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曼哈顿计划的灵魂人物20世纪最强问题解决者
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曼哈顿计划的灵魂人物20世纪最强问题解决者

时间: 2023-12-13 15:37:11 |   作者: 乐鱼体育直播在线

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  贝特是物理学与天体物理学领域的一代宗师,对量子力学、固体物理学、核物理、天体物理学、量子电动力学与粒子物理学等多个领域都做出杰出贡献,因此荣获1967年的诺贝尔物理学奖与其他多项大奖。在曼哈顿计划中,贝特以理论部主任的身份带领一批杰出的物理学家,解决了制作的完整过程中的众多关键问题。贝特因为其计算能力超强、贡献成果超多、涉猎范围超广,而被戴森称为“20世纪最强问题解决者”。

  当人们说起曼哈顿计划(Manhattan Project)时,大概率首先想起的是被称为“之父”的奥本海默(J. Robert Oppenheimer,1904-1967)。事实上,奥本海默并不参与爆炸原理的研究与具体的复杂计算,承担这一任务的是曼哈顿计划的理论部,这是洛斯阿拉莫斯实验室中最重要的部门。

  理论部主任贝特(Hans Albrecht Bethe, 1906-2005)位于这个智力金字塔的顶端。在他的带领下,理论部克服种种困难,解决了研制过程中的众多重要理论问题,保证了项目的成功。

  贝特同时是一名杰出的物理学与天体物理学大师。他被任命为曼哈顿计划理论部的主任,正因为他此前已是美国核物理领域的领军人物。他的科研生涯持续了至少70年,其中有至少50年持续处于巅峰期。在此期间,他转战不相同的领域,均获得重要的、甚至划时代的成果,表现出过人的天赋、勤奋与创造力。由于系统而深入研究了主序恒星(包括太阳)内部的核聚变过程,他获得1967年的诺贝尔物理学奖,获奖理由是,“他对核反应理论的贡献,特别是关于恒星内能量产生的发现。”

  1906年7月2日,贝特诞生于当时属于德国的斯特拉斯堡(Strasbourg,现在属于法国)。

  贝特的父亲阿尔布雷希特·贝特(Albrecht Julius Theodor Bethe,1872-1954)是一名生理学家,主要研究无脊椎动物的神经系统。阿尔布雷希特于1895年在慕尼黑大学获得哲学博士学位,于1896年到1911年在斯特拉斯堡生理学研究所工作,于1898年在那里获得医学博士学位[1]。

  贝特的外公亚伯拉罕·库恩(Abraham Kuhn,1838-1900)是斯特拉斯堡大学的教授,他的女儿安娜·库恩(Anna Kuhn,1876-1966)嫁给阿尔布雷希特后改名为安娜·贝特-库恩(Anna Bethe-Kuhn)。贝特出生时,他外公已经逝世。

  1911年,阿尔布雷希特成为基尔大学生理学研究所的教授和主任。1915年,阿尔布雷希特成为法兰克福大学生理学研究所所长[2]。这两次任命使贝特一家两次搬家,贝特也因此辗转多个学校读书。

  1924年,贝特高中毕业,进入法兰克福大学攻读化学专业学位。事实上,贝特不适合这个专业,因为他的实验能力很差,屡次出问题;最严重时,他把硫酸洒到了自己的实验服上。这一点,他与后来的好友奥本海默同病相怜。

  1926年4月,在老师的建议下,贝特转学到慕尼黑大学,师从著名理论物理学家索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)。擅长理论研究的贝特从此如鱼得水。索末菲建议贝特以晶体中的电子衍射作为研究课题,他也由此进入固体物理学领域。

  1929年,贝特发表了数篇论文,研究包括氢原子电子能的对称、氦气体的电子分布、晶体分离等课题,这些课题涉及量子力学与固体物理学。在索末菲的推荐下,贝特获得洛克菲勒基金会(Rockefeller Foundation)提供的游学奖学金(Travelling Scholarship),每个月150美元(相当于2023年的约2765美元)。

  1930年,贝特发表了长达76页的论文《高速粒子射线]。这篇论文从薛定谔方程出发,利用傅里叶变换,获得著名的“贝特公式”(Bethe formula)。这个公式描述粒子通过介质时的平均能量损失。贝特后来认为这是自己一生中最伟大的论文(没有“之一”),当时他才24岁。这篇论文至今为止被引用了6千多次。

  同年,贝特利用游学奖学金访问剑桥大学卡文迪什实验室,做福勒(Ralph Fowler,1889-1944)的博士后。布莱克特(Patrick Blackett,1897-1974)希望他能够将“贝特公式”推广到相对论情形,以描述极端高速的粒子。贝特满足了布莱克特的愿望,将推广后的公式写入论文《相对论性电子减速公式》

  [5]。这篇“论文”以摄氏度为单位计算绝对零度时的精细结构常数,以嘲笑当时一些物理学家拼凑物理学常数。天体物理学大师爱丁顿(Arthur Eddington,1882-1944)就曾经用一些数字拼凑精细结构常数的值。(编者注:参见《他是天体物理学的一代宗师,也是学科发展的绊脚石?》)贝特等人在此后道歉。[6]

  [7]。这篇论文提出了著名的“贝特假设”(Bethe ansatz),用以精确计算一维量子多体模型问题,寻找某些量子多体模型的波函数的精确本征值与本征函数。至今为止,这篇论文获得4700多次引用。物理学大师费曼(Richard Feynman,1918-1988)在逝世前写在黑板上的待学习(To learn)主题之一就是“贝特假设问题”(Bethe ansatz problems)。而当年贝特发表这篇论文时,还未满25岁。

  贝特1932年还写了两篇综述。第一篇的主题是氢和氦的量子力学,第二篇的主题是金属中的电子。1959年,巴彻(Robert Bacher,1905-2004)与韦斯科普夫(Victor Weisskopf,1908-2002)为了再次出版贝特那篇关于量子力学的综述而认真阅读,发现它博大精深,仅需要极少的更新即可再版。

  结束游学后,贝特回到德国,并于1932年成为图宾根大学的助理教授。然而,纳粹德国很快开始排犹。由于贝特的母亲有1/2犹太血统,他也受到牵连而被大学解雇。在英国物理学家小布拉格(William Lawrence Bragg,1890-1971)的帮助下,贝特于1933年获得曼彻斯特大学提供的聘期一年的讲师职位,迅速前往英国。

  [9],研究了原子与分子对光子的散射以及光子湮灭为电子与正电子对的过程。这篇论文提出了著名的“贝特-海特勒公式”。这篇经典文章被引用超过2500次。

  [10];第二篇为贝特独自撰写,讨论原子核动力学的理论[11];第三篇论文与利文斯顿(Milton Livingston,1905-1986,第一作者)合作,讨论原子核动力学的实验[12]。

  1937年,贝特在杜克大学讲学时遇到罗斯·埃瓦尔德(Rose Ewald,1917-2019),她也因为纳粹德国的迫害而逃到美国。罗斯的父亲保罗·埃瓦尔德(Paul Ewald,1888-1985)是著名的晶体学家与物理学家、X射线衍射法的先驱;他的博士导师也是索末菲,因此他是贝特的同门师兄。因为这层关系,罗斯在十几岁时就在德国见过贝特。在杜克大学遇见后,二人成为恋人,并在1939年9月结婚。

  1937年,伽莫夫(George Gamow,1904-1968)和魏扎克(Carl von Weizsäcker,1912-2007)提出,太阳核心的质子与质子通过“质子-质子链”(pp链)反应聚变为氦,释放出能量。此外,魏扎克在1937年与1938年还提出碳氮氧(CNO)循环过程。不过,这些工作尚未给出一些重要的具体过程。

  pp链的基础是质子聚变为氘(D)的反应,即pp反应:两个质子聚变为氘,同时释放出一个正电子与中微子。魏扎克建议贝特研究pp反应。几乎同时,伽莫夫也让学生克里奇菲尔德(Charles Critchfield,1910-1994)计算pp反应。后者在1938年初完成这个计算,伽莫夫建议将此文发给贝特审阅,因为贝特在双核子反应方面做过很多计算

  [13]。贝特确认克里奇菲尔德计算正确。二人因此合作了论文《质子组合形成氘》。[14]

  后来的研究表明,pp链有4种类型。贝特与克里奇菲尔德当时计算的是现在所说的II型pp链。太阳核心温度为1570万K,其核心的氢聚变以I型pp链为主要模式,它为太阳贡献了81.6%的能量;II型pp链为太阳贡献了16%的能量。尽管他们没考虑其他类型的pp链,但他们对II型pp链的计算已足够重要与卓越。

  [13],贝特重新发现了CNO循环反应。贝特发现的循环过程为:碳-12→氮-13→碳-13→氮-14→氧-15→氮-15→碳-12。在整一个完整的过程中,碳、氮、氧起到催化剂作用,自身不被消耗。

  此后,实验物理学家用高速质子轰击碳-12靶,很快发现了氮-13衰变的证据。这证明贝特的计算是正确的。后来的研究表明,恒星内部的氢通过CNO循环过程聚变为氦的渠道有多个。魏扎克与贝特发现的都是I型CNO循环过程,它也因此被称为“贝特-魏扎克循环”(Bethe-Weizsäcker cycle)。

  [15]。在这篇论文中,贝特还进一步仔细计算了pp链的反应率,并指出:类似于太阳等质量较小的恒星,内部能量大多数来源于pp链反应;大质量恒星的内部能量大多数来源于CNO循环。这个结论至今依然正确。

  然而,在奥本海默征询好友拉比(Isidor Rabi,1898-1988)对曼哈顿计划的意见时,拉比给了两个建议:不要穿军队制服;请贝特当理论部主任。奥本海默虽然桀骜不驯,但却对拉比毕恭毕敬,言听计从;何况他也知道当时的贝特虽然还很年轻(35岁),但已经是核物理学领域的泰斗。贝特因此被邀请担任理论部主任。

  在紧张的研发关键时刻,贝特起到了稳定军心的作用:泰勒通过计算表明核爆炸会导致地球大气中的氮聚变为镁并释放出氦离子,释放巨大能量从而将大气烧毁;贝特第一时间就认定这个计算是错误的。接着他通过严格的计算证明了自己的判断,并指出泰勒的计算基于一个错误的假设。贝特的计算为奥本海默提供了足够的信心。(这也是诺兰电影《奥本海默》中的桥段。)

  [17],对古老的衍射问题进行了新的深入研究。这篇文章至今为止被引用3700多次。

  此时整个理论物理学的核心是QED。1947年,兰姆(Willis Lamb,1913-2008)与雷瑟福(Robert Retherford,1912–1981)在实验室精准测出了氢原子的2S1/2和2P1/2这两个能级的能量差对应的频率为1057 MHz,即“兰姆移位”(Lamb shift)。然而,根据此前的理论,这两个能量应该是相等的。这在某种程度上预示着此前的理论必须被修正。

  1947年6月,著名的谢尔特岛会议在纽约谢尔特(Shelter)岛的一家宾馆召开,主题为“量子力学基础”(Foundations of Quantum Mechanics)。这次会议讨论的热点之一是兰姆移位的产生机制。荷兰物理学家克莱默斯(Hans Kramers,1894-1952)提出“重新正规化”(重正化,renormalization)方案,但他没有办法进行定量计算。

  [18]的论文只有3页,只包含12个数学方程,但它影响深远:它给出了处理无穷大并得到有限值的一个先例,为新的QED理论的发展打下了基础。

  戴森(Freeman Dyson,1923-2020)也是在这一段时期来到康奈尔大学跟随贝特读研究生。贝特让戴森重复他在电子方面的计算,并给出一个低阶修正。戴森经过几个月的复杂计算,发现得到的结果和此前贝特得到的结果没有本质差异。不过,这几个月的训练让本来没有物理学背景的戴森熟悉了QED。此后,戴森在QED领域大显身手,折服了奥本海默,并因此于1952年被后者聘为普林斯顿高等研究院的研究员。

  [19],贝特有大约8个月时间没出现在康奈尔大学,行程保密。而氢弹成功爆炸后,贝特重回校园。显然这8个月,贝特在项目组内进行大量计算工作。

  氢弹爆炸后,泰勒意图继续制造更多更强的氢弹,与苏联进行核竞赛。贝特的意见相反,他希望美苏两国可以谈判,实现核裁军,避免人类被核大战毁灭。在奥本海默被进行安全审查时,贝特劝泰勒不要出席指控奥本海默(他的劝说没有成功)。同时,贝特坚定维护奥本海默,并在听证会上一度代表他。贝特说,虽然奥本海默反对研制氢弹,但他的立场并未阻碍氢弹研制的进度。

  [21]。这篇论文研究了由两个粒子构成的束缚态系统,提出了著名的“贝特-萨尔皮德方程”(Bethe-Salpeter equation),其解为“贝特-萨尔皮德振幅”(Bethe-Salpeter amplitude)。

  [22]、《核多体问题》[23]、《核物质的参考谱方法》[24]、《核物质的三体相关性》[25]、《核子的托马斯-费米理论》[26]。这些论文至今均有数百次引用,其他论文更不胜枚举。贝特的勤奋、高产与论文的高品质是惊人的。

  贝特与其他学者的研究还表明,核塌缩型超新星爆发后不久,内部产生的反弹激波就会被耗尽能量。1980年,贝特研究了中子星发出中微子的性质。1982年,威尔逊(James Wilson,1922-2007)提出“中微子延迟爆发”机制:核心释放出的大量中微子与稠密的外层物质相互作用,将其中的一小部分能量传递给物质,将恒星炸开。此后,贝特与威尔逊深入研究了这个机制,他们于1985年发表的一篇论文

  [28],总结核塌缩型超新星爆发的研究。这篇综述在很长一段时间都是这方面的权威综述。年迈的贝特仍笔耕不辍,他与布朗在超新星方面的合作一直持续到1995年。

  1996年,在贝特与布朗访问加州理工学院时,索恩(Kip Thorne,1940-)寻求他们的帮助。当时索恩正在为制造激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)而奋斗。LIGO可以探测的引力波大多数来源于双黑洞并合、双中子星并合、黑洞-中子星合并等过程。

  [29],并指出:LIGO每个月不难发现几例由双致密星并合导致的引力波,而不是此前别人估计的每年两三例。[13]

  由于贝特在pp链与CNO循环的深入研究有力推动了人类对恒星能源的理解,他从1943年开始就被提名为诺贝尔物理学奖获得者,并在1967年获奖。从1943到1967年这25年时间内,他有19年被提名。在他获奖的消息传开后的几个月内,他家的电话成为热线电话,甚至有同姓的陌生人写信给他,说是他的亲戚,请求分享诺贝尔奖的部分奖金。

  [6]此书主标题“Nuclear Forces”是一个巧妙的双关语,既指原子核之间的“核力”(使原子核不解散的力),也指核武器的力量。这个双关语指向了贝特的两个重要身份:核物理学研究领域的泰斗,制作的完整过程中的主角之一。


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