在第一次世界大战期间，詹姆斯·弗兰克(James Franck，下图)曾帮他的祖国――德国――开发毒气战防御面具。三十年后，他敦促美国――这个接纳他的国家――在核武器的演示上应慎重，避免用这种武器去对付有生命的目标。

弗兰克

　　在上世纪20年代～30年代初，詹姆斯 ·弗兰克是德国首屈一指的实验物理学家。至今仍为物理学家津津乐道的是弗兰克-赫兹实验(Franck-Hertz experiment)以及弗兰克-康登定律(Franck-Condon principle)，令他和古斯塔夫 ·赫兹(Gustav Hertz)赢得了1925年度诺贝尔物理学奖。1933年弗兰克离开德国，作为一个在美国的移民，重新开始了他早期的努力――致力于研究叶绿素是如何利用阳光合成碳水化合物的。
　　但是，弗兰克也知道二次大战期间他在曼哈顿工程中的职责。他所主持的一工程委员会负责撰写的秘密报告――《弗兰克报告》――担忧对日本进行的核攻击会引发与苏联的核军备竞赛（该报告建议代之以示威性的爆炸）。或许，是弗兰克三十几年前参与过一次大战时德国的化学武器项目，对包括核武器计划在内的道德和政治问题很敏感。

钟情物理学

　　弗兰克1882年出生于汉堡的一个犹太人社区，孩提时代对物理学的兴趣多少受到威廉 ·伦琴（Wilhelm Rontgen）发现X射线的激励。的确如此，13岁时他折断了手臂，被送往汉堡的国家物理实验室进行X光透视：诊断显示骨头已经错位，必须重接。
　　尽管弗兰克对科学有兴趣，但他的父亲――一个成功的布商，以后又步入银行界――却担心弗兰克企图靠物理学谋生不切实际，于是他被送到海德堡大学去学习法律。不过他很快就转到了化学系，并选修了数学和物理。在此期间，弗兰克遇见了以后成为他终身朋友的马克斯 ·玻恩(Max Born)。
　　两个年轻人当时都对海德堡的科学课程不满意，弗兰克因此到了柏林的弗里德里希 ·威廉大学去学习化学，而玻恩则到哥廷根大学学习数学。六十年后，弗兰克回忆起当年是如何劝说他父亲让他转学物理时说：“我对父亲说，如果我不学物理，就会从此不再快乐；而如果我学了物理而无法自立，我会从那时起不再快乐，我宁可求一时之快乐!”
　　在柏林，弗兰克很快被说服去学习实验物理学。他成为埃米尔 ·沃伯格(Emil Warburg)的学生并选修了马克斯 ·普朗克(Max Planck)理论物理学的全部课程：力学、热力学、声学、电学以及电磁学，由此开始参加并深深迷上了一系列由普朗克、以后又有爱因斯坦和瓦尔特 ·奈恩斯特(Walther Nernst)加入的讲座，为新物理学特别是量子理论提出的挑战奋斗着。

图1. 1914年的实验令弗兰克和赫兹分享了1925年度的诺贝尔物理学奖。图为他们绘制的电子束通过阴极射线管水银蒸汽时的电压变化的曲线：电流突然在4.9eV电压的倍数位置下落。该位置表示电子的非弹性碰撞活跃到足以将水银原子提升到令其激发电子的状态

　　沃伯格建议弗兰克研究离子在一个点放电时的迁移率，而弗兰克将问题重新定义为一个便于计算的圆柱体。就这样，他开始进入了所谓弗兰克-赫兹实验的工作。
　　1906年弗兰克获得博士学位后继续以博士后研究者留在柏林，与同事合作开展许多与气体放电相关的物理课题的研究。1911年他获得大学授课资格――事实上是一份在德国大学授课的执照。有了这张执照，弗兰克在柏林一面继续搞研究，一面开始在大学开课。1907年他同来自瑞典哥德堡一个犹太人家庭的钢琴家因格瑞 ·约瑟夫森(Ingrid Josephson)结婚。他们的第一个女儿达格玛(Dagmar)出生于1909年，第二个女儿莉萨(Lisa)出生于1911年。
　　在那段时间，弗兰克与来自约翰 ·霍普金斯大学的访问教授罗伯特 ·伍德(Robert Wood)合作，试图搞清碘气体荧光在不同压力和掺和剂中会产生怎样的效应。弗兰克同时还与更擅长数学的赫兹合作（赫兹的叔叔海因里希 ·赫兹(Heinrich Hertz)已证明电磁波的存在）。他们在第二部合作出版物中描述了通过可调电势令电子加速轰击稀释的单价气体以测量原子的电离能。他们发现，低能量的碰撞是有弹性的，除非气体具有很强的电子亲和力；同时他们获得了一个关键性的发现，非弹性的碰撞在某些与轰击下元素密切相关的能量处出现。

实验与战争

　　在1914年上半年进行的水银蒸气的实验，弗兰克和赫兹获得了1925年度的诺贝尔奖。当时，他们对穿越蒸汽状的水银管子的电子加速时，发现电流在4.9eV区间内急速下降后又随着电压而增长（图1所示）。根据爱因斯坦的光电效应公式，他们意识到4.9eV是一个激发能级，但他们并没有把这一结果与尼尔斯 ·玻尔(Niels Bohr)的原子理论联系在一起。“当时我们既没有读到过也没有听到过这个理论。”弗兰克在多年后回忆道；而玻尔却意识到他们的成果是一项证据。
　　1914年8月第一次世界大战爆发。同年12月，弗兰克以工程师的身份被派往法国北部的前线，并被德国物理化学家弗里茨 ·哈伯(Fritz Haber)招募参加一个研制战时释放氯气的项目中。弗兰克在前线待了一段时间，然后到了俄罗斯，在那儿，他染上了痢疾。1916年9月回国养病期间，弗兰克被任命为弗里德里克-威廉大学的教授。
　　康复后，弗兰克被派遣到柏林哈伯所在的恺撒威廉物理化学与电化学研究所开展有关毒气的工作。在那里，他主要从事防护系统的研究――检验防毒面罩和过滤装置――与哈伯和奥托 ·哈恩（Otto Hahn，核裂变发现者）进行了密切地合作(见图2)。
　　然而，战争并未停止弗兰克和赫兹的物理学研究工作。1915年，当弗兰克在野战医院因胸膜炎发作进行康复治疗期间，他和赫兹发表了一篇论文，论述了在发光放电混合气体中为何电离的气体光谱首先被激发。
　　1918年随着战争的结束，弗兰克和赫兹写了一篇回顾文章总结了他们的结论，然后各奔东西。与此同时，哈伯提供给弗兰克的第一份带薪职位――在哈伯组建的恺撒威廉研究所里担任原子和分子激发与电离研究部的主管。
　　战后的条件极为艰苦。当时纳粹和其他极右团体将德国的战败归咎于犹太人这把“刺在后背上的短剑”，而在1923年又迎来了极度的通货膨胀。尽管如此，弗兰克和他的合作者们仍然关注于他们的研究。他与理论物理学家弗里茨 ·赖歇(Fritz Reiche)分析了氦的能级结构，虽然氦的亚稳态不能经电磁转换成为基态而在氦的放射谱中不可见，但是通过弗兰克-赫兹的电子束激发能检测到。在那之后不久，弗兰克和保罗 ·克里平(Paul Knipping)发现了氦的亚稳级。
　　1920年春，弗兰克在玻尔访问柏林期间结识了他，并开始了他们之间毕生的专业和私人的交往。玻尔的原子理论是弗兰克思考的中心，而玻尔则认为弗兰克能设计出检验和促进原子理论发展的实验。几个月后，玻尔邀请弗兰克第二年春天到哥本哈根，为他新建的理论物理研究所建立一个实验小组。

哥廷根大学

　　受理论物理学家玻恩的影响，1920年弗兰克被任命为哥廷根大学的实验物理学教授。其时哥廷根大学实验物理学有两个教席，罗伯特 ·波尔(Robert Pohl)占据了另一席。同时，哥廷根大学也是一座拥有众多对物理学感兴趣的数学家的名校，这些数学家有大卫 ·希尔伯特(David Hilbert)、理查 ·科朗特(Richard Courant)以及卡尔 ·龙格(Carl Runge)。
　　哥廷根大学当时成为了全球物理学的中心。它不仅吸引了来自其他德国大学的最优秀的学生和年轻学者，如维尔纳 ·海森堡(Werner Heisenberg)和沃尔夫冈 ·泡利(Wolfgang Pauli)，而且还包括许多国外年轻学者，如美国的卡尔 ·康普顿(Karl Compton)、爱德华 ·康登(Edward Condon)、约瑟夫 ·迈耶(Joseph Mayer)和罗伯特 ·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)，匈牙利的爱德华 ·泰勒(Edward Teller)以及英国的保罗 ·狄拉克(Paul Dirac)等。
　　尤其是哥廷根大学理论物理学家和实验物理学家之间的融洽、协作氛围(见图3)，而弗兰克在创建团队精神的过程中扮演了中心角色。在海森堡1926年离开哥廷根大学到莱比锡大学就职前写了一封感谢信给弗兰克：
　　“在我离开此地接受我的新职位之前，我要感谢你和你的可敬的夫人在我在哥廷根的这些年里所给予我的热情关照。一个人在学院圣诞聚会上和在充斥着我们相互间工作和生活乐趣的“弗兰克庆典”上的心灵感受，说实在，大半是你的功劳。一个人来到哥廷根立即会有宾至如归的感觉，为此我要特意感谢你。我无法想象还有什么比某一天能再次在那种感受下回到哥廷根工作更美好了。”
　　采用电子碰撞以探测分子的分裂，弗兰克理解分子过程的方法比数学方法更直观。他在1924年的一篇讨论由正离子和原子间的碰撞引发电离的论文中写道：“问题所涉及的假设是，电离电子撞到原子时发生得如此之快，以至笨重的离子在电子撞击时来不及改变自己的位置。”这是弗兰克-康登定律的第一次表述，后经弗兰克进一步发展后发表于1926年一篇有关双原子分子的光致降解的论文中。同年，康登在一篇论文中对此作了详尽的数学论证。
　　随着弗兰克在物理学界的地位不断上升。他和赫兹分享了1925年度的诺贝尔物理学奖。当他在斯德哥尔摩所做的答谢演讲中，弗兰克回顾了在那个年代作为一个物理学家的快乐：
　　“岂止是我，才有千千万万条理由来表示感谢?――感谢工作的机遇、也感谢命运对我的眷顾，在一个世纪里我们的科学取得了如此丰富和强劲的发展，为量子和原子理论的宏伟大厦添砖加瓦，这些理论的创立特别应当提到普朗克和尼尔斯 ·玻尔。”

图2. 1916年的仲冬，弗兰克(左)哈恩(中)在柏林弗里茨·哈伯的研究所前。身后的小屋是用来试验防毒面罩的

拒纳粹主义

　　然而在当时的德国，纳粹化浪潮正在高涨；而哥廷根的物理研究所则保持着与政治的超脱，弗兰克依然在他的物理学中耕耘。由于妻子因格瑞的死亡，弗兰克与他的合作者赫莎 ·施波纳(Hertha Sponer)在美国举行了他人生的第二次婚礼。
　　1929年弗兰克拒绝了慕尼黑的教授职位，但他利用他的影响在哥廷根得到了文化部对他工作更大的支持。1932年年底，他被邀请接替奈恩斯特任柏林物理研究所的主管，但很快随着1933年1月30日希特勒被任命为德国总理而搁置。
　　两个月后，新政府颁布了一条法令，解雇所有“非雅利安血统”的政府雇员，包括大学教师。但暂时对一战的退伍老兵豁免。弗兰克原本列在豁免范围，但他公开放弃豁免以示抗议。
　　不久，弗兰克的举动被本地的一家反纳粹报纸报道后（该报随后被查封），收到许多赞赏他立场的来信。但弗兰克也遭受到一些不怀好意的攻击，如一封由42名哥廷根讲师签署发表在一家亲纳粹报纸上的信，污蔑“（弗兰克）貌似温和的辞职就是一种蓄意破坏的行为。”
　　在一段时间内，弗兰克应邀访问了约翰 ·霍普金斯大学和在伊斯坦布尔和贝尔格莱德教书，并希望留在德国的私营部门工作。其间，玻尔邀请弗兰克到他的研究所担任访问教授。1933年10月弗兰克终于接受了邀请，在哥本哈根短暂地从事了一段核物理的研究。

图3.在1920年代～1930年代初，哥廷根成为了世界物理学的中心，吸引了包括德国在内的世界上许多优秀的年轻学者。自左至右为:萨默、海森堡、弗兰克以及冈瑟·开罗(Günther Cario)

冶金实验室

　　尽管弗兰克很欣赏玻尔和他的研究所，但认为自己在理解光合作用的研究上能作出更多的贡献，在哥本哈根的逗留只能是一个驿站。1935年1月他接受了约翰 ·霍普金斯大学的邀请，开始了他的光合作用研究。1938年年初，弗兰克接受了芝加哥大学的教职，组织了一个研究团队进行了光强和持续时间、二氧化碳浓度、温度对光合作用影响以及绣球花叶的荧光性的实验，发展了一种不完全理论来解释他们的研究成果。
　　弗兰克在芝加哥的第一篇论文是与泰勒合作完成的。泰勒在1933年来玻尔研究所之前是弗兰克哥廷根团队中的理论物理学家，后于1935年加盟乔治 ·华盛顿大学。该论文考察了光是如何被晶体吸收的（有助于奠定电子空穴对理论基础），随后他们运用这一思路解决叶绿素中蓝光为何会引发低能量激发的问题。尽管泰勒和弗兰克花了很长时间才真正理解光合作用是如何进行的，但他们的思想对于增强照相感光乳剂的光敏度很有价值。
　　弗兰克在一封未标明日期(大约是1941年)写给他朋友莉泽 ·迈特纳(Lise Meitner)的信中提到了理解光合作用的困难：
　　“这同物理学完全不一样。在物理学中，最简单的解决方案几乎总是正确的方案，但在活组织中绝非如此。大自然总有时间采用非常复杂的途径来解决问题，因为它们要尽可能提供安全措施来防止失控。我相信我已搞懂了光合作用的理化方面。而化学，我实在对它少有兴趣，我尽可能试着去搞懂它。”
　　弗兰克在该领域的贡献于1955年获得美国艺术与科学研究院颁发的“拉姆福德”奖而得到认可。
　　由于1941年12月日本发起对珍珠港的偷袭，美国顶尖的物理学家几乎被动员参加到核武器和雷达的研制项目中。阿瑟 ·康普顿（Arthur Compton）领导的钚技术开发工作在芝加哥大学进行，这项工作在曼哈顿工程中代号为“冶金实验室”，而弗兰克负责“冶金实验室”的一个化学部门。不过他有一个条件，即在准备使用核弹前，必须允许他将自己的看法告诉核弹使用者的最高决策层。
　　在冶金实验室，弗兰克涉及的几乎都是管理工作，具体工作是由格伦 ·西博格(Glenn Seaborg)团队完成的。然而，弗兰克最终还是深陷其中，因为尤金 ·维格纳(Eugene Wigner)提出了有关在钚生产反应堆的石墨中由中子引起的原子置换而造成的能量存贮计算问题。最初，这一“维格纳效应”问题得到主管方的默认，但很快就引起负责在哥伦比亚河修建反应堆的杜邦公司重视。这一问题最终导致反应堆在二战后一度停建，直至技术发展到能量可以受控方式释放后才恢复建造。

弗兰克报告

　　在1944年，欧洲战场的局势已经扭转，而冶金实验室的工作也已大部分完成，科学家开始有时间考虑原子能在战后带来的影响。战后核军备竞赛是显而易见，事实上，玻尔已经敦促美国、英国政府与苏联商讨原子弹使用的这个议题。
　　1945年5月欧洲反法西斯战争胜利后，这场讨论变得更加热烈。讨论过后，弗兰克于6月5日写下了备忘录，即“弗兰克报告”初稿：
　　“众所周知，原子能可用于制造一种前所未有的原子炸弹。我们完全确信美国目前在这方面具有优势。包括如下事实：它已经成功地通过分离活性铀同位素，并以提纯方式和技术规模生产裂变超铀元素钚，实施了爆炸本身……我们相信，一颗炸弹造成惨绝人寰的毁灭将很快变成现实。美国为这一目标花了三年半时间，而为这一进步国家已经耗费了巨额财富，需要大批科学家和工业机构投入。
　　同样，我们可以预期其他强国可以并将花同样的年数做同样的事，如果他们对这件事投入足够的力量的话。虽然他们在工业效能上可能有点落后，但他们会很快了解我们开展工作的基本原理，即便美国试图保守每一个秘密……如果启动原子弹军备竞赛，美国会在短短几年里取得优势。”
　　在1945年4月罗斯福总统逝世后，总统科学咨询委员会成员之一的康普顿负责向杜鲁门总统提供核事务方面的建议，该临时委员会成员还包括奥本海默、欧内斯特 ·劳伦斯(Ernest Lawrence)、恩里科 ·费米(Enrico Fermi)。在弗兰克写下备忘录后的某一天，康普顿组织了6个由实验室科学家组成的专家小组评估战后核能的潜在影响，弗兰克被指定为社会和政治潜在影响专家组的主席。
　　弗兰克的专家组成员包括西博格，后来在1961至1971年间连续担任原子能委员会主席；利奥 ·西拉德(Leo Szilard)，自从他于1933年第一次构想出核的链式反应思路以来，就一直为核武器的潜在影响所困扰；尤金 ·拉比诺维奇(Eugene Rabinowitch)，后来参与创立了《原子科学家通报》(Bulletin of the Atomic Scientists)。
　　对于核武器如何使用，弗兰克报告花了五天时间完成了最终版本。该报告坚决反对使用核武器袭击日本，以此代替在荒无人烟的地区进行试爆：
　　“使用核弹对日本进行突袭是不明智的。如果美国坚持首次用这种不分青红皂白的毁灭人类的新武器，它就会失去世界公众的支持，加速军备竞赛，并在未来对这种武器的控制达成国际一致的可能性造成损害。如果核弹第一次向世界公开是在经过选择的荒无人烟的地区进行的话，那么对于最终达成这样的一致就更为有利。……
　　如果政府同意及早进行核武器演示，并在决定是否在这场反日战争中使用这种武器之前顾及到这个国家以及其他国家的感受。在这方面，一些国家也要分担作出如此重大决策的责任。”
　　康普顿和弗兰克等人试图将该报告递交给陆军部长亨利 ·斯廷森（Henry Stimson），但是他不在城里，便由康普顿留了一张便笺给斯廷森。便笺中表达来他的观点，即该报告未充分强调的是，如果使用原子弹可以加速战争的结束而挽救许多生命的话。
　　其实，康普顿在5月31日的科学咨询委员会上提出弗兰克关于及早演示核武器的想法。结果是，科学咨询委员会被“要求准备一份报告，说明能否设计出这样一种演示而让战争结束，不必用这种炸弹去对付有生命的目标。”然而在6月16日的答复报告中，他们称无法做到这点。
　　与陆军部不同的是，弗兰克并不关注原子弹加速战争结束的重要性。相反，他在6月5日的备忘录上认为事实上已经赢得了战争：
　　“这种爆炸没有及时用来对付德国，它也很可能并不需要用来打赢对日战争。只是想象用它对付日本可能会缩短战争，或许已经没有其他手段来缩短战争罢了。”

对政治厌倦

　　正如弗兰克所担心的那样，在广岛爆炸的原子弹掀起了核军备竞赛。前苏联核工程领导者伊格尔 ·库尔恰托夫(Igor Kurchatov)说：“广岛震动了整个世界，平衡已被打破。”为了确保苏联核武器计划得到所需要的一切资源，斯大林将其置于内务部的控制之下。
　　美国研究苏联核计划问题专家大卫 ·霍洛韦(David Holloway)认为，没有任何东西能让美国劝说斯大林放弃核计划。他坚信：“原子弹会影响到力量的均衡，这是一个国家经济和技术实力的标志，斯大林会坚持把原子弹掌握在手中。”
　　在广岛原子弹爆炸后的4年，即1949年的8月29日，苏联成功地进行了它第一次核试验。
　　威力更大的热核武器也正在研制中。那段时期美国的核武库已储备了4000至5000枚裂变弹，而苏联的数量约为美国的十分之一。仅在1958年，美国的核武库中就增加了5000多件核武器。在60年代中期，美国核武库的储备超过了惊人的3万件。
　　1946年2月，弗兰克曾在写给玻恩的信中流露出他对政治的厌倦：“要不是我的良知迫使我在几个政治问题上公开表明立场……我会非常满意。我讨厌卷入任何政治，我讨厌受到公众注意，但我又不能躲进象牙塔中忘记世界。当然，在我这样的年龄段或许比年轻人更悲观。尽管我在每一个孙辈那里得到了乐趣，并且体会到成为一个称职祖父的天伦之乐，然而我的悲观情绪并不始终如一。”
　　弗兰克很快又重返他的光合作用的研究。1947年，德国邀请他担任海德堡实验物理学会主席一职，被他婉拒。但他坦承：我相信大多数德国人反对针对犹太民族和其他被纳粹指为劣等民族的人的杀戮行径。我并不责备他们没有勇气将自己作为祭品投入摩洛神的巨口，因为他们相信这么做无济于事。然而，还有相当比例的平民麻木不仁地看着这些罪行的发生，对这些人，我不想见到他们。我无法想象桃李满天下的我会问自己，同我有着来往的人中会不会是那些人中的一个。
　　然而，弗兰克渐渐地与新德国实现了和解。1948年他接受马克斯·普朗克学会邀请成为其通讯会员；1951年他和赫兹被授予马克斯 ·普朗克奖章；1953年弗兰克、玻恩和科朗特被授予哥廷根荣誉市民。

弗兰克-1

波尔、弗兰克、爱因斯坦和拉比在聚会时的留影

　　1950年弗兰克开始走访他在欧洲的老朋友。1964年春天他在作环德旅行时，在哥廷根拜访了哈恩和玻恩(图4)。在同哈恩一起度过一个愉快的下午后，弗兰克于5月21日早晨死于心脏病发作，享年81岁。

图4.1964年5月，是弗兰克最后一次到哥廷根并拜访了玻恩。这张照片抓住了弗兰克特有的姿态――掏出他的怀表问："我们还有时间吗?"几天后，他突然死于心脏病发作

资料来源Physics Today

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