歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1954

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撰文者:爾諾
發文日期:2021-02-10
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  • 1954年的諾貝爾物理獎頒給兩位早已名滿天下的資深德國物裡學家,他們是瓦爾特·博特(Walther Wilhelm Georg Bothe,1891-1957)與馬克斯·波恩(Max Born,1882-1970)。博特是以「符合法(coincidence method),以及以此方法所獲得的研究成果」而得獎。波恩則是因「在量子力學領域的基礎研究,特別是對波函數的統計詮釋」而獲得諾貝爾物理學獎。


    博特於1908年至1912年在柏林洪堡大學學習物理學,他在第一次世界大戰前夕獲得博士學位。第一次世界大戰時,他作為俘虜被俄國囚禁在西伯利亞一年,1920年被送回德國,此後一直在柏林洪堡大學任教,同時在柏林的國家物理工程研究所工作,直到1930年被任命為吉森大學物理學教授和物理研究所主任為止。 


     
    Bothe



    一戰後,博特在柏林的國家物理工程研究所與漢斯·蓋格(Hans Geiger)合作。他發現如果單個粒子被兩個或多個蓋格計數器探測到,這些探測到的脈衝是同時發生的。利用這種現象,他在1924年發明了「符合法」,並設計了符合電路,可以指示出同時到達的脈衝,它是最早的與邏輯閘電路之一。這種電子設備被廣泛應用在粒子物理學實驗和其他科技領域。利用符合方法,博特得到了許多重要發現。比如他用符合方法研究康普頓散射,建立起了分析散射過程的新方法。 


    1923年至1926年,博特致力於光的微粒子理論的實驗和理論研究,他和蓋格一起研究康普頓散射效應中電子的反彈而證實了光的粒子性理論。1927年,博特開始用α粒子轟擊輕金屬元素,雖然轟擊後分裂的產物用肉眼看到的只是火花,但博特用符合方法製作了探針計數器,使得對其的計數成為可能。1929年他又提出一種新的研究方法,讓宇宙射線和紫外線通過蓋格計數器,證明了射線中存在強穿透力的帶電粒子,由此奠定了原子核光譜學的基礎。1930年代,他發現用α粒子轟擊鈹所產生的射線,是一種全新的,比伽馬射線具有很強穿透力的高能射線,1932年被詹姆斯·查德威克發現這射現其實正是中子。 


    1932年博特成為海德堡大學物理研究所主任,同時開始在馬克斯-普朗克學會工作,1934年成為海德堡的馬克斯-普朗克醫學研究所主任。1941年,博特和Peter Jensen發表了對石墨的中子吸收實驗結果,然而由於他們得出的結論有誤,反而讓德國在二戰中的核計劃的進展受阻。1943年,博特完成了德國的第一台粒子回旋加速器,第二次世界大戰結束時,他回到海德堡大學物理系任教。1957年2月8日在海德堡逝世。 


    1954年的另一位得主馬克斯·波恩於1882年出生於德國布雷斯勞(今波蘭的弗羅茨瓦夫)的一個猶太裔家庭。他的父親在布雷斯勞大學擔任胚胎學教授。1901年,波恩進入布雷斯勞大學。由於當時德國的大學制度允許學生在大學間轉學,波恩透過同學得知了有關哥廷根大學的相關資訊後,於1904年4月啟程前往哥廷根。1906年6月13日,波恩通過了口試,取得了學位。畢業後,波恩因體弱服役不久即退伍。後來他前往哥廷根,1909年提交了有關湯姆森原子模型的論文,獲得了特許任教資格,之後他成為了哥廷根的無俸講師。


    第一次世界大戰爆發後波恩加入了陸軍駐柏林的炮兵研發機構「炮兵測試委員會」,研究循聲定位技術。在柏林,波恩認識了愛因斯坦,二人成為了一生的摯友。1918年11月,波恩巧遇了弗里茨·哈伯,兩人討論了金屬與鹵素形成離子化合物的過程,後來此機制被命名為波恩-哈伯循環。 


    1919年4月,波恩成為法蘭克福大學的常任教授以及理論物理學研究所主任。在那裡,他接到了哥廷根大學的邀請,擔任物理研究所的主任。波恩還為他的摯友詹姆斯·法蘭克在哥廷根安排了實驗物理學教授的職位。波恩與法蘭克一同在哥廷根大學工作長達12年。波恩經常與法蘭克交換關於基礎科學概念的看法,這對於他的教學以及研究都有極大的幫助。波恩與慕尼黑的索末菲也合作密切。索末菲還將他的學生維爾納·海森堡引薦給波恩作為助手。海森堡於1923年到達哥廷根,翌年在波恩指導下得到特許任教資格,成為哥廷根的無俸講師。 


    1925年7月9日,海森堡向波恩提交了一份題為《對於運動學和動力學關係的量子再詮釋》的論文,希望他能在論文發表前協助審閱。在這篇文章中,海森堡避免以使用具體的電子軌道,而是以採用兩個腳標表示躍遷前後狀態的躍遷機率來表述量子理論。波恩讀了之後發現海森堡的理論可以利用他在布雷斯勞大學學習到的矩陣來表述。矩陣在當時還很少被物理學家用到,而被納入純數學範疇內。在助手喬丹的協助下,波恩在不久後即開始改寫並擴展海森堡的理論,並在海森堡的文章發表僅60天後即與喬丹發表了他們的結果,隨後在年底前三人又聯合發表了一篇文章。波恩認為他與喬丹合寫的文章包含了「量子力學與其電動力學之延伸中最為重要的原理」。同時,這篇文章也為海森堡的新力學奠定了堅實的數學基礎。不久之後,沃爾夫岡·包立利用矩陣力學計算得出了氫原子的能階,矩陣力學宣告大功告成。


    接著在蘇黎世的薛丁格也提出波動力學,得到相同的結果。波動力學在當時對許多人有很大的吸引力,因為這一理論提供了回歸古典物理決定論的可能性。直到1926年7月,波恩為薛丁格方程式中的波函數的平方給出了後來成為標準的機率密度函數詮釋,徹底否決了古典物理的決定論。


    1933年1月,納粹黨開始於德國執政;同年5月,波恩與哥廷根大學的其他五名猶太裔教授遭到了帶薪停職,法蘭克此時則已經辭職。波恩後來成為愛丁堡大學的教授。波恩一直待在愛丁堡到1952年。1954年,他移居至西德的巴特皮爾蒙特。波恩曾被提名為諾貝爾獎的候選人達數十次。最終在1954年獲得諾貝爾物理學獎。1970年1月5日,波恩在哥廷根的醫院病逝,終年87歲。


     
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