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2020-01-01物理英雄與大時代的交會— 惠勒與歐本海默 601 期

Author 作者 簡宗奇/桃園市立南崁高中物理科教師。


風雲際會的兩篇論文

1939年9月1日,著名的期刊《物理學評論》(Physical Review)刊載了兩篇論文(下圖),一篇是美國物理學家惠勒(John Wheeler,圖一)與丹麥物理學家波耳(Niels Bohr)聯名發表的〈核分裂的機制〉(The mechanism of nuclear fission);另一篇則是美國物理學家歐本海默 (Robert Oppenheimer,圖二)與他的學生史奈德(Hartland Snyder)合寫的〈持續性的重力吸引〉(On continued gravitational contraction)。就在論文發表當天,納粹德國發動武力侵略波蘭,後來英國與法國對德國宣戰,第二次世界大戰於焉開展。也許是偶然或巧合,這兩篇在《物理學評論》風雲際會的文章,彷彿巧妙地埋下一個伏筆,科學發展對戰爭與歷史產生決定性的作用,而戰爭同時也影響科學家的學術走向與命運,英雄與時勢之間有著微妙的互動關係。
 


圖一:在量子力學與廣義相對論 都有傑出貢獻的物理學家惠勒。
(GFHund, CC BY-SA 3.0, Wikimedia)


圖二:學術發展與組織領導能力兼備的物理學家歐本海默。
(Department of Energy, Los Alamos publication, Wikimedia)

 
波耳與惠勒在論文裡以原子核液滴模型(The Liquid Drop Model)闡述核分裂的機制;液滴模型是波耳在1936 年首先提出,他利用原子核與液滴的相似性來探究原子核質量與束縛能等物理性質。兩人在合作發表的論文裡是以液滴模型與統計理論為基礎,根據古典力學的規律與量子效應的修正,成功說明原子核表面振動與核分裂的機制,建立核分裂的有效理論。這是繼德國化學家哈恩(Otto Hahn)等人做出核分裂實驗、奧 地利物理學家梅特納(Lise Meitner)等人論述核分裂機 制之後的關鍵進展,對美國在數年後為防制德國而進行的原子彈研製計畫有重要的貢獻。
 
而歐本海默與史奈德則在論文中計算出當恆星在耗盡燃料之後,如果質量夠大,星核將會持續地塌縮,重力場會越來越強,最後形成一個奇異的點。此點沒有體積、密度無限大,會阻絕所有光的傳播,如同蠟燭突然熄火、乍失光芒。這是歐本海默在天體物理領域三篇論文中的第三篇,也是史上首次對黑洞做出具體的理論敘述,提出這種星體令人難以置信的性質:「有自我封閉、並與遠方觀察者隔離通訊的傾向,只剩下重力場永垂不朽。(The star thus tends to close itself off from any communication with a distant observer, only its gravitational field persists.)」

歐本海默與史奈德的計算是基於愛因斯坦(Albert Einstein) 廣義相對論的重力研究,只是在當時並未引起熱切的關注,因為大部分科學家熱衷的是環繞在核物理發展上的量子力學;向來擅於評論的蘇聯物理學家朗道(Lev Davidovich Landau)則對這篇論文給予高度的評價,他將此文列入他的「金榜」並奉為經典。如同一壺佳釀醇酒,一開始風味輕薄、幽郁淡雅,但是卻越陳越香、後勁十足,這篇文章在後來受到重視的程度遠勝過當時。

卓越的風格大師


波耳對近代物理的貢獻自不待言;眾所公認20 世紀物理學第一人是愛因斯坦,而第二人就是波耳。他以拉塞福(Ernest Rutherford)的原子核理論和普朗克(Max Planck)的量子說為基礎,提出一個成功說明氫原子光譜的模型,並以互補原理和哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)來解釋量子力學,對20世紀物理學的發展影響深遠。惠勒就是在哥本哈根大學與波耳做博士後研究,也因此繼承衣缽,後來成為量子力學哥本哈根學派的一員大將。
……【更多內容請閱讀科學月刊第601期】