bks 为 BKS理论付出了大代价｜尼尔斯·玻尔

■卢昌海/文

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(1885 ~ 1962)是原子物理学的创始人。他在研究量子运动时，提出了一整套新的观点，建立了原子的量子理论，第一次为人类打开了认识原子结构的大门，为现代物理研究开辟了道路。

玻尔也是科学研究的杰出领导者和组织者。他于1921年创立了哥本哈根理论物理研究所，并逐渐形成了世界闻名的物理学“哥本哈根学派”。玻尔因其对原子结构，特别是原子发射的辐射的研究做出的贡献而获得1922年诺贝尔物理学奖。

玻尔作为著名的量子理论先驱，对长期开启量子时代的“光量子”概念持热烈态度。说“拒绝”可能有些夸张，但说“不热衷”可能还不够。恰当的说法可能是“否定”，即“能不用就不用”，甚至是为不用付出一定的代价。他的态度几乎一直持续到旧量子论时期结束。

有些人可能认为这种态度本身就是错误的，但平心而论，虽然这种态度对一个量子理论的先驱来说有些出乎意料，但在当时并不是错误的，因为当时的实验并没有把光量子的概念支持到一种判断的程度。但是玻尔的否定态度并没有错，只是他为这种态度付出的代价比他同时代的大多数人都要高得多，而且因为他放弃了能量和动量守恒而变成了错误。

玻尔错误的时机是戏剧性的。大多数喜欢物理学史的读者都知道，早期对光量子概念的支持主要来自两个实验现象:早期的是光电效应，促使爱因斯坦提出了光量子的概念；后一组是康普顿效应。玻尔因为对光量子概念持否定态度而放弃了能量和动量守恒，就在美国物理学家阿瑟·康普顿发现康普顿效应之后。

当然，这并不是因为玻尔看不上实验，而是因为有具体的原因和机会。

原因是康普顿在发表他的实验结果时(1923年)，他观察到的是X射线被物质散射后波长(进而频率)发生了变化。虽然这个结果与经典电磁理论相矛盾(根据经典电磁理论，电磁波被物质散射后频率不会改变)，但它与光量子的概念是一致的——荷兰物理学家彼得·约瑟夫·威廉·德拜和康普顿本人都用光量子的概念解释了实验结果，但不足以决定性地支持后者，即证明光量子本身的真实性。由于康普顿当时的实验比较粗糙，不可能观察到基本过程(即单个光量子与电子的相互作用)，因此只能证明光量子概念在平均意义上的有效性。其实不仅仅是康普顿效应，还有早期的光电效应，只能证明一般意义上的光量子概念的有效性。正是这种美中不足给了玻尔机会。

当康普顿在美国取得这些进展时，在欧洲消息灵通的玻尔几乎立即得知了这个消息。1923年底，他亲自访问美国，与康普顿等人有直接交流。1924年初，在给英国物理学家欧内斯特·卢瑟福的一封信中，玻尔描述了他对美国之行的感受。这封信清楚地表明了他对波动理论的支持和对光量子概念的否定态度。康普顿对光量子的解释，对于像他这样把波动理论当作信条的人来说，简直“可怕”。

机会是一个年轻的美国物理学家，约翰·斯莱特，碰巧在1923年底参观了玻尔所在的哥本哈根。在那次访问中，他带来了一个关于辐射和物质之间相互作用的有趣想法，这引起了玻尔和他的合作者荷兰物理学家亨德里克·克拉默斯的兴趣。这三人很快共同撰写了一篇题为《辐射的量子理论》的论文。那篇论文中提出的理论后来被三个姓氏的首字母称为BKS理论(论文本身被称为BKS论文)。正是那篇论文记录了玻尔的错误。

BKS理论主要包含三位作者的三个核心思想。第一种想法是所谓的“虚拟辐射场”，它被认为是不同原子之间的联系，具有诱导量子跃迁的作用，这是斯莱特的贡献；第二种想法是基于光量子的概念，放弃不同原子对辐射的吸收和发射之间的因果关系。这个模糊的想法就是Kramos的想法；第三种想法是抛弃原始过程中的能量守恒和动量守恒，将其弱化为一个统计规律，这就是玻尔的想法。玻尔提出这个想法的动机是什么？归根结底是想调和原子能级变化的不连续性和波动理论所要求的辐射能变化的连续性之间的矛盾，或者说对光量子概念的否定态度在起作用。

在BKS理论的三个核心思想中，斯莱特的思想是核心中的核心。可以说，如果没有斯莱特的哥本哈根之行，就不会有玻尔介入这个理论，这也是我们为什么称之为偶然性的原因。但是斯莱特指责玻尔的错误显然是不公平的。因为早在1919年，在与斯莱特建立任何联系之前，玻尔就在与同事的通信中反复提到放弃能量和动量守恒的想法。

事实上，正是斯莱特反对玻尔把放弃能量和动量守恒塞进BKS理论。在后者最初的想法中，他不仅没有抛弃能量守恒和动量守恒，甚至还为光量子的概念留了一席之地，只是因为无法与玻尔的口才相抗衡而同意了玻尔的观点。后来，当BKS理论被实验证伪时，玻尔向斯莱特道歉，但斯莱特委婉地表示他不介意，但近40年后(玻尔去世时)，他在接受采访时对玻尔表示强烈不满，甚至用了“我从未向玻尔先生表示过任何敬意，因为我在哥本哈根度过了可怕的一天”这种罕见的语气。

此外，BKS论文的另一位作者克拉莫斯曾经反对玻尔的光量子观，放弃了能量和动量守恒。可惜他不是玻尔的对手。他被后者的日夜辩论弄得筋疲力尽，被送进了病房，最后同意了玻尔的意见。

BKS理论引起了许多物理学家的注意。在玻尔的名声和口才的影响下，很多人叛变了。比如即将建立矩阵力学的维尔纳·海森堡，一开始持怀疑态度，说从这个理论中“看不到实质性的进展”，但参观完哥本哈根之后，玻尔“洗了脑”，他的变节不算，玻尔的观点也被“说教”给梅克斯·玻恩。在后来给玻尔的信中，玻恩介绍了“布道”的结果:“我想告诉你，我对你在辐射理论上的新实践感到多么高兴”，“虽然我只听了海森堡的口头简报，但我相信你的新理论是正确的，在某种意义上是这些问题的最终答案”。

即将建立波动力学的欧文·薛定谔也表示了普遍认同。在给玻尔的信中，他不仅对自己的最新想法表示了“极大的同情”，还表达了对这种想法的长期兴趣。但有趣的是，他随后沿着玻尔的观点进行的分析，导致了能量的不确定性、单个系统的不稳定性等推论，似乎用回到塞缪尔的方法来反驳玻尔，以至于尼尔斯·玻尔文集第五卷主编克劳斯·斯托尔岑堡在介绍这段历史时，简单地把薛定谔的观点称为“热力学反驳”。考虑到薛定谔几乎是爱因斯坦之后的反哥本哈根人物，他对玻尔观点的“极端同情”到底是真正的“爱”还是圆滑的“外交”，就有点难说了。

就连以思维犀利、批判犀利著称、享有“物理学良心”、“上帝之鞭”美誉的年轻大师沃尔夫冈·泡利，也没能抵挡住玻尔的口才，在访问哥本哈根时追随海森堡的脚步投奔了玻尔。毕竟泡利就是泡利，没有海森堡和玻恩那么容易糊弄。他在离开哥本哈根后不久醒来，在给玻尔的信中宣布:“你成功地屏蔽了我强烈反对这种解释的科学良知。但这只能持续很短的时间.....今天，我已经成为一个完全反对这种解释的物理学家。此后泡利的反对从未动摇过，直到BKS理论破产，以至于玻尔后来说泡利“长期以来对我们的哥本哈根反叛毫无同情心”。

连泡利都没能挡住玻尔的影响(虽然只是暂时的)，说明玻尔的首席科学家地位没有被吹。但是，尽管玻尔影响很大，还是有一个人一直旗帜鲜明地反对BKS理论。这个人是谁？他是玻尔的老对手爱因斯坦。在了解了BKS理论后，他在给玻恩的信中毫不含糊地表达了他的反对意见，并在后来写了一段著名的话，那就是如果BKS理论是正确的，“我宁愿做一个鞋匠，甚至赌场雇员，也不愿做一个物理学家”。爱因斯坦也提出了许多具体的反对意见。除了思维敏锐之外，泡利在离开哥本哈根后之所以这么快就改变了态度，是因为爱因斯坦的观点也起到了一定的鼓励作用(泡利在改变态度之前就已经和爱因斯坦讨论过BKS理论)。

对BKS理论的最后一击是实验性的判断。这个判断来得很快。BKS论文发表仅一个月左右，德国物理学家瓦尔特·博特和汉斯·盖格就完成了一篇重要论文，对康普顿效应进行了详细的研究，初步结果对BKS理论非常不利。第二年(1925年)4月，他们公布了改进后的结果。与此同时，康普顿本人和他的合作者也发布了更复杂的研究成果。这些结果表明，康普顿散射中反冲电子与散射光之间存在明显的同时性和角相关性，这是玻尔等人可以利用的一个细节，因为最初的康普顿实验未能揭示这一点。这个细节与BKS理论完全矛盾，因为BKS预言的散射光发射在时间和方向上是随机的，与反冲电子没有明显的同时性和角相关性。那些更复杂的研究也直接证实了基本过程中的能量和动量守恒，从而判玻尔的观点死刑。

面对无可辩驳的观察事实，玻尔终于投降了。1925年4月21日，在给英国物理学家拉尔夫·福勒的一封信中，他承认“除了为我们的革命努力举行尽可能光荣的葬礼之外，别无他法”。在给德国物理学家詹姆斯·夫兰克的一封信中，他悲伤地说，“我感到非常不幸，我不知道该怎么办。我只想引用瑞利勋爵的话给你，‘有些最了解我的人觉得我应该比现在更自信，也许他们是对的’。信上署名“你不幸的波尔”。