阿文開講

波恩的眾弟子們 (下) 兄弟鬩牆的核武競爭

中原大學物理學系 高崇文教授2026年2月13日98
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上一回阿文介紹了三位得過諾貝爾獎的波恩門生,這一篇則是要介紹其他一些值得一提的高足弟子,尤其是參加二戰兩邊陣營的核武計畫的科學家。讓我們照輩分來吧。首先上場的是洛塔爾·沃爾夫岡·諾德海姆(Lothar Wolfgang Nordheim,1899-1985)。諾德海姆於1899 年 11 月 7 日出生於慕尼黑,他在1923年在波恩的指導下獲得哥廷根的博士學位。就像他的前任老師波恩一樣,他後來也成為大衛·希爾伯特的「物理助理」。他是將量子力學應用於固態問題的先驅,像是金屬的熱輻射、金屬的逸出功、1928年提出的福勒-諾德海姆場發射電子穿隧理論、金屬-半導體接觸的整流效應以及隧道和合金的整流效應等等都是他的貢獻。他曾在穆勒和普耶的《物理學教科書》(Vieweg出版社,1926-1929年)上發表過兩篇關於「磁性的量子理論」和金屬導電現象的長篇論文。在洛克斐勒基金會的資助下,諾德海姆曾在哥廷根大學擔任講師,並在莫斯科擔任客座教授。 他在 1928 年與希爾伯特和約翰·馮·紐曼一起研究量子力學的數學基礎。1930年代初,他也開始從事核子物理研究,包括與漢斯·貝特合作研究介子衰變以及應用費米β衰變理論。他也與愛德華·泰勒合作研究渺子,這激發了他對宇宙射線的興趣。

隨著 1933年納粹上台後,諾德海姆就準備離開德國。諾德海姆1934年移民美國後在普渡大學擔任客座教授,研究宇宙射線,1935 年,諾德海姆與物理學家格特魯德·珀施爾結婚,他們一起研究多原子分子的結構和光譜的夥伴。1937年他轉到杜克大學擔任正式教職。二戰期間,諾德海姆作為曼哈頓計畫的成員,在橡樹嶺的克林頓實驗室擔任部門主管,並於1945年至1947年擔任該實驗室物理系主任。[克林頓實驗室後來改組成橡樹嶺國家實驗室(英語:Oak Ridge National Laboratory,縮寫為ORNL)橡樹嶺國家實驗室長期從事能源研究,自1945年以來進行了許多核反應爐試驗,1950年代,橡樹嶺國家實驗室致力於將核反應用於能源,並建造了世界上第一個輕水反應爐。]

二戰結束後,諾德海姆與人合著了一份由亞瑟·康普頓主持的重要報告,評估了德國在戰時的核子研究。他們的結論是,德國科學家在核子研究領域與美國走上了一條「令人驚訝的」平行道路,而一個獨立的研究小組可以根據這些報告中的發現,建立起一系列連鎖反應。1947年,他回到杜克大學,同時繼續擔任橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的顧問。在此期間,他致力於宇宙射線簇射理論的研究,並且跟老同學,瑪麗亞·格佩特·邁耶一起研究核殼層模型 。是核結構殼層理論發展的先驅之一。1949年,他的妻子格特魯德在德國逗留期間因意外去世;這件事讓諾德海姆深受打擊。 後來,他決定移居加州。後來,他決定搬到加州。 1956年,他成為聖地牙哥通用原子公司約翰·L·霍普金斯純科學與應用科學實驗室的科學家,後來擔任理論物理系主任。在那裡,他主要研究核反應器物理和中子物理。他因對中子共振吸收理論的成就而備受讚譽。這項工作對於設計能夠維持可控鍊式反應的核反應器至關重要,因為它有助於確定中子如何與鈾燃料以及石墨或重水等慢化劑相互作用。諾德海姆於 1985 年 10 月 10 日在加州拉霍亞去世,享年 85 歲。

另外一位參加曼哈頓計畫的波恩門生是魏斯考夫(Victor Frederick Weisskopf,1908-2002),他出生於維也納的猶太家庭,1931年在德國哥廷根大學在波恩指導下獲得物理學博士學位。之後隨海森堡、薛丁格、包立和波爾做博士後工作,尤其是波爾。他與包立曾經有一段非常有趣的師徒對話。據說原先包立想聘的是漢斯·貝特,但是貝特選擇去別處工作,包立只好聘了魏斯考夫。結果等魏斯考夫一到任,包立馬上要他做某個計算,魏斯考夫算完後去找老闆,只看到包立看一眼後,喃喃自語: 我該聘貝特的.........算起來包立算是魏斯考夫的大師兄,這種評語也太苛刻了吧。幸好後來他們將克萊因-戈登方程式量子化得到自旋為零的粒子,所以小師弟也總算沒有漏氣。

到了1930年代末,他意識到身為猶太人,歐洲不是久留之地。所以波爾幫他在美國找到工作, 1937年至1943年,他擔任羅徹斯特大學物理學教授。  在那裡,他的研究生埃絲特·康韋爾(Esther Marley Conwell ),和他一起研究,提出康韋爾-魏斯考夫理論,該理論描述了電子在半導體中的運動,並加深了人們對積體電路的理解,這對於現代計算機技術至關重要。 

魏斯考夫跟歐本海默原本在歐洲就認識,所以當歐本海默成為曼哈頓計畫的頭頭之後自然沒忘記老同學。1943 年他應歐本海默之邀來到洛斯阿拉莫斯,由於魏斯考夫為人風趣,人緣頗佳,而且早就擁有美國公民身分,所以當選過洛斯阿拉莫斯的民選鎮長。有一次他被告知去距離洛斯阿拉莫斯約五十英里的火車站去迎接英國來的成員,結果發現來的英國訪客帶著和他一樣濃重的德國口音,原來來的是魯道夫· 佩爾斯、西蒙教授和布拉徹,三個人都是逃出歐洲的難民,真是同為天涯淪落人!

魏斯考夫是貝特(沒錯,就是包立本來要聘的那個高手)負責的理論組成員,他的小組負責計算三位一體核試爆的詳細計算,他們的任務包括要估計特定距離內有多少中子,以及有多少伽馬射線等等。他的同事開玩笑地說要建造一個鐵籠,然後把魏斯考夫關在鐵籠中,放在他宣稱核爆後伽馬射線的劑量是安全的地方。事實證明魏斯考夫低估了數值,當然啦!這只是玩笑話,核爆測試時,所有人都在足夠的安全距離外。 

二戰後,魏斯考夫加入麻省理工學院物理系,最後成為系主任。雖然他和他的學生是最早算出蘭姆位移結果的團隊,而且他的結果是正確的,但是由於他的結果與費恩曼、許文格的結果不同而沒有發表,錯失得到諾貝爾獎的機會,儘管他被提名了十一次!

1956年,他成為物理科學研究委員會(PSSC)的創始成員之一,該委員會制定了一種革命性的高中物理教學方法的課程。在麻省理工學院,他鼓勵學生提問,甚至在本科物理課程中,他也教導學生像物理學家一樣思考,而不僅僅是死記硬背物理方程式。他是一位令人難忘的老師,喜歡提出“費米問題”,然後幫助學生推導出近似答案。例如,他會問學生,根據已知的物理常數,地球上一座山峰的最大可能高度是多少。他花了大約半個小時來解釋他的計算過程,最終得出的結果與珠穆朗瑪峰的已知高度處於同一數量級。作為現場表演,他會迅速推導出火星和木星的類似高度(後來火星軌道探測器的觀測結果與他計算的高度一致)。他還會計算保齡球從木星上理論上最高的山峰滾下所釋放的能量。
他於1961年至1966年擔任歐洲核子研究中心(CERN)主任。1975年,他被教宗保祿六世任命為宗座科學院院士,該院共有70名成員。 1981年,他率領由教宗若望保祿二世派遣的四位科學家組成的團隊,與美國總統雷根探討禁止使用核武的必要性。魏斯考夫在與卡爾·薩根等其他著名科學家共同發表的《保護和珍惜地球》的聯合聲明中,他們總結道:「歷史記錄清楚地表明,宗教教義、榜樣和領導力能夠有力地影響個人的行為和承諾……因此,宗教和科學都發揮著至關重要的作用。」魏斯科夫於2002年4月22日去世,享壽九十三。

波恩學生中不止有人參加曼哈頓計畫,也有人參加了德國的原子武器計畫,最有名首推計畫主持人海森堡,另一位就是西格弗里德·弗呂格(Siegfried Flügge , 1912 - 1997 ) 。弗呂格在1933年在波恩的指導下獲得博士學位,博士論文主題是中子對恆星內部結構的影響。1933年至1935年,他在法蘭克福大學擔任助教。 1936年至1937年,他到萊比錫大學擔任海森堡的助教。 1937年至1942年,弗呂格接替馬克斯·德爾布呂克,在柏林-達勒姆的威廉皇帝化學研究所(KWIC,二戰後重組並更名為馬克斯·普朗克化學研究所)擔任奧托·哈恩的助理。 1938年,弗呂格在慕尼黑工業大學取得教授資格。 

1938年12月,德國化學家奧托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼向自然科學協會提交了一份手稿,報告他們在用中子轟擊鈾後檢測到了鋇元素。 同時,他們將這些結果告知了莉澤·邁特納,後者於當年7月逃往荷蘭,後來又前往瑞典。邁特納和她的侄子奧托·羅伯特·弗里施正確地將這些結果解讀為核分裂。 弗里施於1939年1月13日以實驗證實了這一點。弗呂格和邁特納的助手戈特弗里德·馮·德羅斯特也分別獨立預測了核分裂會釋放出大量能量。從那時起,他開始致力於德國核武計畫;該計畫各方面的合作者一度被統稱為「鈾俱樂部」(Uranverein)。他與卡爾·弗里德里希·馮·魏茨澤克(Carl Friedrich von Weizsäcker)和弗里茨·豪特曼斯(Fritz Houtermans)等合作者共同研究了“鈾機器”(Uranmaschine,字面意思是鈾機器,即核反應器)的理論基礎。

1939年,他在《自然科學》(第27卷,1939年,第402-410頁)發表了一篇頗具影響力的論文《原子核的能量含量能否在技術上發揮作用? 》。他指出核反應器和原子彈的技術可行性。除此之外,他還透過證明1立方米二氧化鈾經過核分裂後釋放的能量可以將1立方千米的水提升到27千米的高度。 在閱讀了弗呂格這篇論文後,奧格公司科學總監尼古拉斯·里爾(Nikolaus Riehl)意識到了該公司的一個商機。因為奧格公司在提取鐳的過程中累積了大量鈾廢料 。1939年7月,里爾前往陸軍軍械局(HWA)討論鈾的生產。 HWA對此很感興趣。 最終下達了生產氧化鈾的訂單,生產工作在位於柏林北部奧拉寧堡的奧格工廠進行。戰後公開的軍方密件中有兩份 弗呂格在1942寫的核武相關報告,但是似乎逐漸與軍方漸行漸遠,關鍵是1940年,在魯道夫·托馬舍克(Rudolf Tomaschek)的倡議下,弗呂格不顧威廉·穆勒(Wilhelm Müller)的反對,在冬季學期在慕尼黑工業大學(Technische Hochschule München)講授理論物理學。威廉·穆勒不只是納粹黨員,還是個仇視相對論與量子力學的亞利安物理的擁護者,此公後來在納粹戰敗被解僱,並在盟軍去納粹化過程中被禁止進入學術界。 弗呂格甘冒大不諱,還是要教,也算是個漢子。不過顯然慕尼黑他是待不久了。從1941年起,他開始在弗里德里希·威廉大學(Friedrich-Wilhelms-Universität,今柏林洪堡大學)擔任講師。 1944年,弗呂格擔任柯尼斯堡大學常任教授。 1945年至1947年,他在母校哥廷根大學任職。 1947年至1949年,他在馬爾堡大學任職。 1949年至1950年,他在威斯康辛大學麥迪遜分校擔任客座教授,並於1953年在卡內基理工學院(現為卡內基美隆大學)擔任客座教授。後來,他轉到弗萊堡大學任職。 除了教授物理學,他也教授科學史。他的《實用量子力學》(1947)已被廣泛翻譯,而他於1956年至1984年間為施普林格出版社編輯的54卷本《物理學百科全書》至今仍是一部傑作。

1957年,當他的學長喬丹支持阿登納政府用戰術核武器武裝聯邦國防軍,而哥廷根18人組織(包括波恩和海森堡)發表了《哥廷根宣言》以示抗議。波恩的學生之中,大概只有弗呂格在1957年6月1日致《法蘭克福匯報》編輯的一封信中,宣稱與《哥廷根宣言》劃清界線。他認為,只有議會議員,而不是作為專家的物理學家,才有權決定是否使用核武。弗呂格於1997年在德國過世,享壽八十一。

最後要為大家再介紹一位波恩的門生,曾被提名諾貝爾獎三十九次,但是仍然與獎無緣的沃爾特·海因里希·海特勒(Walter Heinrich Heitler)。海特勒於1904年1月2日出生於德國卡爾斯魯厄,父親阿道夫·海特勒是猶太裔工程學教授。 他先後在卡爾斯魯厄理工學院(1922年)、柏林大學(1923年)和慕尼黑大學(1924年)學習物理,師從索末菲和卡爾·赫茲菲爾德。赫茲菲爾德是他名義上的論文指導教授。赫茲菲爾德負責上理論物理和物理化學課程,並經常取代索末菲授課。 赫茲菲爾德後來去美國,還跟格佩特-梅耶合作過。

1926年,海特勒獲得博士學位,1926年至1927年,海特勒獲得洛克斐勒基金會獎學金,先後在哥本哈根大學理論物理研究所師從波爾,在蘇黎世大學師從薛丁格,從事博士後研究。在蘇黎世,海特勒展開與弗里茨·倫敦的合作,他們運用新近形成的量子力學來處理氫分子中可飽和的非動態吸引力和排斥力,即交換力。他們提出的價鍵理論是化學領域的里程碑,因為它將量子力學引進化學。他們的工作對化學產生了深遠的影響,這要歸功於剛剛獲得博士學位並憑藉古根漢獎學金訪問蘇黎世的美國化學家萊納斯·鮑林。鮑林畢生致力於研究化學鍵的本質。將量子力學應用於化學後來成為海特勒研究生涯中的重要主題。 

離開蘇黎世之後,海特勒於1928年成為哥廷根大學理論物理研究所波恩的助手。 並在他的指導下於隔年獲得了特許任教資格。並繼續擔任特許講師(無薪講師)直至1933年,才因猶太人身份而被大學解僱。在波恩安排之下,海特勒於當年在英國布里斯托大學擔任研究員,與內維爾·弗朗西斯·莫特共事。海特勒是H·H·威爾斯物理實驗室學術援助委員會的研究員。他主要從事量子場論和量子電動力學的研究,他與漢斯·貝特和赫伯特·弗羅利希等其他因納粹上台而流亡海外的德國科學家合作。他與貝特合作發表了一篇關於原子核庫侖場中伽馬射線對產生的論文,其中推導出貝特-海特勒公式,用於描述軔致輻射(制動輻射)。 1936年,海特勒發表了在量子電動力學領域的重要著作《輻射的量子理論》,該書為量子理論的未來發展指明了方向。 該書多次再版,甚至被翻譯成俄文。阿文的書架上就有一本。當時阿文買書時還把海特勒 (Heitler)看成希特勒(Hitler)呢,差一個字母可是天差地遠呢。

海特勒也研究過宇宙射線, 1937年,他與 Homi J. Bhabha 在《皇家學會會刊 A》上發表了「電子簇射級聯理論」。該論文首次對高能電子和光子如何在物質中產生粒子簇射進行了全面的理論闡述。在發展宇宙射線簇射理論的過程中,他接觸到該領域最新的實驗成果:奧地利物理學家瑪麗埃塔·布勞和赫塔·瓦姆巴赫觀測到了宇宙射線與核乳膠的相互作用。他曾向塞西爾·鮑威爾提及此事,並表示該方法如此簡單明暸,「甚至理論物理學家也能做到」。這引起了鮑威爾的興趣,他說服了海特勒帶著一批伊爾福公司生產的顯影劑前往瑞士,在海拔3500公尺的少女峰進行曝光。 隔年他在研究介子理論時為了解釋質子與質子的交互作用時引入了電中性𝜋介子。不過其實在前一年,坂田昌一與湯川秀樹就指出宇宙射線中高能量光子應該是中性𝜋介子衰變成兩個光子造成的。1939年8月,海特勒和鮑威爾在致《自然》雜誌的一封信中證實了布勞和瓦姆巴赫的觀測結果——因此,鮑威爾後來在1950 年就憑藉“發展了研究核過程的攝影方法以及利用該方法發現介子”而榮獲諾貝爾物理學獎。 

1940年法國淪陷後,英國深感威脅擴大,加強對外國人的管制,結果海特勒居然因為擁有德國國籍而被英國短暫拘留在馬恩島數月,海特勒之所以被釋放,是因為他的上司們認為他從事著至關重要的戰時科學工作。作為德國人,他並未正式參與英國的核武計劃,但他被委派解決一些理論問題,而官方並不清楚他的工作最終會用於何處。 但是經過這段不快的意外,海特勒自然想換個地方。就這麼剛好,1941年,愛爾蘭的總統德瓦萊拉(Éamon de Valera,1882—1975)的顧問,埃德蒙·泰勒·惠特克(Sir Edmund Taylor Whittaker,1873—1956)推薦海特勒擔任愛爾蘭高等研究院(DIAS)的第二個物理學教授職位,海特勒接受了這一推薦。所以1941年,海特勒渡海到愛爾蘭,成為都柏林高等研究院(DIAS)的教授。當時理論物理學院院長是薛丁格。薛丁格之所以被愛爾蘭高等研究院吸引,是因為他無需承擔大學部教學任務,並能為他提供經濟保障、養老金以及讓他能夠專心研究理論的寧靜環境。愛因斯坦在普林斯頓大學也過著類似的生活。然而,海特勒對愛爾蘭高等研究院的成功投入更為積極。他比薛丁格年輕,正準備為自己打造一番事業。當時海特勒與世界各地的物理學家還保持聯繫和通信,並吸引同事和學生前來學習、合作,以及參加研討會和暑期研習班。他確保DIAS的教職員始終了解最新的研究成果,他本人在介子和宇宙射線領域也取得了傑出的成就,備受推崇。申請DIAS獎學金的學生大多都希望在海特勒的指導下工作,而海特勒也悉心培養了他們的才能。所以後來海特勒被譽為「1940年代DIAS的無名英雄」。 

除了研究之外,海特勒在1942-1943還開設了一門關於基礎波動力學的課程,W. S. E. 希克森在課上做了筆記並整理成冊。這些筆記成為海特勒著作《基礎波動力學:入門講義》的基礎,該書於1943年首次出版。 1945年,該書以《基礎波動力學》為名出版了新版。此後,該版本經過多次修訂再版,並被翻譯成法語和義大利語,分別於1949年和1961年出版了德語版本。 1956年,該書又以《基礎波動力學及其在量子化學中的應用》為名出版了修訂版,並於1961年再次出版了德語版本。戰後,薛丁格於1946年辭去了理論物理學院院長的職務,但仍留在DIAS,海特勒隨後接任院長一職。不過很快地,歐洲各地的機構開始向他招手。1949年,海特勒接受了蘇黎世大學理論物理學正教授和理論物理研究所所長的職位,並一直任職到1974年退休。在蘇黎世工作幾年後,海特勒開始撰寫關於科學與宗教之間哲學關係的文章。 他的著作以德語、英語和法語出版。海特勒於1981年11月15日在蘇黎世去世,享年77歲。

雖然波恩在哥廷根任教的時間只有短短的十二年,但是我們從這篇文章可以看得出來他與他的門生在原子物理,分子物理,核子物理,量子電動力學乃至於固態物理,甚至是量子化學,都留下不可抹滅的痕跡。在人類歷史上,像這樣華麗的陣容還真是不多見。「桃李不言,下自成蹊」,具有魅力與實力的學者就像發出濃郁香氣的花一樣,自然會吸引各處的優秀學子前來取經。而在大師底下薰習久了,學生也照樣成為充滿魅力與實力的教育者與研究者,人類文明的薪火相傳就是建立在這種充滿個人色彩的互動下產生的。湯川秀樹曾引述友人的回憶提到在哥廷根的時候,波恩會邀請學生到家中聚餐,學生們會抓著機會不斷討論物理,而波恩雖然疲憊不堪,還是會有問必答,直到學生滿意為止。就是這樣的誠懇與奉獻,二零年代的哥廷根才會開出這麼多鮮豔的花朵。對迷信學校排名,動不動就愛抱怨經費不足的台灣高教主事者,是不是該參考一下?


參考資料:
(一)中文 英文 德文維基相關條目