哥本哈根精神_杨福家院士事迹

哥本哈根精神_杨福家院士事迹

——纪念玻尔《原子和分子结构》发表100周年

哥本哈根精神的核心，是在玻尔创导下形成的“平等、自由讨论和相互紧密合作的浓厚学术气氛”。

尼尔斯·玻尔

杨振宁教授在《基本粒子发现简史》[2]一书中，为了说明现代科学研究中出现的合作精神，曾复印了一篇文章的首页，那里署名的作者有36个之多。这样的例子，在今天已屡见不鲜了。例如，在杨振宁的书出版21年后，在发现Z0粒子的文章中，署名作者就多达133个！尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885—1962）似乎早已预见了科学合作的重要性。如果说，在玻尔的57年（1905—1962）科学生涯中，头10年的光辉成就是在1913年发表划时代的三部曲《原子和分子结构》，那么，在第二个10年中，玻尔并没有一两篇文章可以表征这个时期的成果。但是，他在这个时期对科学的贡献绝不比前10年逊色。正是在这个时期，他以自己的威望在他周围汇集起一批杰出的物理学家，形成了“哥本哈根学派”，以集体合作的方式对量子力学的建立作出了卓越的贡献。1921年成立的丹麦哥本哈根大学（University of　Copenhagen）理论物理研究所（1965年改名为“尼尔斯·玻尔研究所”），对近代物理的贡献是难以估量的，它给国际物理学界留下的最深刻的印象则是它的“气氛”——被世人美誉的“哥本哈根精神”。

什么是哥本哈根精神？

正像玻尔的互补原理一样，似乎很难找到一个确切的定义。

玻尔的挚友、著名的物理学家罗森菲耳德(L.Rosenfield)对哥本哈根精神的定义是：完全自由的判断与讨论的美德。

玻尔研究所（这幅照片是2013年10月由该所提供的）

英国科学记者克劳瑟(J.G.Crowther)认为：“哥本哈根精神是玻尔思想的一种表达，它既具有不可超越的想象力，又具有极大的灵活性和完整的智慧鉴赏能力，它能无比迅速地领悟任何新思想的关键和价值。”

澳大利亚《物理》杂志的编辑罗伯逊(P.Robertson)的看法是：“哥本哈根精神或许可以很好地被表征为玻尔给人的一种鼓舞和指导，它与聚集在周围的青年物理学家的才华相结合，体现了领袖与群众的互补关系。”“玻尔依靠他的洞察力和鼓舞力量，把他周围的人的聪明才智充分发挥出来。”

传记作家穆尔（R.Moore）则认为，哥本哈根精神是“高度的智力活动、大胆的涉险精神、深奥的研究内容与快活的乐天主义的混合物”。

可以认为，哥本哈根精神的核心，是在玻尔创导下形成的“平等、自由讨论和相互紧密合作的浓厚学术气氛”。在这样的气氛下，“人的聪明才智得以充分发挥”。

抽象的定义与具体的例子总是互为补充的。下面，让我们来看几个具体的例子。

1922年6月，玻尔应邀赴德国哥廷根讲学，德国一些著名的学者都前来听讲，盛况空前(后被称为“玻尔节”)。当时年仅20岁的大学生海森伯[3]，也随其导师索末菲（Arnold Sommerfeld，1868—1951）从慕尼黑专程赶来聆听玻尔的演说。

在玻尔的每次演讲末了，照例总有一段时间供大家讨论、提问。那位在大学里只读了四个学期的海森伯，对玻尔的一些看法提出了强烈的异议。玻尔一眼就看出，这些异议是经过仔细研究后提出来的。于是，这位在当时已享盛名的教授，当天下午就邀请海森伯到附近山区散步，以便能对问题作深入讨论。在讨论中，玻尔既肯定海森伯的很多想法，又十分坦率地谈了自己的认识过程，还承认“我今天上午说得不够小心”。既讨论科学，又谈家常，使人感到十分亲切。最后，玻尔邀请海森伯到哥本哈根工作一段时间。

海森伯后来回忆说：“这是我记得起的、对近代原子理论的物理内容和哲学问题所进行的第一次最为透彻的讨论，它显然对我今后的科学生涯产生了决定性的影响”，“我真正的科学生涯是从这次散步开始的。”

玻尔则认为，他到哥廷根讲学的最大收获是第一次遇到了两位有才华的青年——海森伯和泡利[4]。

海森伯接受邀请于1924年来到丹麦。不久，玻尔就陪他到哥本哈根北部小城旅行，欣赏丹麦西兰岛的优美风景。这位诺贝尔物理学奖的获得者，与刚从大学毕业的海森伯一起，背着小包，睡在小客栈里，从政治、地理讨论到哲学、物理。这就是玻尔研究所内师生关系的生动写照，“哥本哈根精神”的具体体现。

玻尔靠着非凡的直觉能力，在1921年量子力学建立之前，更为惊人的是在泡利提出不相容原理(1925年)之前，就用原子的量子论解释了元素周期表，预告第72号元素的存在。玻尔曾自信地说过：“我们必须期望第11个电子(钠)跑到第三个轨道上去。”可是，索末菲的学生、比海森伯大一岁的泡利，一点也不喜欢这种牵强的解释。他用了有两个惊叹号的句子加以批注：“你从光谱得出的结论一点也没有道理啊！”泡利对玻尔的批评不讲情面，玻尔却能“认真地对待这种含蓄的批评，不因为受到挖苦而气馁”[5]。

泡利的可贵之处就是敢于提出非常尖锐的批评，他后来成了近代物理学中最著名的评论家。不管你有没有名望，他都毫不客气地进行批评，有时甚至挖苦、讽刺，态度粗暴。海森伯曾说：“不知多少次，他(泡利)骂我‘你这个笨蛋’或者类似的话，这对我很有帮助。可是，我们总是好朋友，我们相互批评，从不见怪。”这位泡利，就是海森伯终身的朋友和科学上的批评者。

在玻尔的邀请下，泡利在玻尔访问哥廷根后就来到哥本哈根。玻尔让他评论研究所的各项工作，并高度评价泡利的作用，不管大事小事，总要去找泡利聊一聊。虽然研究所里很多人都怕泡利，但是，逐渐地大家都开始珍视泡利的批评。甚至在泡利离开哥本哈根之后，他的每次来信都被看作是一件大事，在所内广为传阅。

无疑地，玻尔、海森伯、泡利之间的合作对量子力学的发展起了不可估量的作用。正是他们，形成了哥本哈根学派的核心。

1939年，哈恩（Otto Hahn，1879—1968）发现裂变现象不久，玻尔就到美国去了。在那里，他与惠勒（John Archibald Wheeler，1911—2008）合作研究裂变理论。他们的研究结果表明，只有占天然铀0.7%的铀235能在热中子作用下引起裂变。这是一个十分重要的结论。为了从实验上加以证实，玻尔跑到纽约哥伦比亚大学去找费米（Enrico Fermi，1901—1954），恰巧费米不在，但遇到了一位名叫赫·安德森的研究生。对于这样一位“纤细而恬静，就像孩子刚要成年时那么纤弱”(费米夫人语)的青年人，玻尔却能耐心地、不厌其烦地向他解释裂变现象的理论。玻尔的崇高威望和慈祥态度对这位青年产生了巨大的影响：不仅激起了他对原子核的极大兴趣，而且通过他，使费米在终止了5年之后又开始了实验学家的生涯，并第一次在回旋加速器上进行实验。

费米开始并不相信铀235在裂变中占主导作用，而倾向于铀238。玻尔首先看到铀235的重要性，但由此认为，在天然铀中要实现链式反应是不可能的。费米的实验很快证明了玻尔的理论是正确的，铀235确是天然铀中能由热中子引起裂变的成分。但是，费米并不到此为止，进而想出了巧妙的办法，使天然铀的链式反应得以实现。两位科学巨人互相取长补短，为原子能的人工释放迈出了决定性的一步——原子反应堆诞生了!可是，谁也没有想到，在这个重大问题上，在他们之间搭桥的却是一位青年学生，他是在哥本哈根精神的感召下跨入原子核王国的，后来成为发明原子反应堆的第二号人物。

费米教授

这些例子，还有许许多多例子，算是老生常谈了。甚至到了20世纪60年代初，笔者在玻尔研究所内还从不同人那里至少听了好几遍，但却总是百听不厌!它们确是哥本哈根精神最生动的体现。

哥本哈根精神是怎样产生的呢?为了回答这一问题，有必要回顾一下尼尔斯·玻尔是怎样创建玻尔研究所的。

在1913年玻尔发表划时代的三部曲《原子和分子结构》之后，邀请书纷纷来到了玻尔的手中：1916年，美国加州大学邀请玻尔去工作，英国曼彻斯特大学校长聘请玻尔去任职；1918年，欧内斯特·卢瑟福[6]写出“私人信件，本人亲启”的邀请信，以“把曼彻斯特办成现代物理研究中心”“年薪200英镑(相当于玻尔在丹麦收入的两倍)”为前提，再次请玻尔去英国任职。导师和挚友卢瑟福的邀请，对于玻尔当然具有很大的吸引力，但是玻尔回信道：

我非常喜欢再次到曼彻斯特去。我知道，这对我的科学研究会有极大的帮助。但是我觉得不能接受您提到的这一职务，因为哥本哈根大学已经尽全力来支持我的工作，虽则它在财力上、在人员能力上和在实验室的管理上，都达不到英国的水平。……我立志尽力帮助丹麦发展自己的物理学研究工作……我的职责是在这里尽我的全部力量。

1920年，玻尔又婉拒了来自柏林的邀请，那里的普朗克[7]愿意为他提供一个与爱因斯坦相当的职位。

玻尔一心一意致力于在自己的国土上建立一个物理研究所。1921年3月3日，在近代物理史上有重大影响的玻尔研究所终于宣告成立。在成立大会上，35岁的所长——玻尔说道：

……极端重要的是，不仅仅要依靠少数科学家的才能，而且要不断吸收相当数量的年轻人，让他们熟悉科学研究的结果与方法。只有这样，才能在最大程度上不断地提出新的问题；更重要的是，通过青年人自己的贡献，新的血液和新的思想就不断涌入科研工作。

正如澳大利亚学者罗伯逊所指出的：“这些话，在很大程度上抓住了研究所在今后岁月中应起的主要作用。年轻的丹麦和外国物理学家所带来的新思想和新朝气，在玻尔及其周围有经验的一批合作者的指导下，不久就转化为丰硕的成果。”[8]

在人口不到500万的一个小国里，出现了与英、德齐名的国际物理中心，并一直被许多物理学家誉为“物理学界的朝拜圣地”。

这个圣地的中心人物，当然是尼尔斯·玻尔。他事业心极强，夜以继日地工作，但又幽默好客，不摆架子。他爱才如命，到处物色有希望的年轻人来所工作。他积极提倡国际合作，以致被人誉为“科学国际化之父”。

在他的研究所里，既有22岁当讲师、27岁当教授的海森伯和作为“上帝的鞭子”的泡利，又有开玩笑不讲分寸的朗道[9]，以及“几乎把画漫画、作打油诗作为主要职业，而把物理变成副业”的乔治·伽莫夫[10]。

哥本哈根的气氛使人感到繁忙、激动、活泼、欢快、无拘无束、和蔼可亲。哥本哈根精神随着量子力学的诞生而诞生，并成了物理学界最宝贵的精神财富。

乔治·伽莫夫

补记 2005年7月，笔者第七次访问玻尔研究所。我国驻丹麦大使甄建国先生陪同前往，他曾在41年前抵达哥本哈根大学学习丹麦文，从此与丹麦结下了不解之缘，前后共在这里度过16年，现已成了资深外交官。我们40年未见，这次一起走进了玻尔研究所的一间普通、但不平凡的教室，它只能容纳100人左右，80年来一直是玻尔研究所的学术活动中心。在很多著作中都刊有照片，记载这间教室的辉煌。下面的附照一显示，长板凳上坐满了三排。照片上除尼尔斯·玻尔（前排左二）外，还有本文中提到的年轻的海森伯（左三）、泡利（左四）、朗道（右二），他们后来都获得诺贝尔奖。附照二显示，教室里的座位被全部坐满。照片上除尼尔斯·玻尔（前排左一）外，还有奥格·玻尔（Aoge Niels Bohr，前排左二，当时还未获诺贝尔奖）。

记得在1963年我与张礼副教授一起抵达哥本哈根，到机场迎接我们的布朗（Gerry Brown）教授把我们直接送到研究所，不是先报到，而是先进到这间教室，参加周五例行的学术讨论会，后获诺贝尔奖的奥格·玻尔与本·莫特尔逊（Ben Roy Mottelson）均在场，讨论热烈。以后也在这个教室里，陆续听过温伯格（Steven Weinberg）、詹森（Johannes Hans Daniel Jensen）、海森伯等诺贝尔奖得主的演讲。

这个研究人员不超过100人的小研究所，为何能成为世界研究中心之一，培养或接待了短期工作的诺贝尔奖得主30余人，一度还成为世界科学家“朝拜的圣殿”？这是我从1963年以来经常在思考的问题。2013年9月23日，奥格·玻尔的长子威尔·玻尔（Ville Bohr）在上海作了如下解释：这样一种研究机构的领导者应该具有与众不同的素质，这种素质或许可以用玻尔的名字Bohr中的4个字母的寓意来作概括：b(bright),即首先要有足够的聪明，这是前提;但是仅此还不够，还需要有o(open)，即开放，也就是对新的思维、新的想法，对不同的观点，要有一种开放的心态;再次是h，它有两层意思，一是要有幽默感(humor)，从事科学研究有很多的压力、紧张，你必须要能够找到其中的乐趣，能够幽默，幽默能够帮助你解压，h的第二个解释也就是谦虚、谦卑（humble），有很多的科学家往往自视甚高，目空一切，尽管他们口头也称自己很谦虚，但是心理上不把别人当回事，而尼尔斯·玻尔是从心底里感觉别人有很多好的地方比他自己做得好；最后一个r(resources)，即资源，做好的科学研究一定需要丰富的资源，这里讲的资源不仅仅是研究经费，也包括在精神上是富足的。正因为有了足够的资源，玻尔才能以百分之百的精力投入研究。

三幅附照都是很有科学史意义的，尤其是附照三为出席1927年第五届索尔维会议（Solvay Conference）的科学大师们的合影，真可谓全球最具智慧的一张照片，读者可充分领略他们的风采。

附照一：长板凳上坐满了三排。照片上除尼尔斯·玻尔（前排左二）外，还有本文中提到的、年轻的海森伯（左三）、泡利（左四）、朗道（右二），他们后来都获得了诺贝尔奖

附照二：全部坐满。照片上除尼尔斯·玻尔（前排左一）外，还有奥格·玻尔（前排左二，当时还未获诺贝尔奖） ——感谢威尔·玻尔提供这两张照片

附照三：1927年第五届索尔维会议（Solvay Conference）

前排左起：朗缪尔（I.Langmuir，获1932年诺贝尔化学奖），普朗克(M.Planck，量子力学重要创始人，获1918年诺贝尔物理学奖)，居里夫人（Marie Curie，两次获诺贝尔奖，1903年物理学奖，1911年化学奖），洛伦兹（H.A.Lorentz，创立电子论，发现“塞曼效应”，获1902年诺贝尔物理学奖），爱因斯坦（A.Einstein，创立相对论，获1921年诺贝尔物理学奖），朗之万（P.Langevin，创立“朗之万动力学”和“朗之万方程”），古伊（Ch.E.Guye），威尔逊（C.T.R.Wilson），里查逊(O.W.Richardson) 中排左起：德拜(P.Debey，获1936年诺贝尔化学奖)，克努森(M.Knudsen)，布拉格（W.H.Bragg，现代固体物理学奠基人之一，与儿子W.L.布拉格分享了1915年诺贝尔物理学奖），克莱默（H.A.Kramers），狄拉克(P.A.M.Dirac，创立量子电动力学，建立“狄拉克方程”，获1933年诺贝尔物理学奖)，康普顿(A.H.Compton，发现“康普顿效应”，获1927年诺贝尔物理学奖)，德布罗意（L.de Broglie，创立物质波理论，获1929年诺贝尔物理学奖），波恩（M.Born，获1954年诺贝尔物理学奖），玻尔（N.Bohr，量子力学奠基人之一，哥本哈根学派创始人，获1922年诺贝尔物理学奖） 后排左起：皮卡尔德（A.Piccard），亨利厄特(E.Henriot)，埃伦费斯特(P.Ehrenfest，提出“渐进原理”)，赫尔岑（Ed.Herzen），顿德尔(Th.de Donder)，薛定谔(E.Schrodinger，创立“薛定谔方程”，获1933年诺贝尔物理学奖），费尔夏费尔德（E.Verschaffelt），泡利(W.Pauli，提出“不相容原理”，获1945年诺贝尔物理学奖)，海森伯（W.Heisenberg，矩阵力学创建者，获1932年诺贝尔物理学奖），否勒（R.H.Fowler），布里渊（L.Brillouin）

【注释】

[1]本文原载于《自然杂志》1985年第3期，以纪念尼尔斯·玻尔100周年诞辰；转载于黎先耀主编《科学随笔经典》，科学普及出版社，1999年2月；饶忠华主编《聆听科学：中国科普佳作百年选》，上海科技教育出版社，2001年3月；夏中义主编《人与世界》，广西师范大学出版社，2002年7月。在编入本书时作了一些修改。

[2]上海科学技术出版社，1963年9月。

[3]维尔纳·卡尔·海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976），德国物理学家，量子力学的主要创始人，哥本哈根学派的代表人物，1932年获诺贝尔物理学奖。

[4]沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Ernst Pauli，1900—1958），美籍奥地利物理学家，发现了泡利不相容原理，为原子物理的发展奠定了重要基础，1945年获诺贝尔物理学奖。

[5]这是比利时物理学家罗森菲耳德的话，他也是玻尔的学生。

[6]欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937），新西兰著名物理学家，知名原子核物理学之父。学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。首先提出放射性半衰期的概念，证实放射性涉及从一个元素到另一个元素的嬗变。又将放射性物质按照贯穿能力分类为α射线与β射线，并且证实前者就是氦离子。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”而荣获1908年诺贝尔化学奖。领导团队成功地证实在原子的中心有个原子核，创建了卢瑟福模型（行星模型）。最先成功地在氮与α粒子的核反应里将原子分裂，又发现了质子，并且为质子命名。第104号元素为纪念他而命名为“鑪”。

[7]马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947），德国物理学家、量子力学的创始人之一，与爱因斯坦并称为20世纪最重要的两大物理学家，因发现能量量子化而对物理学的飞跃作出重要贡献，1918年获诺贝尔物理学奖。

[8]来源：Peter Robertson,The Early Years(The Niels Bohr Institute)Akademisk Forlag,1979。

[9]列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau，1908—1968），苏联犹太人，因凝聚态特别是液氦的先驱性理论，1962年获诺贝尔物理学奖。

[10]乔治·伽莫夫（George Gamow，1904—1968），美国核物理学家、宇宙学家。以倡导宇宙起源于“大爆炸”的理论闻名，对译解遗传密码作出过贡献，还提出了放射性量子论和原子核的“液滴”模型。同E．特勒一起确立了关于β衰变的伽莫夫—特勒理论以及红巨星内部结构理论。其科普著作深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。