丹麦著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者阿格·尼尔斯·玻尔(Aage Niels Bohr)自2009年9月8日在丹麦逝世后,世界为此失去了一位顶级理论物理学家。阿格是揭秘大自然奥妙长期接力中的一束不停燃烧的火焰,也是一位具备深远洞察力的智者,其非凡的天赋同时也得益于他那非同寻常的家庭背景。
阿格·尼尔斯·玻尔
子承父业
阿格于1922年6月19日出生在丹麦哥本哈根,他是20世纪世界物理学泰斗、量子物理学先驱尼尔斯·H·D·玻尔(Niels H. D. Bohr,1850-1962)的第四个儿子。几个月后,他父亲因对原子结构理论的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。追随父亲的足迹,阿格在原子核物理学领域做出了杰出的贡献,并于1975年被授予诺贝尔物理学奖。
阿格从小就在一群卓越科学家――“克莱默斯叔叔(Kramers)”、“克莱茵叔叔(Klein)”、“仁科叔叔(Nishina)”、“海森伯叔叔(Heisenberg)”和“泡利叔叔(Pauli)”等――的身边长大(他们都与阿格的父亲共事过),在嘉士伯荣誉公寓度过了他的青少年时期。从1932年起,阿格的父母经常在那儿接待学者、艺术家和公众人物。就在纳粹德国占领丹麦后不久的1940年,他开始在哥本哈根大学攻读物理学学位。到了1943年,由于犹太人血统的原因,玻尔一家不得不逃离丹麦到邻国瑞典躲避纳粹的逮捕。
在瑞典短暂停留一段时间后,玻尔一家又继续避难来到了英国,父子两人在那儿应聘加入了总部设在伦敦的英国科学和工业研究部参与代号为“合金管”的核武器研究计划。此后的1943年到1945年,阿格与他父亲来回穿梭于伦敦、华盛顿和洛斯阿拉莫斯之间,阿格担任父亲的助手和秘书并分享父亲与“曼哈顿”计划有关的思想和工作。1944年,玻尔父子前往美国洛斯阿拉莫斯参与曼哈顿核弹研究计划。
战争结束后,阿格于1945年8月返回丹麦。一年后,他在哥本哈根大学取得了硕士学位,之后去了美国:1948年进入普林斯顿大学高等研究院学习工作;1949——1950年,在哥伦比亚大学与伊西多·I·拉比(Isidor I. Rabi,1944年诺贝尔物理学奖获得者)一起工作。在哥伦比亚大学,阿格拥有一个研究职位并与詹姆斯·雷恩沃特(James Rainwater)在同一间办公室办公,两人共同发表了关于原子核非球形磁矩的论文。从1951年起,阿格开始与本·莫特尔森(Ben R.Mottelson)合作。
摘取诺奖
1956年,阿格回到哥本哈根大学,1963年接替父亲成为哥本哈根大学理论物理研究所所长。在完成了博士论文《原子核内的旋转状态》后,阿格成为尼尔斯·玻尔研究所的所长,并担任这个职位直到1970年。阿格和莫特尔森在《原子核结构》、《单粒子运动》(1969)和《核变形》(1975)等专著中系统地阐述了他们对原子核的理解。1975年,阿格、北欧理论原子物理研究所(NORDITA)的本·R·莫特尔森(Ben Roy Mottelson)和哥伦比亚大学的利奥·J·雷恩沃特(Leo J.Rainwater)三人因发现原子核内集体运动和粒子运动之间的联系以及基于这一联系而发展的原子核结构理论而分享诺贝尔物理学奖。
获奖之后,阿格成为了北欧理论原子物理研究所所长,任期至1981年;1982年,他开始与欧雷·乌尔夫贝克(Ole Ulfbeck)合作开设一门新的研究生课程“量子和物质的组成”;在1986——2009年间出版的五部著作对量子不确定性的起因和内容作了重新评价。
对于那些不熟悉阿格的人来说,他的轨迹也许看似有点矛盾:在他科学生命的前半部分,他是一个中心人物,是一所非常令人向往的研究中心――这是世界各地核科学家迟早要去的地方――的领导者;另一方面,阿格也是一位深居简出的思想家,他把自己生命的最后25年时间奉献给了对量子概念的分析工作上,然而却迟迟没有动笔论述这一主题。阿格的科学生命明显具有两重性。
两难推论
一定范围的原子核具有诸如将反映独立粒子运动的能量与电矩和磁矩在其平均场里以较长核子平均自由程结合起来的特性,这一点在1940年代后期被令人信服地证明之后,阿格很快成了一名挂牌的物理学家。因为这是一个惊人的发现和两难推论,意味着原子核也有一个类似于原子周围电子壳层结构的壳结构(与原子模型部分类似,容易计算核内单粒子的属性,而液滴模型则侧重整体属性)。与此相反,用来解释越来越多实证的基础却一直是液滴模型(把原子核看作不可压缩的流体)和复合核模型。在这些模型中,核子之间的力使得核子的运动强力耦合。尽管该模型非常简单,但核子之间的复杂力量至今仍然未被人们完全理解。
到了1950年,调和这两幅截然不同图景的需要已迫在眉睫,核电四极矩为此提供了重要的线索:由于核电四极矩有时候要比可归因于单一质子并直接指向作为整体的原子核变形大不止一个数量级,关键是球壳结构的退化可能在事实上使具有部分充实壳结构的含粒子核实现各向异性内在单粒子密度和平均场的平衡。雷恩沃特也认识到了这一点。空间的变形意味着集体旋转的可能性,这种旋转带结构在库仑激发过程中获得的惊人发现为该图景(1953)的集体元素提供了一个早期的立足点。
研究发现,核旋转状态的惯性矩明显小于我们对不相关单粒子运动所预期的刚性旋转惯性矩,从而表现出相关性(1955)。在与戴维·派恩斯(David Pines)的合作中,有人提出必然相关性可能与对结合所产生的准粒子激发谱的能隙有关,就如巴丁-库珀-施里弗电子超导理论中所述的那样。
事情逐渐明朗了。当时人们实际上是在探究全新的多体量子系统,由于对个别量子状态及其转变的详细观察的唯一可能性而与众不同――该项探索成为了适合在多维度(自旋、同位旋、轨距、轨道空间)对称描述量子多体概念广泛发展的一部分。最终,这项发展揭示了核材料集体特征的普遍存在,比如,新维度中核场的震动量子、静态变形以及具有深刻意义的核场零频模式(戈德斯通玻色子)。相异图景的两难推论使该项发展处于动态之中,从而为描绘更全面的图景提供了可能性――这在很大程度上符合阿格对各种冲突所抱的态度。
火焰熄灭
阿格酷爱古典音乐,对钢琴演奏颇有热情。他于1950年与玛丽埃塔·索弗(Marietta Soffer)结婚,生有两男一女。索弗于1978年去世。1981年,本特·M·夏夫(Bente M.Scharff)成为阿格的第二任妻子。第一任妻子的去世对阿格打击很大,在这个十字路口上,他慎重地调整了自己的生活和工作,卸去了在尼尔斯·玻尔研究所和北欧理论原子物理研究所担任的领导职务。
当时阿格认为,开发有关量子现象的综合性研究生课程是一项挑战,这些量子现象把扩大了的时空对称性作用带进了量子力学自身的前沿阵地。用新眼光重新审视老问题――尤其是量子不确定性的起源和内容――是不可避免的,这在此后的20年里一直引导着人们――如阿格和乌尔夫贝克等人――寻求一个量子力学以令人注目的方式籍以发展的基本原则。
量子力学认为,由粒子引起却又无法作出因果分析的事件是存在的。而阿格试图通过在解释实验证据时彻底打破因果关系来避免使用如此自相矛盾的概念。这样一来,计数器里的读数可以出人意料地成为一条基本公理(被称作随机事件),从而提供了迄今尚缺失的支撑量子力学的一条原则。这一原则所产生的深刻蕴涵――与根深蒂固的观念以及坚信原子是引起该读数的信念大相径庭――完全占据了阿格最后十年的思考和精力。
甚至在阿格生命的最后几个月时间里,他还仍然在苦苦寻找能通过复值对称波这个中介连接自存读数和时空对称性里固有的概率结构的适用方程式。但这束火焰最终还是熄灭了。
责任编辑 则 鸣