贝特是物理学与天体物理学领域的一代宗师，对量子力学、固体物理学、核物理、天体物理学、量子电动力学与粒子物理学等多个领域都做出杰出贡献，因此荣获1967年的诺贝尔物理学奖与其他多项大奖。在曼哈顿计划中，贝特以理论部主任的身份带领一批杰出的物理学家，解决了原子弹制造过程中的众多关键问题。贝特因为其计算能力超强、贡献成果超多、涉猎范围超广，而被戴森称为“20世纪最强问题解决者”。
撰文 | 王善钦
火车上的计算：量子电动力学
二战结束后，原本服务于战时军工科技的科学家纷纷回到大学或研究所。贝特回到康奈尔大学，继续做科研。此时的奥本海默已不做研究，贝特成为当时全美理论物理学的领袖。贝特还把自己在参与曼哈顿计划期间结识的一些杰出的年轻人（如费曼）延揽到康奈尔大学，这里成为当时世界上理论物理的顶尖研究中心之一。
此时整个理论物理学的核心是QED。1947年，兰姆（Willis Lamb，1913-2008）与雷瑟福（Robert Retherford，1912–1981）在实验室精准测出了氢原子的2S1/2和2P1/2这两个能级的能量差对应的频率为1057 MHz，即“兰姆移位”（Lamb shift）。然而，根据此前的理论，这两个能量应该是相等的。这意味着此前的理论必须被修正。
1947年6月，著名的谢尔特岛会议在纽约谢尔特（Shelter）岛的一家宾馆召开，主题为“量子力学基础”（Foundations of Quantum Mechanics）。这次会议讨论的热点之一是兰姆移位的产生机制。荷兰物理学家克莱默斯（Hans Kramers，1894-1952）提出“重新正规化”（重正化，renormalization）方案，但他无法进行定量计算。
谢尔特岛会议重新激起贝特对QED的兴趣。贝特认为出现兰姆移位的原因是：电子释放出虚光子后，又将虚光子吸收回去，这个过程产生了电子的“自能”。会议结束后，贝特坐火车前往位于纽约州东部的斯克内克塔迪（Schenectady）。
在火车上，贝特开始计算，他采用非相对论近似（即假设电子低速运动，不考虑相对论效应），旅途还未结束，他便完成了计算。他算出的能级差异是1040 MHz，与实验测出的1057 MHz非常接近。
贝特很快写好相关论文，并于1947年8月将其发表于《物理学评论》。这篇标题为《电磁能级移位》**[18]**的论文只有3页，只包含12个数学方程，但它影响深远：它给出了处理无穷大并得到有限值的一个先例，为新的QED理论的发展打下了基础。
戴森（Freeman Dyson，1923-2020）也是在这个时期来到康奈尔大学跟随贝特读研究生。贝特让戴森重复他在电子方面的计算，并给出一个低阶修正。戴森经过几个月的复杂计算，发现得到的结果和此前贝特得到的结果没有本质差异。不过，这几个月的训练让本来没有物理学背景的戴森熟悉了QED。此后，戴森在QED领域大显身手，折服了奥本海默，并因此于1952年被后者聘为普林斯顿高等研究院的研究员。[19]
氢弹的“助产士”
原子弹成功爆炸后，早在曼哈顿计划期间就吵着要制造氢弹的泰勒要求继续研究氢弹。由于奥本海默等人的强烈反对，项目一直无法上马。1949年8月29日，苏联成功引爆了原子弹，核军备竞赛正式开启。1950年1月底，时任美国总统杜鲁门拍板，启动氢弹的研制。
核军备竞赛的启动与冷战的升级让一开始反对研制氢弹的贝特担忧双方力量失衡，因此转而投入氢弹的研制之中。
1951年5月9日，泰勒团队研制的世界上第一颗氢弹被成功引爆，其威力相当于广岛原子弹的10倍。1952年11月1日，第二颗氢弹被引爆，其威力相当于广岛原子弹的450倍。
很多人称泰勒为氢弹之父，另外一些人认为乌拉姆（Stanisław Ulam，1909-1984）才是氢弹之父。贝特认为，乌拉姆为氢弹之父，泰勒是氢弹之母，而他自己是助产士。
贝特说自己对氢弹项目的贡献微不足道：“我做得非常少。我认为我的主要贡献是：我在一次会议上说1英寸是2.54厘米，而不是2.5厘米。[此前]工程师们被2.5束缚住了，所以厘米尺寸和英寸尺寸始终不一致。所以，我解决了这个问题。”[20]
这个说法显然是自谦，同时是借机调侃日常使用的英寸制被用于科学技术研究。事实上，据戴森回忆**[19]**，贝特有大约8个月时间没出现在康奈尔大学，行程保密。而氢弹成功爆炸后，贝特重回校园。显然这8个月，贝特在项目组内进行大量计算工作。
氢弹爆炸后，泰勒意图继续制造更多更强的氢弹，与苏联进行核竞赛。贝特的意见相反，他希望美苏两国可以谈判，实现核裁军，避免人类被核大战毁灭。在奥本海默被进行安全审查时，贝特劝泰勒不要出席指控奥本海默（他的劝说没有成功）。同时，贝特坚定维护奥本海默，并在听证会上一度代表他。贝特说，虽然奥本海默反对研制氢弹，但他的立场并未阻碍氢弹研制的进度。
故地重游：核物理与粒子物理学
从50年代到70年代，贝特将更多精力投入到核物理与粒子物理学的研究之中，对原子核、电子、介子、粒子对、韧致辐射等众多课题进行深入研究。
1951年，贝特与萨尔皮德（Edwin Salpeter，1924-2008）合作发表论文《束缚态问题的相对论性方程》[21]。这篇论文研究了由两个粒子构成的束缚态系统，提出了著名的“贝特-萨尔皮德方程”（Bethe-Salpeter equation），其解为“贝特-萨尔皮德振幅”（Bethe-Salpeter amplitude）。
束缚态系统在粒子物理学中普遍存在，如：由夸克与反夸克构成各种介子，由电子与正电子构成的束缚态，由电子与空穴构成的束缚态等。贝特与萨尔皮德给出了研究这些束缚系统的相对论性量子场论方法，对于此后物理学家研究此类系统有重要意义。
1954年-1968年，贝特第一作者或以唯一作者发表的重要论文包括《韧致[辐射]与[粒子]对生产理论. I. 微分截面》[22]、《核多体问题》[23]、《核物质的参考谱方法》[24]、《核物质的三体相关性》[25]、《核子的托马斯-费米理论》[26]。这些论文至今均有数百次引用，其他论文更不胜枚举。贝特的勤奋、高产与论文的高品质是惊人的。
超新星研究
1975年，69岁的贝特从康奈尔大学退休。1978年开始，贝特与布朗（Gerry Brown，1926-2013）合作研究“核塌缩型超新星”的机制，此类超新星由大质量恒星塌缩后爆炸而形成。
在贝特进入超新星领域之前，这个领域的学者认为恒星塌缩后，核心密度被压缩到原子核密度的0.1倍时，塌缩就会停止。贝特很快证明：恒星内核被压缩到密度超过原子核密度后，塌缩才会停止。[13]
贝特与其他学者的研究还表明，核塌缩型超新星爆发后不久，内部产生的反弹激波就会被耗尽能量。1980年，贝特研究了中子星发出中微子的性质。1982年，威尔逊（James Wilson，1922-2007）提出“中微子延迟爆发”机制：核心释放出的大量中微子与稠密的外层物质相互作用，将其中的一小部分能量传递给物质，将恒星炸开。此后，贝特与威尔逊深入研究了这个机制，他们于1985年发表的一篇论文**[27]**成为这个课题的经典之作。
1987年1月，贝特与布朗决定放弃超新星爆炸机制的研究，因为这方面的研究一直没有观测方面的证据。然而，就在一个月后，人类观测到大麦哲伦云（LMC）内一颗超新星爆发，即SN 1987A。LMC距离地球约17万光年，SN 1987A爆发后，它发出的光在太空中穿行了约17万年，才到达地球。
超新星SN 1987A爆发后（左）与爆发前（右）的图像。图片来源：见图下方
这是一颗核塌缩型超新星，它发出的中微子被地球上的两个中微子探测器探测到，这直接支持了中微子延迟爆发理论。这颗超新星重新激发起贝特对超新星爆炸机制的研究热情，他在此后研究了超新星爆炸时的对流与快速核合成过程。
1990年，84岁的贝特写了一篇长篇综述**[28]**，总结核塌缩型超新星爆发的研究。这篇综述在很长一段时间都是这方面的权威综述。年迈的贝特仍笔耕不辍，他与布朗在超新星方面的合作一直持续到1995年。
在研究超新星爆发机制的过程中，贝特经常使用1051尔格（等于1044焦耳）作为能量单位。后来研究超新星的学者经常将这个量称为“1贝特”，简称1 B。这个量也被缩写为“foe”。
双星并合与引力波
1996年，在贝特与布朗访问加州理工学院时，索恩（Kip Thorne，1940-）寻求他们的帮助。当时索恩正在为制造激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）而奋斗。LIGO可以探测的引力波主要来自双黑洞并合、双中子星并合、黑洞-中子星合并等过程。
索恩希望贝特与布朗计算LIGO每年可探测到多少黑洞-中子星并合产生的引力波事件。二人计算了中子星-黑洞并合与双中子星并合事件的发生率**[29]，并指出：LIGO每个月可以发现几例由双致密星并合导致的引力波，而不是此前别人估计的每年两三例。[13]**
贝特、布朗以及贝特的助手还研究了中子星-白矮星并合等新类型。此外，他还与合作者研究了涉及X射线与伽玛射线暴的黑洞系统以及具有共同包层的双星系统（双星过于接近，导致双星的外层物质包裹着双星，如同花生壳裹着花生）等课题。
2015年开始，升级后的LIGO先后探测到双黑洞并合与双中子星并合产生的引力波，并很可能探测到黑洞与中子星并合发出的引力波。
20世纪最强解题大师
由于贝特在pp链与CNO循环的深入研究有力推动了人类对恒星能源的理解，他从1943年开始就被提名为诺贝尔物理学奖得主，并在1967年获奖。从1943到1967年这25年时间内，他有19年被提名。在他获奖的消息传开后的几个月内，他家的电话成为热线电话，甚至有同姓的陌生人写信给他，说是他的亲戚，请求分享诺贝尔奖的部分奖金。[13]
除诺贝尔物理学奖之外，贝特还先后获得亨利·德雷珀奖章（Henry Draper Medal，1947；编者注：关于德雷珀可参见《他是一名医生，却改变了天文学》）、普朗克奖章（Max Planck Medal，1955）、富兰克林奖章（Franklin Medal，1959）、爱丁顿奖章（Eddington Medal，1961）、费米奖（Enrico Fermi Award，1961）、拉姆福德奖（Rumford Prize，1963）、美国国家科学奖章（National Medal of Science，1975），奥兹特德奖章（Oersted Medal，1993），布鲁斯奖章（Bruce Medal，2001）等重要奖项。看来负责颁发爱丁顿奖章的英国皇家天文学会并未介意他当年的那篇恶作剧文章对爱丁顿等人的影射。
为了表示对贝特的尊崇以及奖励那些在天体物理学、核物理与核天体物理等领域做出杰出成就的学者，美国物理学会设立了贝特奖。贝特奖从1998年开始颁发。
2003年，97岁高龄的贝特应《天文与天体物理学年鉴》（Annual Review of Astronomy & Astrophysics）的邀请，在儿子亨利·贝特（Henry George Bethe，1944-2015）的协助下，撰写并发表了《我的天体物理学生涯》（My Life in Astrophysics）[13]，总结了自己在天体物理学上的探索历程。
《我的天体物理学生涯》上的贝特照片与下方的签名。图片来源：Bethe, H. A. My Life in Astrophysics, 2003, ARA&A, 41, 1
2005年3月6日，贝特逝世，享年98岁（未到99岁生日）。他的妻子于2019年12月24日逝世，享年102岁。
2012年，哈佛大学出版社出版了施韦伯（Silvan S. Schweber）撰写的贝特传记《核力：物理学家汉斯·贝特的成就》（Nuclear Forces: The Making of the Physicist Hans Bethe）。**[6]**此书主标题“Nuclear Forces”是一个巧妙的双关语，既指原子核之间的“核力”（使原子核不解散的力），也指核武器的力量。这个双关语指向了贝特的两个重要身份：核物理学研究领域的泰斗，原子弹制造过程中的主角之一。
贝特传记Nuclear Forces The Making of the Physicist Hans Bethe的封面。图片来源：Harvard University Press
贝特的贡献当然远远不限于原子弹与核物理。在他持续70多年的科学生涯中，他对量子力学、固体物理学、核物理、天体物理学、量子电动力学与粒子物理学等多个领域都做出杰出贡献，而且每10年就有至少一个重要成果；在巅峰阶段，其重要成果更密集。
长期处于巅峰状态且成就斐然的科学家寥寥无几，贝特是其中之一。戴森说他是“20世纪最强问题解决者”（supreme problem-solver of the 20th century）[30]，绝非过誉。
参考文献
[1] Bethe, Albrecht. The Virtual Laboratory (https://vlp.mpiwg-berlin.mpg.de/people/data?id=per362)
[2] Stahnisch, FW (2016). "From 'Nerve Fiber Regeneration' to 'Functional Changes' in the Human Brain-On the Paradigm-Shifting Work of the Experimental Physiologist Albrecht Bethe (1872-1954) in Frankfurt am Main". Front Syst Neurosci. 10: 6. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4766753/)
[3]Bethe, H. Zur Theorie des Durchgangs schneller Korpuskularstrahlen durch Materie, 1930, AnP, 397, 325
[4] Bethe, H. A. Bremsformel für Elektronen relativistischer Geschwindigkeit, 1932, ZPhy, 76, 293
[5]Corlin, A., Stein, J. S., Beck, G., & Bethe, H. & Riezler, W. Zuschriften, 1931, NW, 19, 37
[6]Schweber, Silvan S. (2012). Nuclear Forces: The Making of the Physicist Hans Bethe. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. ISBN 978-0-674-06587-1.
[7] Bethe, H. A. Zur Theorie der Metalle. I. Eigenwerte und Eigenfunktionen der linearen Atomkette, ZPhy. 71 (3–4): 205
[8]Bethe, H. A. & Fermi, E. Über die Wechselwirkung von zwei Elektronen, 1932, ZPhy, 77, 296
[9]Bethe, H. & Heitler, W. On the Stopping of Fast Particles and on the Creation of Positive Electrons, 1934, RSPSA, 146, 83
[10] Bethe, H. A. & Bacher, R. F. Nuclear Radius and Many-Body Problem, 1936, PhRv, 50, 977
[11] Bethe, H. A. Nuclear Physics B. Nuclear Dynamics, Theoretical, 1937, RvMP, 9, 69
[12] Livingston, M. S.; Bethe, H. A. Nuclear Physics C. Nuclear Dynamics, Experimental, 1937, RvMP, 9, 245
[13] Bethe, H. A. My Life in Astrophysics, 2003, ARA&A, 41, 1
[14] Bethe, H. A. & Critchfield, C. L. The Formation of Deuterons by Proton Combination, 1938, PhRv, 54, 248
[15] Bethe, H. A. Energy Production in Stars, 1939, PhRv, 55, 434
[16]Hoddeson, Lillian; Henriksen, Paul W.; Meade, Roger A.; Westfall, Catherine L. (1993). Critical Assembly: A Technical History of Los Alamos During the Oppenheimer Years, 1943–1945. New York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-44132-3. OCLC 26764320.
[17]Bethe, H. A. Theory of Diffraction by Small Holes, 1944, PhRv, 66, 163
[18] Bethe, H. A. The Electromagnetic Shift of Energy Levels, 1947, PhRv, 72, 339
[19] Freeman Dyson, Disturbing the Universe. Harper & Row. 1979. ISBN 978-0-06-011108-3.
[20]Manhattan Project Spotlight: Hans and Rose Bethe (https://ahf.nuclearmuseum.org/manhattan-project-spotlight-hans-and-rose-bethe/)
[21] Salpeter, E. E. & Bethe, H. A., A Relativistic Equation for Bound-State Problems, 1951, PhRv, 84, 1232
[22]Bethe, H. A., & Maximon, L. C. Theory of Bremsstrahlung and Pair Production. I. Differential Cross Section, 1954, PhRv, 93, 768
[23]Bethe, H. A. Nuclear Many-Body Problem, 1956, PhRv, 103, 1353
[24]Bethe, H. A., Brandow, B. H., & Petschek, A. G. Reference Spectrum Method for Nuclear Matter, 1963, PhRv, 129, 225
[25]Bethe, H. A. Three-Body Correlations in Nuclear Matter, 1965, PhRv, 138, 804
[26]Bethe, H. A. Thomas-Fermi Theory of Nuclei, 1968, PhRv, 167, 879
[27]Bethe, H. A. & Wilson, J. R. Revival of a stalled supernova shock by neutrino heating, 1985, ApJ, 295, 14
[28]Bethe, H. A. Supernova mechanisms, 1990, RvMP, 62, 801
[29] Bethe, H. A. & Brown, G. E. Evolution of Binary Compact Objects That Merge, 1998, ApJ, 506, 780
[30]Wark, David, The Supreme Problem Solver, Nature, 445, 7124, 149
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