冯·卡门：我对玻尔、费米、爱因斯坦的印象

航天工程学家冯·卡门（1881-1963）。图源：维基百科

导读：

      冯·卡门是20世纪最伟大的航天工程学家，开创了数学和基础科学在航空航天和其他技术领域的应用，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。（相关文章：回国还是移民？冯·卡门的中国学生与同事的不同选择）与他同时代的科学大家，玻尔、费米、爱因斯坦等等都和他有着非凡的交集。在他们伟大的科学成就背后，藏着怎样动人的故事？让我们倾听卡门亲自带我们走近那个辉煌的时代。

冯·卡门｜ 撰文

曹开成 ｜ 翻译

在帕沙迪纳，我的家庭生活跟在亚琛完全一样。

母亲和妹妹在马林戈大街看中了一幢西班牙式单层住房，其中有一个大餐厅，一间起坐室和左右两间厢房。这样我既可独处一室，一家三口又能团聚在餐厅的橡木桌旁。有一段时间我们因请不到一个匈牙利厨师而感到苦恼，但我们在南加州却意外地结识了不少匈牙利移民。不久，这些朋友就邀请我们去赴晚宴，用匈牙利特色饭菜款待我们。

家事安顿好之后，不出数月，我们就敞开大门，欢迎学生和客人光临。这样，我们在亚琛所喜爱的国际性愉快聚会又开始了。军队里来听我课的那些学生很快也成了我家的客人。这时母亲因长期患病，行动不便，只能坐在轮椅里。尽管如此，每次聚会她都要出来认识认识每一位来客，亲自向他们表示欢迎。直到1941年去世前，她老人家对待客人的态度始终如一。

佩波妹妹很爱跟电影界人士交往，因此来客中经常有一些编辑、制片人和演员。当时匈牙利人当电影明星很时兴，因此很多匈牙利人都想到好莱坞去碰碰运气，闹得有位著名的制片人不得不公开表态说：“光凭自己是匈牙利人不管用，还得有表演才能才行。”通常，妹妹请来的客人中还有巫师、游方术士和其他各种各样稀奇古怪的角色。我发现南加州这类人物多得很。

除了上述轻松愉快的聚会外，不时也有举世闻名的大科学家光临舍下，这使我感到不胜荣幸。有原子物理学之父称号的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔和夫人玛格丽特，每次来帕沙迪纳准要到我家看看。我跟玻尔家有多年交往，在哥廷根，我就认识他的哥哥、数学家哈罗德。1911年，我跟玻尔在英国初次会面，正是那年，他提出了振奋人心的原子结构新理论。

玻尔（1885-1962）。图源：维基百科

玻尔是个身材高大、态度和蔼的人。他在各种社交场合都能怡然自得。有件趣事，至今我一想起来还感到忍俊不禁。他在星期日家宴上出了一个洋相，让我看出了他也是那种心不在焉的大学教授。那天晚上，我在他面前放了一只彩色酒杯，我给别人酒杯里倒满了法国白兰地，却忘了给他斟酒。

1925年12月，玻尔和爱因斯坦。图源：维基百科

玻尔一边畅谈自己的原子结构理论，一边拿起那只空酒杯喝酒，他这样接连空喝了三次后，我再也沉不住气了。

“尼尔斯，您喝的是什么呀？”我问他。

玻尔愣了一下，再往酒杯里看看，“啊哟！”他惊奇地说，“我也奇怪，怎么一点儿酒味也尝不出呢？”

前已述及，我初见玻尔时，他正在剑桥卢瑟福试验室为揭开原子结构的奥秘埋头苦干。1913年，他公开发表了关于原子辐射后继续保持稳定的新理论，一举成为世界闻名的科学家。由于这个发现，他获得了1922年诺贝尔奖金。整个20年代，玻尔原子理论不仅是物理学的发展动力，而且也开始推动了化学发展。

后来，玻尔和爱因斯坦一起在普林斯顿继续深入研究原子的能量，又在哥本哈根理论物理研究所单独进行这方面的探索。

第二次世界大战前夕，玻尔从逃离纳粹德国的梅特纳那里获悉，德国在分裂铀原子方面已经取得了惊人进展。他立刻把这个消息告知哥伦比亚大学的费米和邓宁。

后来，费米和邓宁在制造原子弹发挥了主要作用。1939年，玻尔在华盛顿的一次物理学会议上宣布，分裂原子已经成功了。他激动地声称这是现代世界形成以来的一个重大事件。

二次大战期间，玻尔在直接研制原子弹方面做的工作不多，然而，战后他在谴责核武器用于战争上却发挥了很大作用。他和爱因斯坦都认为原子弹的国际管制是决定世界命运的关键。后来，玻尔又花费很大精力去筹备日内瓦第一届和平利用原子能国际会议。

这一时期，玻尔本人虽然竭力反对原子能用于军事上，但是他的哥本哈根研究所对核物理学的发展却不断产生重大影响。每当我看到这个研究所从世界各地广招学生时，心里总觉得奇怪：为什么目光远大的密立根却没有考虑到请一位有能力筹集必要设备的大物理学家，到加州理工学院来办个第一流核物理研究所呢？阿特莱·斯蒂文森说过，这本来是一件轻而易举的事。我看，当时加州理工学院有一点没有搞清楚：搞核物理和其他科学领域不一样，研究人员需要大量投资和重型设备。而同步回旋加速器的发明者劳仑斯博士早就觉察到这一点，让伯克利的加州大学集中力量搞功率巨大的核研究设备，从而使加州大学在核物理方面一直保持领先地位。可惜密立根没有能预见到物理学会发生如此巨大的变革；要是他对物理学家工作环境有所了解，看到现代物理实验室与当初剑桥大学卢瑟福实验室、以及他自己原先工作过的芝加哥实验室相差多大，他在九泉之下也会感到懊恼的。

恩里科·费米是最早完成原子裂变实验的杰出的意大利物理学家。他每次到帕沙迪纳也总要来我家。1939年，费米之所以移居美国，一方面因为对美国感兴趣，另一方面因为娶了一位犹太血统的意大利海军上将的女儿。墨索里尼上台后大搞反犹主义，于是他当机立断，取道斯德哥尔摩到美国安家落户。几年前，他由于人工放射性方面的成就在美国接受了诺贝尔奖金。他第一次到帕沙迪纳来看我时，我和妹妹特地为他举行了家宴，还邀请了许多社会名流出席作陪。在宴会上他有些局促不安，后来到了深夜，他把我拉到一旁。“亲爱的卡门，你帮我办件事。”“什么事？”“我想到好莱坞去看看。”

费米（1901-1954）。图源：维基百科

这时我才恍然大悟，他心神不定原来是为了这件事。这可把我逗乐了，我问他为什么对电影那样感兴趣。

 “一个人到了罗马总想见见教皇，”他回答说，“我到了加里福尼亚总该去见识见识拍电影吧！这难道不是很自然的吗？”

我和妹妹在好莱坞有不少朋友，其中有出名的匈牙利明星保罗·卢卡斯、贝拉·罗葛茜。因此我不费什么事就在电影制片厂为费米准备了一个午餐会。我们一同参观了布景设备，又跟一些男明星和漂亮的女明星畅谈了一阵。事后，费米眼睛里流露出愉快的神情对我说，光凭这一点就值得到美国来。

后来我和费米还探讨过科学史上一个奇妙的现象：天才人物为什么会在不同时间，不同地点突然涌现出来。触发这种现象的原因与民族特点有什么关系还弄不清楚。也许教师具有一定的影响。比方说，费米本人是罗马大学考贝诺教授的学生。我认识这位教授，他是个很出色的物理学教师。虽然他在自己的事业上缺少创见，但却很有能力把费米、赛格雷、拉赛迪那样一批青年聚集在他身边，并激励他们上进。正是由于这批青年提出的新颖独到的见解，核裂变的实际应用才得以实现。

考贝诺是一位伯乐，很善于识别和鼓励潜在的天才。他在罗马大学“底层”实验室搞研究，经常提出一些问题，推动学生去创造崭新的试验方法。他本人完全有条件去干一番大事业，但却心甘情愿当一名“知识渊博的科学园丁”。

据我所知，其他国家也有类似的情况。匈牙利的里奥波特·费耶在培育一批对数学作出重大贡献的数学家方面就起到和考贝诺相同的作用。

我在这一点上感到欣慰的是，我的某些见解也曾经在青年科学家思想上激发出探索的火焰。比如：1940年8月法国沦陷后不久，爱德华·泰勒和汉斯·布希到帕沙迪纳来问我，为了在科学上对盟国作战有所贡献，他们应该干些什么工作？当时正是他们全力以赴搞美国核武器发展计划的前夕；我立刻想到空气动力学家还没有揭示出冲击波的动力学规律，此外，我们对支配冲击波形成的某些化学规律也一无所知。这个建议显然对他们产生了很大影响，推动他们继续深入钻研这些问题。后来他们终于写出一篇论文。这篇论文从来没有公开发表，不过我知道它对核武器发展计划和导弹重返大气层的运动特性研究起了相当大的作用。

阿尔伯特·爱因斯坦也是我家的常客。在他身上我发现了一个诚恳而善良的灵魂。他具备的一切品质，正是我在探索自然的道路上毕生所追求的。

爱因斯坦（1879-1955）。图源：维基百科

1911年我在哥廷根大学第一次见到爱因斯坦。那时他到学校来和希尔伯特、闵可夫斯基共同指导一个学术讨论会。这个欧洲最著名的学术讨论会曾经推动很多人去钻研物理学上的新课题。此后过了好多年，我们才在柏林的一次学术讨论会上重新见面。在那次会上，他和能斯特、普朗克宣讲了热力学基础理论。1931年，他应德国政府资助的费城德美文化协会邀请，以德国政府代表身份初次访问美国。他到达美国时受到了德国驻洛杉矶领事的欢迎；从帕沙迪纳回国时，领事又亲自到场送行。爱因斯坦到美国不久德国政府发生更迭，希特勒取代了兴登堡。爱因斯坦离开美国不到一个月，那位领事就被希特勒召回德国。

爱因斯坦到达帕沙迪纳时受到了许多社会名流欢迎。那天场面很大，四周挤满了欢迎的人群；儿童们手里都拿着鲜花。在市政府大礼堂前面举行欢迎仪式过程中，他看到我也在那里就满面笑容走过来和我握手。

 “啊！亲爱的卡门，”他说，“在这里见到你我真高兴。我有个问题要问你。”

他把我拉到一旁用手指指广场上的喷泉，那喷泉顶上有一个翻滚、弹跳着的小球。“你解释解释为什么小球在喷泉顶上不掉下来。”

我对他说，如果小球重量和喷水的动量之间保持某种恰当的关系，一旦小球出现在喷泉顶部，就会停留在那里按水力学规律运动，它一偏离平衡位置就自动进行校正，因此始终不会掉下来。

 “Sehr gut (好极了)” 他点点头，然后又回去参加欢迎仪式。

数月之后，我对爱因斯坦有了更深的了解。一头卷曲的白发，一件普通羊毛衫加一支烟斗，加州理工学院人人都知道这个形象是谁。由于要求他签名的人络绎不绝，有一次他要我想个办法让他避避风头。我在洛杉矶奥列蔽拉大街替他安排了一个住处。那是条艺术街，街上行人以留长胡子、穿羊毛衫远近闻名，因此他在那里从未碰到过上述麻烦。我猜想，街上谁也没有认出我身旁这个人就是举世闻名的大科学家爱因斯坦。

爱因斯坦为人坦率，心口如一，直言不讳。有一次他应邀出席一个“面向全国”的广播节目。有个播音员蓦然发现了这位科学巨匠，就擅自宣布爱因斯坦要向全国听众发表讲话。爱因斯坦非常反感，立刻站起来说，“我没有话要讲，因此讲不出什么话；今后如有话讲，再来向各位奉告。”说完这两句他立刻就坐下去。

我和爱因斯坦曾多次促膝长谈，科学对人类的意义这个话题谈得最多，他有些观点使我感到非常惊奇。我一直认为，我这一生中科学的最大进步在于消除了不少偏见。由于偏见来自日常生活和一般常识，所以一般人总认为它不可逾越。在消除偏见方面，爱因斯坦是我的榜样。他发现，人们只有抛弃物理过程中时间和空间的绝对观念，才能对一些天文学和光学现象作出正确解释。他抛弃了绝对时间和空间观念，宣称时间和空间是同一度量单位，然后循序渐进，提出了“相对论”。

20世纪物理学的另外两大理论是“量子力学”和“测不准原理”。这两个理论也排除了由一般经验所产生的偏见。比如，众所周知，任何运动物体的速度和位置都能精确地予以确定。对“测不准原理”来说，这就是一种偏见。“测不准原理”认为基本物理过程是随机量的乘积，因此无法进行严格测定。这种观点显然是和因果律抵触的。“测不准原理”公开发表后，在物理学和哲学上引起了极大的混乱和矛盾。

我大惑不解，在物理学上以提出激进理论闻名于世的爱因斯坦，居然也不承认“测不准原理”。他坚信任何过程都能用因果律来描述。位置和时间根本就不存在内在的不确定性。因此，他认为“测不准原理”的基本思想完全是胡说八道。

在这方面，我问爱因斯坦：“为什么您不相信测不准原理呢！您年轻时就消除了绝对时间这样一个大偏见。现在提出测不准原理的海森堡也是个青年，他消除另一个偏见——过程确定的唯一性，而您反而不赞成了，这是否表明您年事已高了呢？”

爱因斯坦回答说：“并非如此。亲爱的卡门，以前我就说过，我绝不相信仁慈的上帝会用掷骰子来统治世界。”

这个回答使我感到高兴。因为我面前这位伟人观察问题的方法竟和我父亲一模一样：宗教和科学分别对待。爱因斯坦曾经说，上帝主宰万物，因而也创造了物理定律。同时，他认为宇宙是有序的，即一切事物，只要知道它的现状，便能了解它未来的发展和变化。而“测不准原理”却包含着这样一层意思：未来是无法确凿预知的，结果可能多种多样。

1957年的冯·卡门。图源：维基百科

我父亲有个比拟说法，很能阐明海森堡所面临的困难。我父亲常说，把一个城市的全体居民或整个民族与单独一个人比较一下吧；单个人在下一时刻的行为取决于心理学规律，然而历史学家研究历史决不能采用这样的方法：先运用心理学对千百万个人逐一加以研究，确定每个人在下一时刻的行为，然后再把每个人的行为简单相加起来。历史只着眼于一般过程，也就是说，只观察大多数人活动的平均效果。可以这么说，当海森堡提出一个基本粒子的位置和速度不可能进行严格确定时，他头脑里的观念和上述情况完全一样。由于无法对所有微观粒子的历史都进行研究，所以他认为无法测准单个粒子的运动状态。正如历史学家那样，他测定的只是运动状态的平均效果。

在我看来，这是人类观察上的局限性。要是我们一定要合理解决无数微观粒子的运动状态问题，那就是对要描述的粒子逐一加以研究。由于一个人的寿命有限，在短促的一生中是无法办到的。因此，在这个问题上我和爱因斯坦来个小小的妥协：我认为“测不准原理”并不完全是胡说八道，但我补充说明一点，目前我们的水平有限，无法彻底解决这个问题。有朝一日，这种局限性是会被科学研究突破的。

爱因斯坦在加州理工学院指导过许多次关于物质结构的学术讨论会。有一次，他和奥本海默一起主持讨论会。参加讨论的有密立根、托尔曼、保林和爱因斯坦，这是个多高水平的学术小组啊！我记得，爱因斯坦的论述清澈明了。而奥本海默表达问题的方法太复杂，因此难于理解。他在黑板前动作迅速，推导方程式常跳过好几步，又以为听的人都跟得上。爱因斯坦接在奥本海默后面登上讲台，首先他表示非常抱歉，他比不上奥本海默那样敏捷，不过他将尽力而为。

爱因斯坦是个思考缓慢的人，但却是一位渊博的思想家。奥本海默的表现引起了我的回忆：要不是早年父亲及时教导我懂得坚韧而深刻的思考的价值，我也可能会滑到小聪明的老路上去了。

我在爱因斯坦身上打过一个主意，结果却完全失败了。谢天谢地，幸亏那不是一件科学方面的事情。有个匈牙利才华出众的钢琴家名叫尼里基·哈齐。我发现由于时运不济，人地生疏，他被迫在帕沙迪纳一家大餐厅里当个钢琴伴奏者。从前在布达佩斯他是个公认的神童，有个心理学家还写过一本专门介绍他的书。我和妹妹对他的处境感到很惋惜，觉得他在美国需要有个显显身手的机会。于是我们决定拉他一把，把南加州的一大批艺术家和音乐会代理人请来听听他的演奏。为了达到这个目的，我们特意举办了一个欢迎爱因斯坦的宴会，把南加州有名的音乐会代理人都请来赴宴。一方面让他们见见这位数学大师，另一方面聆听他拉小提琴。不用说，到时候他们纷纷赶来了。那天晚上，正如我们预计的那样，大家请哈齐弹了几首曲子。不料在这个当口，爱因斯坦夫人突然心血来潮，要她丈夫拉小提琴和哈齐合奏，大家对这个主意感到非常高兴。没想到这一下竟触怒了哈齐，他大声嚷道：“我从来不为任何人伴奏！”说罢就真掼纱帽不弹了。我们期望美国音乐界重视哈齐的计划就此成了泡影。而爱因斯坦却兴致勃勃，照拉不误。结果，所有来客都向他表示热烈祝贺，而把布达佩斯的神童忘记得一干二净。

我看，那位傲慢无礼的匈牙利朋友是大错特错了。其后几年，一位真正的钢琴大师凯瑟索斯和爱因斯坦合奏就丝毫没有感到屈尊。加州理工学院的地震专家古腾堡教授也常为爱因斯坦作钢琴伴奏。有一次演奏后我问爱因斯坦，古腾堡钢琴弹得怎么样？他回答说，很难跟上。

“那是怎么回事呢？”我问道，“地震学家弹钢琴不是也有节奏吗？”

爱因斯坦笑笑说，“他的节奏很好，但很难捉摸。”

1932年，爱因斯坦离开了加州理工学院，内中详情我不大了解。不过我料定普林斯顿大学另有一位“密立根”，此人名叫费莱克斯纳。他不仅替爱因斯坦安排了一个终身职务，又向他提供了满意的生活条件。我在普林斯顿跟爱因斯坦只见过一两次面，但在二次大战后却经常接到他的来信。有一次他来信要我参加他发起的“科学家反对使用原子弹紧急行动委员会”。我对这类组织从来就不感兴趣。比较起来，我对在以色列办一所医科大学，或向西班牙提供促进艺术发展奖学金倒是更为关注。我以恕不从命回复了爱因斯坦，并说，“幸而我不是原子科学家，作这种决定要简单多了”。

本文摘自《冯·卡门：航空航天时代的科学奇才》，复旦大学出版社2019年4月出版，《赛先生》获授权发布。

作者简介：

冯·卡门（1881—1963）， 美国力学家、航空工程学家。生于布达佩斯。1930年去美国。1944年至1955年任美国空军司令部科学顾问组成员，1951年任北约组织航空研究与发展顾问组成员。于1935年提出分析带旋涡尾流及其所产生阻力的理论，这种尾流的排列称为卡门旋涡；提出了许多有价值的理论，并研制成第一架打破声障的飞机，设计出超声速风洞等，是火箭与喷气技术研究先驱。曾获包括美国国会梅里特勋章在内的许多荣誉奖章。主要著作有《航空动力学一般理论》《空气动力学》等。

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