科學被普遍認為是人類最偉大的事業(yè),在某種意義上,科學的水平代表了人類認識自然的能力??茖W是生活在這個星球上不同時代、不同國家、不同職業(yè)的人的共同文明成果。
例如,能量守恒與轉化定律的發(fā)現是牛頓建立力學體系以來物理學取得的最重大的成就,被認為是自牛頓力學以后的科學發(fā)展的第二次大綜合。它是在19世紀30—40年代間,由不同國家、不同職業(yè)的十幾位科學家分別從不同的側面各自獨立地提出的,其中德國的邁爾和赫爾姆霍茲、英國的焦耳是做出主要貢獻的三位科學家。
又如,量子力學是集普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡、德布羅意、泡利、玻恩、薛定諤、狄拉克、約當、費曼、費米等超一流智慧最終建立的。這些科學家來自不同的國家和民族,它們有著不同的教育背景和人生經歷,而且性格各異,這集中體現了科學事業(yè)的國際化。
由于量子力學是20世紀物理學的基礎,其重要性再怎么強調都不為過,所以量子力學的主要奠基人在物理學史甚至整個科學史上都具有崇高的地位。英國雜志《物理學世界》在100位著名物理學家中評選的10位最偉大人物分別是愛因斯坦、牛頓、麥克斯韋、玻爾、海森堡、伽利略、費曼、狄拉克、薛定諤、盧瑟福。其中,除了牛頓、麥克斯韋、伽利略和盧瑟福以外,都是量子力學的奠基人。盧瑟福作為原子物理學和核物理的奠基人,曾經提出過核式原子模型,從廣義上也為量子力學的建立做出了貢獻。
因此,我按照自己設定的標準選出10位對量子力學的建立做出杰出貢獻的物理學家進行了詳細介紹。
阿爾伯特·愛因斯坦(德國、瑞士、美國)
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愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家,他被認為是人類歷史上最具創(chuàng)造性才智的人物。他一生中開創(chuàng)了物理學的四個領域:狹義相對論、廣義相對論、宇宙學和統(tǒng)一場論。他還是早期量子論的三大先驅者之一,在分子運動論和量子統(tǒng)計理論等方面也作出了重大貢獻。他的科學工作成為20世紀物理學的基石,為我們理解自然界的基本規(guī)律提供了新的依據,同樣加強了我們利用科技支配自然的能力。
愛因斯坦一生中最具傳奇性的經歷是在被譽為愛因斯坦奇跡年的1905年,他利用在瑞士伯爾尼專利局工作的業(yè)余時間寫了6篇論文,其中的三篇論文分別在三個不同的領域中取得歷史性成就。
他生命中最后20多年一直致力于尋找能將引力理論和電磁理論結合起來的統(tǒng)一場論,盡管沒有取得成功卻被證明是超越了時代。現在,尋找比統(tǒng)一場論包含內容更廣泛、能夠統(tǒng)一解釋各種基本相互作用的理論,是理論物理學最重要的問題。
他與以玻爾為代表的哥本哈根學派圍繞量子物理的基本規(guī)律以及量子力學理論的完備性的著名論戰(zhàn)影響至今,被傳為20世紀學術界的佳話。他在生活上不拘小節(jié),且有些多情,但這絲毫不影響他在人們心目中的完美形象。1999年12月26日,愛因斯坦被美國《時代周刊》評選為“世紀偉人”。
尼爾斯·玻爾(丹麥)
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在所有的發(fā)展量子論的人中,玻爾的貢獻最大,被譽為量子論的“教皇”。玻爾是早期量子論的三大先驅者之一,他在1913年提出的原子模型為量子論的最終創(chuàng)立奠定了基礎。他關于量子理論的哥本哈根詮釋至今仍然占據著統(tǒng)治地位,并影響著我們對宇宙的看法。
他所創(chuàng)建的哥本哈根物理研究所在創(chuàng)立量子力學的過程中成為世界物理研究中心,在此基礎上建立的哥本哈根學派是人類歷史上最具影響力的學派之一,玻爾、海森堡、狄拉克、泡利、朗道、伽莫夫等人都曾在此學習或工作過,這個研究所以其一批批杰出的科學巨匠和出色的科學成就而享譽世界。他所倡導的哥本哈根精神也為國際科學界所傳頌。玻爾在科學史上的地位獨一無二,幾乎無人能及。簡而言之,玻爾對20世紀物理學的貢獻僅次于愛因斯坦。
馬克斯·普朗克(德國)
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19世紀后期,隨著力學、熱力學、統(tǒng)計物理學、電磁學以及電動力學取得一系列成就,經典物理學達到頂峰。許多物理學家認為物理學已接近完美,后輩們只要做一些零碎的修補工作就行了。
事實上,當時的物理學正面臨著前所未有的危機,在物理學平靜而晴朗的天空出現了兩朵令人不安的的烏云。普朗克撥開了其中一朵,提出了量子假說。他的工作發(fā)起了量子理論,結束了經典物理學一統(tǒng)天下的局面,之后永遠地改變了物理學的基本框架,普朗克的工作太非凡、太重要了,以至于他有時被認為是可以和牛頓及愛因斯坦齊名的科學家。
作為最后幾位偉大的經典物理學家之一和第一位現代物理學家,普朗克既是一位堅定的保守派又是一位勇敢而極具創(chuàng)新精神的的改革家,他在物理學史上第一次打破經典物理學連續(xù)性觀念的束縛于1900年提出能量子的概念后就停止了腳步,甚至曾經非常努力試圖將量子假說納入經典物理學的框架內。盡管如此,普朗克作為一名舉足輕重的“過渡人物”,只要自然科學存在,普朗克的名字就不會被遺忘。
維爾納·海森堡(德國)
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海森堡在年僅24歲時就成為量子力學的主要創(chuàng)立者之一,他于1925年提出矩陣力學這一發(fā)現被認為是現代物理學的一個關鍵轉折點。1927年,他又提出了“測不準原理”,這一原理的提出意味著測量亞原子粒子的所有努力都是白費力氣。作為哥本哈根學派的主要代表之一,海森堡提出的測不準原理對哥本哈根詮釋統(tǒng)治地位的確立功不可沒。
作為一個年輕人,海森堡毫無疑問是幸運的,因為他先后師從當時處在原子物理學與量子理論最前沿的索末菲、玻恩以及玻爾。優(yōu)秀的導師將海森堡一下子就帶入到學術的最前沿和最核心地帶,使他在從事研究工作時事半功倍。正如海森堡后來回憶說他是倒過來學物理的,先學原子物理,再學經典力學。
納粹統(tǒng)治時期海森堡并沒有像很多物理學同行那樣去美國,他選擇留在德國,主要從事核裂變研究,并被任命為原子彈項目的負責人,但直到戰(zhàn)爭結束都沒有將原子彈造出來。是由于海森堡根本就不會造原子彈,還是出于對人類的憐憫之心使他放棄了這一想法?這一切都無從得知。這位20世紀最年輕有為的物理學家同時也成為了20世紀最具爭議的物理學家。
埃爾文·薛定諤(奧地利)
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薛定諤是20世紀最具影響力的科學家之一。對于20世紀的物理學和生物學而言,薛定諤都具有極其顯著的重要性。1925年,薛定諤在讀了德布羅意關于物質波的論文后僅用了兩個月時間就建立了波動方程,創(chuàng)立了波動力學。這一描述電子繞原子核運動的方程式被玻恩稱為物理學史上最卓越的成就。
薛定諤對物理學的哲學意義也有著濃厚的興趣,他在“科學是統(tǒng)一的”這一信念的支持下投身到生命科學的研究中。他創(chuàng)作的《生命是什么》一書雖然簡短卻被證明是20世紀最有影響力的科學著作之一。他的著作開創(chuàng)了從物理學角度研究生命科學的先河,更深遠的意義的是他將對生命現象的解釋從細胞水平提高到了分子水平。DNA雙螺旋結構的發(fā)現者沃森和克里克都聲稱他們尋求生命奧秘的強烈愿望是受到了薛定諤《生命是什么》一書的啟發(fā)。
薛定諤個性復雜矛盾卻極具教養(yǎng)、口才好,而且還很多情。他在去世前不久,曾經說過,如果要寫一篇簡短的自傳的話,那必須省略非常豐富的的一部分,即涉及到他與女人的關系。總之,薛定諤的巨大影響力不會隨著時間的消逝而慢慢衰退。
保羅·狄拉克(英國)
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狄拉克是量子力學史上的一個極其關鍵的人物。他創(chuàng)造性地把愛因斯坦的狹義相對論引進了量子力學,給出了描述電子運動的相對性方程。這個方程后來成為相對論性量子力學的基礎。量子力學與相對論的結合使得電子的自旋和反粒子的存在變得很自然。
作為場論和量子電動力學的奠基人,狄拉克對物理學的影響廣泛而深遠。他預言的反物質至今仍是粒子物理學家探索的對象,他關于磁單極子的預言雖然沒有得到證實,卻與20世紀后30年物理學界孜孜以求的弦理論密切相關。1932年起他開始當任劍橋大學歷史上最崇高的盧卡斯數學教授職位將近四十年,這是牛頓曾經當任過的職位。狄拉克性格比較內向,相對于物理學的哲學意義而言,他對物理學的數學美更感興趣。
路易斯·維克托·德布羅意(法國)
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物質波理論的創(chuàng)立者、法國公爵兼德國王子德布羅意或許是家世最顯赫的科學家之一。對于很多物理學家來說,德布羅意的成功是一個難以解開的謎。德布羅意十八歲就獲得了巴黎大學的歷史學學士學位。后來他聽到作為第一屆索爾維會議秘書的哥哥莫里斯談到關于輻射與量子等問題的討論后,尤其是讀了龐加萊的《科學的價值》等書,他決心投身物理學。他后來回憶說,“我十九歲的時候,感覺到心底產生一種理論物理的召喚”。兩年后,他獲得了理學學士學位。一戰(zhàn)期間,他在軍隊從事無線電方面的研究。退伍后,他到大學繼續(xù)攻讀物理學博士學位。
受愛因斯坦的光具有波粒二象性思想的啟發(fā),他在1924年的博士論文中大膽的提出電子具有波動性這個具有革命性的新思想,并進行了嚴謹的論證。德布羅意的新理論在物理學界掀起軒然大波,這種在并無實驗證據大條件下提出的新理論使得人們很難接受,卻受到了愛因斯坦的大加贊賞。三年后,電子具有波動性被實驗證實,他的理論作為大膽假設而成功的例子獲得了普遍的贊賞。
后來,薛定諤發(fā)展了德布羅意的理論,創(chuàng)立了波動力學。在二十世紀關于量子力學詮釋的大論戰(zhàn)中德布羅意與愛因斯坦、薛定諤一樣站在了因果律決定論一邊,盡管他的立場似乎不是很堅定。但作為科學界一位持久具有影響力的人物,德布羅意的工作為量子力學的成熟打下了基礎,在量子力學發(fā)展過程中具有劃時代意義,成為現代科學史上的一個重要里程碑。
馬克斯·玻恩(德國、英國)
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玻恩是二十世紀最重要的物理學家之一。作為量子力學這一術語的提出者,玻恩是唯一對量子力學中兩個不同卻等價的描述電子圍繞原子核運動的方程式,即海森堡提出的矩陣力學和薛定諤創(chuàng)立的波動力學都作出了巨大貢獻的科學家,且起著關鍵的作用,盡管他的工作多是闡述性的。
在與海森堡一起將矩陣力學系統(tǒng)化為量子力學的一般理論后,玻恩提出了波動力學的波函數統(tǒng)計解釋,使得薛定諤的方程真正為公眾普遍接受,并為海森堡提出“測不準原理”奠定了基礎。
玻恩與愛因斯坦的長期通信使得愛因斯坦的那句“上帝是不擲骰子的”聞名天下。無論愛因斯坦是否正確,玻恩的工作及其在二十世紀物理學界的地位都不是上帝擲骰子的結果,因為他在量子力學的發(fā)展過程中作出的比任何人都要多。
沃爾夫岡·泡利(奧地利、美國)
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被譽為物理學的良知和上帝的鞭子的泡利對量子力學的重要性不在于絕對基本的發(fā)現,而在于他為海森堡等人創(chuàng)建量子力學提出了許多有創(chuàng)建的見解和批評。他在1925年提出的“泡利不相容原理”被認為量子力學的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得當時所知的許多有關原子結構的知識變得條理化。而他提出的非相對論性的自旋理論則成為量子力學中非常重要的工具。
泡利在學問上嚴謹博學,生活上為人刻薄,語言尖銳,但這并不影響他在物理學家心目中的地位。在量子力學這個人才輩出的領域,泡利絕對不是配角,他的眼光獨一無二,他的工作使他永遠躋身物理學殿堂最耀眼的巨星的行列。
理查德·費曼(美國)
費曼是二十世紀后五十年里最重要的物理學家之一,他被普遍認為是二十世紀誕生于美國的最偉大物理學家。他迷人的性格與傳奇的人生經歷使他的名聲超出了科學界的圈子。
他提出的量子力學路徑積分形式的重要性可以與矩陣力學、波動力學相媲美。他提出的費曼圖、費曼規(guī)則和重整化的計算方法是研究量子電動力學和粒子物理不可缺少的工具,被認為比近代科學史上任何其他數學形式描述都更大地改變了對基本物理過程形成概念及進行計算的方法。除了重組量子電動力學,給予它極大的精確性以外,費曼在弱相互作用理論以及夸克理論的發(fā)展過程中同樣起著關鍵作用。
費曼是一位極其優(yōu)秀的教師,根據他的講課錄音整理編著的《費曼物理學講義》被認為是二十世紀最經典的物理學導引教材。費曼有著深邃的直覺和獨立完成工作的獨特能力,性格特立獨行,據說他能夠將洗衣機的每一個零部件安裝到一部粒子加速器上。
英國雜志《物理學世界》在100位著名物理學家中評選的10為最偉大人物中費曼僅次于愛因斯坦、牛頓、麥克斯韋、玻爾、海森堡以及伽利略之后,名列第七位。盡管很多人認為費曼獲得的聲譽勝過他的實際貢獻,但費曼的的工作毫無疑問是他人僅憑努力不可企及的。
小結
以上十位物理學家在物理學界都是無人不知的,他們的貢獻在很大程度上改變了這個世界的面貌,他們的命運與20世紀的整個人類的命運密切相關。
這10位物理學家當中有很多人在二戰(zhàn)中被迫流亡,也有很多人參與了原子彈的研制工作。他們因為二戰(zhàn)而改變了命運,而他們在二戰(zhàn)期間的工作又改變了整個人類的命運。
德國物理學家愛因斯坦在20世紀初提出了質能關系式,這成為原子彈制造的基礎。在受到納粹迫害后流亡美國,后來加入美國國籍,正是由于愛因斯坦寫信給羅斯福,才有了制造原子彈的曼哈頓工程。
德國物理學家普朗克由于年事已高沒有受到迫害,但他的兒子因刺殺希特勒被處死。
丹麥物理學家玻爾在祖國淪陷后逃亡至美國,并直接參與了原子彈的設計和制造工作。
德國物理學家海森堡領導了德國原子彈的研制工作,只是他的原子彈不知什么原因直到納粹德國投降都沒有造出來。
奧地利物理學家薛定諤和德國物理學家玻恩在二戰(zhàn)期間也受到納粹德國的迫害,被迫流亡英國。奧地利物理學家泡利則流亡美國。
美國本土出生的費曼也直接參與了原子彈的設計和制造工作。
二戰(zhàn)期間,大量歐洲各國的科學家移民至美國,世界科學研究的中心也由德國遷移至美國,這是美國成為當今世界上唯一的超級大國的重要原因。
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