺死的幾率是50%。然而，還有50%的可能是放射性物質(zhì)沒有衰變，因而并沒有釋放有毒物質(zhì)。所以，量子力學(xué)理論認(rèn)為，這只貓既沒死也沒活，一直到打開箱子進(jìn)行觀測(cè)才能確定其狀態(tài)。
是誰幫助建立了中國(guó)物理學(xué)會(huì)？
1931年，國(guó)際聯(lián)盟派出4位專家來華考察教育，其中就有著名物理學(xué)家保羅·朗之萬 (圖6. 前排右四)。來華后他建議中國(guó)物理學(xué)工作者聯(lián)合起來成立中國(guó)物理學(xué)會(huì)，并加入國(guó)際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(huì)。經(jīng)過朗之萬的促進(jìn)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)的籌備組織迅速成立，當(dāng)時(shí)的清華大學(xué)校長(zhǎng)梅貽琦被推選為籌備會(huì)主任。1932年8 月22日至24日在北平清華大學(xué)召開了中國(guó)物理學(xué)會(huì)的成立大會(huì)，這也是中國(guó)物理學(xué)會(huì)第一次年會(huì)。
朗之萬生于巴黎，1905年他看到愛因斯坦的論文后，對(duì)相對(duì)論表示了濃烈的興趣，并和愛因斯坦結(jié)下了深摯的友誼。他形象地闡述相對(duì)論并作了大量宣傳工作，因而有“朗之萬炮彈”的美稱。朗之萬是居里夫人丈夫皮埃爾生前的學(xué)生，傳說他與妻子感情冷淡，卻深深迷上了比自己大五歲的居里夫人。兩人的情書被郎之萬的妻子拿去交給了所謂的媒體，這段緋聞瞬間被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，1911年巴黎新聞報(bào)刊登了題為《愛情故事：居里夫人與郎之萬教授》的文章。
圖11. 居里夫人和朗之萬
當(dāng)時(shí)正值首屆索爾維會(huì)議結(jié)束，愛因斯坦剛在會(huì)上結(jié)識(shí)了居里夫人，聽聞此事，他出離憤怒，義正言辭地寫了封信寄給居里夫人，給予了她堅(jiān)定的支持與安慰。盡管當(dāng)時(shí)他們沒有走到一起，多年之后，居里夫人的外孫女嫁給了郎之萬的孫子。
圖12. 愛因斯坦給居里夫人的信
歷屆索爾維物理會(huì)議
圖13. 歷屆索爾維會(huì)議情況
圖14. 2011年索爾維會(huì)議合影
圖15. 2014年索爾維會(huì)議合影
每一屆索爾維會(huì)議都由國(guó)際科學(xué)委員會(huì)來管理。委員會(huì)的高水準(zhǔn)保證了索爾維會(huì)議在世界上的地位，而學(xué)會(huì)也以委員們的杰出貢獻(xiàn)為驕傲。每一名委員會(huì)成員任期為6年，可延期一次。
歷任國(guó)際物理科學(xué)委員會(huì)主席
1911-1928: 亨德里克·洛倫茲 (Hendrik Lorentz), 獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng), Haarlem (The Netherlands)
1928-1946: 保羅·朗之萬 (Paul Langevin), Paris (France)
1946-1962: 勞倫斯·布拉格 (Sir Lawrence Bragg), 獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng), Cambridge (UK)
1962-1967: 羅伯特·奧本海默 (Robert Oppenheimer), Princeton (USA)
1967-1968: Christian M?ller, Copenhagen (Denmark)
1969-1980: Edoardo Amaldi, Rome (Italy)
1980-1990: Léon Van Hove, Genève (Suisse)
1992-2006: Herbert Walther, Munich (Germany)
2006-present: David Gross, 獲2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng), Santa Barbara (USA)
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