作者：程鶚
隨著1930年代的開始，泡利、海森堡、狄拉克、約旦相繼進(jìn)入人生的而立之年,都有了穩(wěn)定的學(xué)術(shù)地位。
與世紀(jì)同齡的泡利到蘇黎士擔(dān)任教授后，還是與在慕尼黑、漢堡時(shí)一樣地花天酒地，每晚在夜總會(huì)聲色犬馬。他退出了從小隨父母皈依的天主教會(huì)，還娶一位舞女為妻。這個(gè)不門當(dāng)戶對(duì)的婚姻不到一年解體，拐走他老婆的竟然只是一位“太過一般的化學(xué)家”。無獨(dú)有偶，泡利的母親因?yàn)闊o法容忍他父親有外遇而吞藥自殺。他父親則很快與小情人再婚。這雪上加霜更讓泡利憤恨不已。
大概是出于緩解泡利精神壓抑的目的，他父親建議他結(jié)識(shí)了在蘇黎士已經(jīng)成名的精神分析師榮格（Carl Jung）。從此，泡利和榮格開始了長達(dá)26年的親密交往。
榮格對(duì)這位不可多得科學(xué)天才的心理案例如獲至寶。他們從為泡利解析夢(mèng)境、排解心結(jié)逐漸過渡到探討心理學(xué)和量子物理——20世紀(jì)初的兩門新興學(xué)問之間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系。最終，他們合作出版了一本題為《自然與心理的詮釋》的論著。他們之間常年的來往通信后來也以《原子與原型》（Atom and Archetype）的書名結(jié)集出版。其中，泡利細(xì)致地記錄了自己的1000多個(gè)夢(mèng)，榮格則對(duì)其中的400多個(gè)提供了專業(yè)解析。
雖然身陷個(gè)人精神危機(jī)，但泡利沒有像玻恩那樣逃避本職工作。有悖于一向執(zhí)著于數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)格，他思考放射性現(xiàn)象，提出原子核的β衰變中還有另一個(gè)粒子在起作用，以保證衰變過程中的能量守恒。這個(gè)未知粒子無質(zhì)量、不帶電，因而在實(shí)驗(yàn)上探測(cè)不到它。泡利提出這么一個(gè)無法實(shí)際驗(yàn)證的假設(shè)后，他非常尷尬，將之歸咎于他正所經(jīng)歷的瘋狂歲月，才會(huì)公開這樣的愚蠢念頭。26年后，泡利所預(yù)測(cè)的這種未知粒子被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它叫“中微子”。
海森堡和狄拉克結(jié)伴環(huán)游世界后，都開啟了他們著書立說的教授生涯。
海森堡動(dòng)作快，他以在美國講學(xué)時(shí)的講義為藍(lán)本，出版了《量子理論的物理原理》，其內(nèi)容始終貫穿著他秉承的“哥本哈根精神”。他和玻爾之間原有的分歧早已蕩然無存，這本書倡導(dǎo)的完全是玻爾的正統(tǒng)思想。
狄拉克1930年被選為英國王家學(xué)會(huì)院士，成為那個(gè)老派學(xué)院歷史上最年輕的成員之一。他那年出版的《量子力學(xué)原理》文如其人。這本教科書邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、詞語簡潔，用他自己那套符號(hào)語言高屋建瓴地構(gòu)造出量子力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。書中沒有互補(bǔ)原理，除了推導(dǎo)不確定原理之外，再?zèng)]有“哥本哈根精神”的痕跡?！柲翘桌碚撘?yàn)闆]有任何數(shù)學(xué)方程，無法在他的推理中出現(xiàn)。玻爾的大名也只是在回顧舊量子理論時(shí)才曇花一現(xiàn)。
泡利自然不甘落后，在1933年也發(fā)表了一篇內(nèi)容全面、精細(xì)的量子力學(xué)綜述。綜述是他的獨(dú)門擅長。還是在攻讀博士學(xué)位期間，他就因?yàn)樘鎸?dǎo)師索末菲撰寫相對(duì)論的綜述而聲名大振，贏得包括愛因斯坦的高度贊賞。在量子領(lǐng)域，他于1926年曾發(fā)表過一篇綜述，全面闡述了那時(shí)的玻爾-索末菲理論。1933年的新綜述問世后，泡利戲稱這兩本書分別是量子力學(xué)的《舊約》和《新約》，分別集舊、新量子理論之大成。
三個(gè)年輕人三本量子力學(xué)教程，他們風(fēng)格迥異，各有千秋。在那個(gè)年代，狄拉克的數(shù)學(xué)語言依然超前，還要等一二十年后才顯露出真正價(jià)值，成為量子力學(xué)的經(jīng)典教材。薛定諤的講義簡單明了，是理想的入門教程。而泡利的綜述面面俱到、縝密周詳，倒真的成了研習(xí)量子理論的“圣經(jīng)”。
在海森堡、狄拉克、泡利相繼以各自的風(fēng)格整合量子力學(xué)理論之際，另外一本名為《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》的教科書也在1932年橫空出世。它的作者馮·諾依曼（John von Neumann）只有29歲，是一名數(shù)學(xué)家。
與量子力學(xué)的黃金一代相比，馮·諾依曼（John von Neumann）也是一個(gè)神童。1903年，他出生于匈牙利首都布達(dá)佩斯的一個(gè)富足猶太家庭，父親是當(dāng)?shù)仫@赫的銀行家，由奧匈帝國的皇帝冊(cè)封貴族而在姓氏上冠上“馮”字名號(hào)。據(jù)說馮·諾伊曼6歲時(shí)就能心算兩個(gè)8位數(shù)的除法，8歲時(shí)自學(xué)掌握微積分，19歲中學(xué)畢業(yè)時(shí)他已經(jīng)發(fā)表正式論文，首創(chuàng)集合論的“序數(shù)（ordinal number）”概念。
雖然他從小表現(xiàn)出非凡的數(shù)學(xué)能力，務(wù)實(shí)的父親還是堅(jiān)持讓他去學(xué)化工，以獲取有價(jià)值的謀生技能。馮·諾伊曼22歲大學(xué)畢業(yè)時(shí)，他不僅有了一個(gè)化工專業(yè)文憑，同時(shí)也贏得了數(shù)學(xué)的博士學(xué)位。
與他的數(shù)學(xué)一樣，馮·諾伊曼永遠(yuǎn)一絲不茍地衣冠楚楚，著裝極為考究。據(jù)說，數(shù)學(xué)大師希爾伯特在參與他的博士論文答辯時(shí)，曾在會(huì)上忍不住發(fā)問：誰是這位候選人的裁縫？
畢業(yè)后，馮·諾伊曼師從希爾伯特才是真正地開始數(shù)學(xué)生涯。在短短三年里，他幾乎以每月一篇的速度連續(xù)發(fā)表了32篇有分量的數(shù)學(xué)論文，涵蓋數(shù)學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域。在暴得大名之后，他開始插手最前沿的物理。
1932年的馮·諾伊曼。
那時(shí)他已經(jīng)受聘為美國普林斯頓大學(xué)教授。他這本出乎人們意料的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，進(jìn)一步推廣了狄拉克和約旦為量子力學(xué)所歸納的數(shù)學(xué)形式，將整個(gè)理論統(tǒng)一為希爾伯特空間中的一個(gè)公理體系。按照純數(shù)學(xué)邏輯，他從最簡單的基本假設(shè)出發(fā)逐一推導(dǎo)出薛定諤、海森堡、狄拉克、約旦等人的全部結(jié)果。
對(duì)馮·諾伊曼來說，最棘手的基本假設(shè)是如何處理量子力學(xué)中的測(cè)量問題，也就是一直讓愛因斯坦處心積慮的波函數(shù)坍縮。
愛因斯坦最早在1927年的第五屆索爾維會(huì)議上以“泡泡悖論”的形式正式提出這一質(zhì)疑。無論是他自己的“鬼場(chǎng)”或德布羅意的導(dǎo)航波，還是薛定諤的波函數(shù)，他們?cè)谔幚聿６笮詴r(shí)都會(huì)遭遇到同樣的麻煩：原來在空間中廣為彌漫的波必須在某個(gè)時(shí)刻、某個(gè)地點(diǎn)突然聚集——即坍縮成為粒子。這個(gè)瞬時(shí)的過程既沒有物理機(jī)制的概念，也沒有數(shù)學(xué)、邏輯的描述。
玻爾不以為然。在他的哥本哈根詮釋中，量子力學(xué)只適用于微觀世界。測(cè)量的信息不過是微觀世界與宏觀世界“相遇”的表現(xiàn)，而對(duì)微觀世界的觀測(cè)只能通過經(jīng)典物理的宏觀儀器（熒光屏、蓋革計(jì)數(shù)器、氣泡室等）進(jìn)行。這種測(cè)量的結(jié)果給我們以波函數(shù)坍縮的錯(cuò)覺。只有測(cè)量結(jié)果才是真實(shí)的，那之前既沒有粒子也沒有波，也就不存在坍縮的過程。
愛因斯坦在索爾維會(huì)議上多次指責(zé)玻爾“作弊”。為了反駁愛因斯坦的挑戰(zhàn)，玻爾一而再再而三地將不確定原理應(yīng)用于屏幕、光子箱。其實(shí)，玻爾的這種應(yīng)答本來就違背了他自己設(shè)定宏觀儀器不遵從量子規(guī)律的前提，也就是他始終無法給出一個(gè)區(qū)分微觀世界和宏觀世界的明確界限。
主張量子力學(xué)只適用于微觀世界卻又無法界定適用范圍，這顯然在邏輯上是不完備的。為擺脫這個(gè)明顯的軟肋，馮·諾伊曼提出量子力學(xué)是普適的，無論是微觀還是宏觀世界，它們都應(yīng)該遵從同樣的物理定律。
但馮·諾伊曼也指出，測(cè)量的過程必然包括測(cè)量方和被測(cè)量方這兩個(gè)截然分開的部分。作為描述客觀世界的理論，量子力學(xué)只涉及被測(cè)量的對(duì)象而不涉及觀測(cè)者。在測(cè)量尚未進(jìn)行時(shí)，被測(cè)量的世界符合量子力學(xué)或薛定諤方程的描述，是一種連續(xù)、確定、平穩(wěn)地隨時(shí)間演變，風(fēng)平浪靜波瀾不驚。只是當(dāng)測(cè)量發(fā)生時(shí)，因?yàn)閬碜杂^察者的干擾，被測(cè)量的系統(tǒng)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的、不具備因果確定性的突然變化，也就是坍縮。
由此，測(cè)量作為一個(gè)分離且奇特的物理過程第一次正式出現(xiàn)在量子力學(xué)教科書中。盡管馮·諾伊曼背離了哥本哈根的正統(tǒng)思想，玻爾、玻恩、海森堡等人還是為他的另一個(gè)大發(fā)現(xiàn)喜出望外——馮·諾伊曼在書中宣布，他這個(gè)滴水不漏的數(shù)學(xué)體系可以嚴(yán)格證明量子力學(xué)在測(cè)量時(shí)所呈現(xiàn)的隨機(jī)性是理論的內(nèi)在必然，不可能出自某種尚未被發(fā)現(xiàn)的隱藏變量。于是，無論是愛因斯坦的鬼場(chǎng)還是德布羅意的導(dǎo)航波，都被他徹底地宣判了死刑。
多年以后，馮·諾伊曼成為舉世公認(rèn)的數(shù)學(xué)大家，享有“馮·諾伊曼可以證明任何事情，馮·諾伊曼證明的任何事情都不會(huì)錯(cuò)”的盛譽(yù)。然而，在《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》面世的當(dāng)初，即使他還沒有那樣地一言九鼎，卻也足夠讓哥本哈根學(xué)派歡欣鼓舞。無論在論文中還是討論時(shí)，他們只要提一句“馮·諾伊曼已經(jīng)證明……”，就可以輕松地了結(jié)有關(guān)隱變量的任何爭(zhēng)執(zhí)。
還是在1929年春天，泡利和克萊默不約而同寫信詢問玻爾能否在大學(xué)復(fù)活節(jié)放假時(shí)回哥本哈根的“母校”訪問。玻爾收信后靈機(jī)一動(dòng)，干脆向曾在他的研究所工作過的20多個(gè)年輕人發(fā)出邀請(qǐng)，在復(fù)活節(jié)那個(gè)星期“返?！敝鼐邸?/span>
這種聚會(huì)隨即成為波爾研究所的一項(xiàng)年度活動(dòng)。每年這個(gè)星期，玻爾的前弟子們紛紛從歐洲各地趕回哥本哈根朝圣，熙熙攘攘不亦樂乎。與索爾維那個(gè)論資排輩的女巫盛宴相反，這里沒有資格等級(jí)。除了玻爾和埃倫菲斯特之外，都只是一群二三十歲的青年。玻爾還特意要求已擔(dān)任教授的人帶一位學(xué)生來見世面。
他們更沒有豪華的旅館，只是就近尋找房間。教授和學(xué)生不分彼此地搭伙搭鋪。聚會(huì)不安排學(xué)術(shù)報(bào)告，甚至沒有日程。玻爾與幾個(gè)同僚商量，隨便拋出幾個(gè)有意思的話題，任由在場(chǎng)的人隨心所欲，天馬行空。
年輕人有年輕人的玩法。伽莫夫在哥廷根發(fā)明原子核α衰變理論后，回國途中順路拜訪玻爾。在玻爾的熱情挽留和資助下，伽莫夫在那里逗留了一年多，成為哥本哈根青年中的主力成員。他在1931年的聚會(huì)上冒出鬼點(diǎn)子，組織年輕人編排節(jié)目在最后一天獻(xiàn)演，以熱情、幽默的方式歡慶他們自己的節(jié)日并表達(dá)對(duì)恩師的感激。
1932年是波爾研究所成立10周年。由于伽莫夫回蘇聯(lián)后被政府沒收護(hù)照，無法躬逢其盛，節(jié)目的編排任務(wù)由一個(gè)剛剛來到研究所的26歲小青年德爾布呂克（Max Delbruck.后來成為分子生物學(xué)創(chuàng)始人之一，贏得1969年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）負(fù)責(zé)。那年也是德國詩人歌德逝世100周年。作為紀(jì)念，他改編了歌德的著名戲劇《浮士德（Faust）》，將其嬗變?yōu)榱孔邮澜绲钠媛勢(shì)W事。
《浮士德》中代表正義的上帝（Lord）自然是玻爾。他的對(duì)立面、魔鬼（Mephisto）正是那經(jīng)常與玻爾頂撞，又自以為是、目空一切、言語刻薄的泡利。夾在二者之間患得患失的主角浮士德則成了現(xiàn)實(shí)生活中也是菩薩心腸、優(yōu)柔寡斷的埃倫菲斯特。這些角色都由年輕的學(xué)生扮演，每人臉上帶著畫有角色頭像的面具，吟誦著既脫胎于原劇又符合物理學(xué)家性格經(jīng)歷的詩句。
在歌德的原劇中，魔鬼曾講過一個(gè)故事：有一個(gè)昏庸的國王，寵愛著自己豢養(yǎng)的跳蚤，讓他身邊的人叫苦不迭（即著名的《跳蚤之歌》）。在德爾布呂克的版本里，這個(gè)至高無上的國王便是愛因斯坦，他的跳蚤有個(gè)名字，叫“統(tǒng)一場(chǎng)論”。
在哥本哈根的《浮士德》中，愛因斯坦?fàn)恐槌鰣?chǎng)（伽莫夫繪）
海森堡、狄拉克和其他一些熟悉的物理學(xué)家都在劇中占據(jù)一席之位。就連伽莫夫也在鐵窗內(nèi)露面，抱怨監(jiān)獄高墻的勢(shì)壘實(shí)在太高。
全劇的最后，狄拉克的角色仿照原劇中的詩句警示：“啊！年歲就是發(fā)寒熱，每個(gè)物理學(xué)家都深受其苦！當(dāng)他過了30歲，跟死去已經(jīng)沒有區(qū)別！”（“Certainly! Old age is a cold fever / That every physicist suffer with! / When one is past thirty, / He is as good as dead!”）
海森堡的角色接話道，“那最好還是讓他們都早點(diǎn)死去?！本瓦B作為魔鬼的泡利這時(shí)也不再有話可說，悲傷地落下大幕。
在那量子力學(xué)理論蓬勃發(fā)展的20來年里，盧瑟福的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室一直只是個(gè)旁觀者，在玻爾離開后不再有顯著建樹。也是在1932年，他們終于接連有了重大突破。那年2月，那里的查德維克（James Chadwick）宣布發(fā)現(xiàn)中子：原子核中不同于質(zhì)子的新粒子。中子的發(fā)現(xiàn)顛覆了物理學(xué)家對(duì)原子核的看法，開辟了核物理的新時(shí)代。
中子隨即成為那年哥本哈根聚會(huì)時(shí)反復(fù)爭(zhēng)論的新話題。在他們改編移植的《浮士德》中，發(fā)現(xiàn)中子的查德維克作為浮士德的助手瓦格納（Wagner）出場(chǎng)。
哥本哈根的《浮士德》落幕僅三個(gè)星期后，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的考克饒夫（John Cockcroft）和沃爾頓（Ernest Walton）再傳捷報(bào)。他們利用在伽莫夫幫助下設(shè)計(jì)制作的加速器將質(zhì)子加速后轟擊鋰原子核，成功將其“擊碎”，實(shí)現(xiàn)原子核的人工嬗變。
隨后的那年8月，美國加州理工學(xué)院的研究生安德森（Carl Anderson）在他的同學(xué)、中國留學(xué)生趙忠堯（Chung-Yao Chao）先期實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)下，又發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子。它與電子有著同樣的質(zhì)量，卻帶有正電荷。這個(gè)與電子既相同又相反的粒子是電子的“反粒子”，叫做“正電子（positron）”。
反粒子是狄拉克已經(jīng)糾結(jié)了好幾年的奇葩概念。他那個(gè)讓理論家心曠神怡的狄拉克方程自出生就帶有一個(gè)致命的缺陷，其中電子會(huì)有無窮多個(gè)負(fù)能量的態(tài)。這不僅沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)，即使在邏輯上也無法自圓其說。為了擺脫困境，狄拉克提出那所有的負(fù)能級(jí)都已經(jīng)有電子占據(jù)，所以不被察覺。只有當(dāng)這個(gè)布滿電子的“海洋”中出現(xiàn)空位時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出其存在，那就是一個(gè)與電子相對(duì)的正電子。
狄拉克的“狡辯”實(shí)在過于天方夜譚，從來沒有被同行們接受。在哥本哈根聚會(huì)的討論中，就連寬厚的玻爾也失去耐心，詰問“告訴我們，狄拉克，你真的相信這些？”在其后的《浮士德》中，狄拉克的角色則被編排進(jìn)行自我批評(píng)，承認(rèn)自己理論荒謬，只配被付之一炬。
安德森的發(fā)現(xiàn)石破天驚，不僅再次打開一個(gè)物理的新天地，也大大地提升了狄拉克的聲譽(yù)。那年，狄拉克在劍橋受聘久負(fù)盛名的盧卡斯數(shù)學(xué)教授席位依然不到30歲，只比牛頓1669年上任這個(gè)席位時(shí)大幾個(gè)月。
聯(lián)系客服
