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科学界的巨人——1967年诺贝尔物理学奖获得者——汉斯·贝特 精选

已有 6322 次阅读 2021-7-17 12:09 |系统分类:人物纪事

在亚里斯多德以前的年代,人们靠常识性实践来认识世界。曾得到”重球比轻球落地快”荒谬的结论。这种用常识来认识事物的方法在伽利略以后就被淘汰了,现在应该用科学的方法认识世界。科学方法通常是能量化的,比如对物体下落的解释可以使用方程s=1/2gt2, s为物体下落的路程,g为重力加速度,t为下落时间。量化后,人们不仅能知道自由下落的重球和轻球同时落地,更能预测出任何时刻小球的位置。在此基础上可也从自由落体延伸到抛体运动,可以推导出抛出物体的轨迹,帮助导弹部队准确命中目标。从这个例子中,可以看出科学的力量。


说这些话,并不是要否认常识性思维。常识性思维比较容易获得,或许里面还藏着科学的萌芽,但必须经过量化后才能得到检验和提升。比如,有些人看到自然界中的稳定物体,大型的天体都是球体,金字塔是四面体,于是就推论原子核的形状有球体、四面体、六面体、八面体等;也有人用氘或氦作为基本结构来解释所有原子甚至天体。如果仅停留在这一步,还只是一些大众想法,其他人说不定也早就有过这种想法。无论这种想法多么巧妙,它都不能被称作科学。只有把这些想法经过量化后,才能被证实或证伪,那些被证实了的想法才有希望成为科学学说。举个例子,在卢瑟福发现原子核之后就有人想:原子核带正电,电子带负电,它们一定会被吸到一起成为物质组成的一个结构单元。按常识判断这种说法是不是有点意思?但是,请不要以为你获得了伟大的发现,必须经过量化后才能得到科学结论。卢瑟福等人经过量化计算判断,电子要自由地进入原子核是很难的,除非原子核的衰变需要它。无论是经典模型还是量子模型都得到结论,电子只能在波尔半径或以外运动,再往里电子的速度就要超过光速才能使其受到的电力等于向心力,而这又是违背已有的实验结论的。量子力学告诉我们,电子位于核外的一些分立轨道上,不能有两个或两个以上的电子处于相同的状态。可以看出,某些看似有意思的想法在量化后是站不住脚的。


科学量化说起来容易,其实是很困难的。特别是社会快速发展的今天,有些常识性的想法其实已经被数百上千人思考过了,简单的量化早就开花结果了,剩余的肯定是难上加难了,只有那些锲而不舍的天才科学家才能做到。这篇博文我就想说一下具有这种能力的天才科学家——汉斯·贝特。


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汉斯·贝特是上个世纪最伟大的问题解决者,可以说是一位科学量化大师。他是20世纪最多产的一位科学家,被誉为科学界里的“战舰”和“推土机”。“有困难找贝特”是当时科学界里的一句流行语。


查德威克发现中子后曾经进行氘的破裂实验,希望从中找出中子。实验做好了,但无法用理论解释,于是就有人推荐他去找贝特。贝特了解了情况后,马上动手,在火车上就帮助解决了氘破裂计算的难题;1938年之前,人们对恒星的了解还不充分,尤其不知道恒星长期持续发热发光的能源来自哪里。于是,伽莫夫和他的助手泰勒(氢弹之父)在华盛顿大学举办了一个恒星能源研讨会,专门邀请贝特参加。贝特当时对天体物理不怎么熟悉,通过交流对恒星中的核能源产生了兴趣。在会议结束回康奈尔的火车上,贝特就解决了这个从爱丁顿到伽莫夫等人都未能解决的世纪难题;1947年贝特最早用重正化理论计算了兰姆移位,准确地解释了这个一度使人困惑的实验,为量子电动力学的发展做出了贡献。


贝特一生中做了大量科学量化工作,教课书中用他的名字命名的公式就有八个之多,其中包括我们最常用的核在介质中的阻止本领公式。贝特的著作也很多,他的原子核理论丛书被称为“贝特圣经”。90多岁时,贝特还在进行超新星、中子星和黑洞的研究,计算了中子星-黑洞,黑洞-黑洞并合产生引力波的概率,为美国的引力波观测计划立项做出了重要贡献。在他生命的最后几年,他通过吃素食,长走健身,希望能活着看到引力波事件。


1967年,贝特因其在恒星核合成方面的革命性工作而获得诺贝尔物理学奖。这项奖励是首个天体物理相关的诺贝尔物理学奖,这是一个突破,贝特一人独享所有奖金。据统计,贝特的诺奖提名次数很多,仅次于庞加莱和他的老师索末菲。这两人都是数学背景的贡献,未获奖励委员会的认可。


贝特去世那一年,《科学》杂志专门撰文评述他的贡献:他不像海森堡和狄拉克那样是一位深刻的思想家,后者在20世纪20年代奠定了现代物理学的基础。但是他把他们的理论变成了理解原子、恒星以及两者之间的一切行为的实用工具。许能用牛顿在《数学原理》第三卷,也就是最后一卷中所说的话来描述他对科学的贡献:“从同样的原理出发,我现在证明了世界体系的框架。”




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