詹姆斯·弗兰克

詹姆斯·弗兰克:率先发出警告的物理学家

1945年6月11日,一群参与美国原子弹研制的科学家签署了一份文件,恳求本国政府不要在未发出警告的情况下使用该武器。他们写道:“如果美国率先对人类使用这种不加区别的毁灭性新手段,她将失去全世界的公众支持,并引发军备竞赛。”这份报告由该委员会主席签署——他是一位诺贝尔奖得主,曾于十二年前因原则问题辞去教授职位,并将毕生职业生涯用于证明原子仅能接受精确数值的能量。

汉堡、海德堡、柏林

弗兰克于1882年8月26日出生在汉堡。他曾就读于威廉体育馆(Wilhelm Gymnasium),随后在海德堡学习化学,之后转入柏林学习物理,师从埃米尔·瓦尔堡(Emil Warburg)和保罗·德鲁德(Paul Drude)。他于1906年在柏林获得博士学位,在法兰克福短暂担任助理,随后回到柏林与海因里希·鲁本斯(Heinrich Rubens)共事。到1911年,他已在柏林大学讲授物理学,晋升为副教授并一直任职至1918年,期间因参加第一次世界大战而中断。

电子与原子

弗兰克的核心工作关注电子撞击原子时会发生什么。他与古斯塔夫·赫兹(Gustav Hertz)共同设计了实验,精确测量了这种交换过程——并发现原子不会接受任意数量的能量。它只接受特定的能量值,而不接受中间数值。这是量子理论所提出的量子化能级首次直接的实验证明,它将一个抽象的假设转化为可测量的实验室事实。1925年诺贝尔物理学奖授予了这两人,以表彰他们“发现支配电子撞击原子的定律”。

战后,弗兰克在弗里茨·哈伯(Fritz Haber)领导的威廉皇帝研究所(Kaiser Wilhelm Institute)担任物理学部主任,继续研究电子动力学及气体中原子的行为。

哥廷根

1920年,他成为哥廷根大学实验物理学教授。十三年来,他与马克斯·玻恩(Max Born)密切合作,使该镇成为世界理论物理学的中心。他的学生包括J·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)。正是在哥廷根,弗兰克提出了现今以他和爱德华·康登(Edward Condon)命名的原理,该原理阐明了光化学离解——即分子在吸收光时如何分解。

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辞职,1933年

当纳粹政权掌权时,弗兰克公开反对其种族法律,宁可辞去职务也不愿在纳粹领导下工作。这是一种极其罕见且引人注目的拒绝行为,出自一位本可申请豁免的受勋老兵之手。他先是前往约翰霍普金斯大学担任斯派尔教授(Speyer Professor),在哥本哈根待了一段时间,并于1938年加入芝加哥大学物理系。

芝加哥与原子弹

第二次世界大战期间,弗兰克领导了曼哈顿计划中芝加哥大学的分支机构——冶金实验室的化学部。随着武器即将完成,他担任了委员会主席,负责起草1945年6月的《弗兰克报告》,并与利奥·西拉德(Leo Szilard)、格伦·西奥多·西博格(Glenn Seaborg)、唐纳德·J·休斯(Donald J. Hughes)、J·J·尼克森(J. J. Nickson)、尤金·拉比诺维奇(Eugene Rabinowitch)和J·C·斯特恩斯(J. C. Stearns)共同签署。

该报告反对在未告知的情况下对日本进行原子弹袭击,并建议在无人区进行演示。其理由既是战略性的,也是道德性的。科学家们坚称秘密无法长期保守,预言十年内其他国家也将拥有能够摧毁城市的炸弹,并敦促在军备竞赛变得不可阻挡之前建立“有效的国际核爆炸物控制机制”。他们的建议被否决了。但在时间表上,他们是正确的。

光合作用

战后,弗兰克一直领导芝加哥的光合作用研究小组直到1956年,他将物理化学的工具应用于植物如何将光转化为化学能的问题——在某种意义上,这与弗兰克-康登原理本质上是同一个问题,只是针对的是生物物质。荣誉接踵而至:1951年获马克斯·普朗克奖章,1953年获哥廷根荣誉市民称号,1955年获伦福德奖章,并于1964年当选为皇家学会会员。1964年5月21日,他在访问哥廷根——那座他三十一年前离开的城市时去世。

为什么詹姆斯被称作天才

此处所指的天赋是实验想象力:设计一种装置,强迫自然界回答它一直在回避的问题的能力。玻尔的原子模型具有离散的能级,这只是一个理论命题,许多物理学家认为这是一种便利的虚构。弗兰克和赫兹制造了一种设备,使该命题在电流中以重复模式可见——这是任何人都能从仪器上读出的证据。将一个有争议的抽象概念转化为无可辩驳的测量结果,是物理学家能做的最困难的事情之一,而诺贝尔委员会的评价“发现支配电子撞击原子的定律”,正是对这一点的肯定。弗兰克-康登原理显示了同样的思维习惯应用于分子和光。

反面观点也值得一提。赋予其结果意义的理论并非出自他本人;它属于玻尔,随后的量子力学属于玻恩、海森堡(Heisenberg)以及弗兰克工作所在机构的其他科学家。他是一位在理论家主导的革命中的卓越测量者。奖项是共享的,原理是共同命名的,而他战后在光合作用方面的重要研究并未产生同样量级的成果。同样公正地观察到,弗兰克现代声誉的很大一部分建立在良知而非物理学之上——即1933年的辞职和1945年的报告。这是一种真实的卓越,或许更为罕见,但这是道德清明而非智力超群,两者不应被草率地混为一谈。

遗产

弗兰克-赫兹实验现在是本科物理实验室的标准实验,这是物理学所能给予的最高赞誉:一个如此可靠的结果,以至于学生们被要求去重现它。《弗兰克报告》则有着更为奇特的后世命运。1945年被忽视的它,后来成为了科学家军备控制运动的奠基文件,今天读起来更像是一份预测而非抗议——即制造武器的人精确告知政府未来五十年将会发生什么,却未被相信的时刻。

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