量子力学的黄金时代

作者: 史晓雷

来源: 史晓雷个人博客

发布日期: 2013-11-28 13:40:08

20世纪的前30年是物理学的黄金时代,量子力学和相对论成为现代物理学的两大支柱。这一时期涌现了众多物理学巨匠,如普朗克、爱因斯坦、玻尔等,他们的贡献推动了量子力学的发展,形成了量子力学的哥本哈根解释,其中包括玻恩的几率波、海森堡的测不准原理和玻尔的互补原理。量子力学的建立不仅是科学理论的突破,也是人类智慧的体现。

20世纪的前30年,是17世纪科学革命之后物理学的又一个黄金时代,是一个需要巨人并且产生了巨人的时代。一位位物理巨擎像雅典卫城帕台农神庙的石柱支撑起了现代物理学的大厦。在大厦的根基处,是两块巨石,一块是相对论,一块是量子力学。

相对论的历史,是以爱因斯坦为核心的,尤其在与广义相对论厮杀的战场上,他是笑傲群雄的孤胆英雄。量子力学则色彩斑斓、风云际会、大师云集,普朗克、爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森堡、狄拉克、薛定谔、德布罗意、泡利是量子宇宙中灼灼生辉的头等亮星。没有哪一段科学史像量子力学这般引人入胜,这般大气磅礴。

1900年,英国的大科学家开尔文在回望自牛顿以来的物理学成就时,认为经典物理学的大厦已经完工,剩下的无非是修修补补的零活。不过,他也指出晴朗的物理学天空上还飘着令人不安的两朵乌云。事情的进展被他言中而又远远超出了他的想象,这两朵乌云竟然引发了新的物理学革命。其中导致量子论(量子力学的前身)的那朵乌云,叫“紫外灾难”。普朗克是经典物理学的第一个“背叛”者,尽管当初他是何等的不情愿。

能量的量子化的确是一个石破天惊的想法,难以想象在经典物理学沉浸多年的普朗克是如何迈出那一步的。1900年的10月19日,是现代物理学的幸运日,普朗克在柏林的物理学会上提出了著名的黑体辐射公式,很快得到了实验的确证。同年12月14日,普朗克在德国物理学会上宣读了一篇影响深远的论文《关于正常光谱的能量分布定律的理论》,宣告了量子论的诞生。这一天后来被纪念为量子论的诞生日。

如果说19世纪末物理学的三大发现(X射线、放射性、电子)使人们看到了新物理学的曙光,那么普朗克提出的公式E=hν,则拉开了20世纪现代物理学的帷幕。幽谷弹琴伴孤影,高山流水觅知音。普朗克一等就是五年,首先回应普朗克的是瑞士伯尔尼专利局的一位三级技术员。他的名字后来成了20世纪科学的化身,他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

1905年,是现代物理学上的奇迹年,这一年爱因斯坦发表了4篇划时代的论文,其中与量子力学发展密切相关的便是提出光量子假说的那篇。那篇论文是他唯一自己称之为具有“革命性”的一篇论文,就连同年发表的关于狭义相对论的那篇他都没有给予如此的称谓。这篇论文提出了光电效应方程,把普朗克的量子理论向前推进了一大步,成了后来波动力学的基点。16年之后他也因此而获得了诺贝尔物理学奖。革命自有后继人。

1913年,小爱因斯坦6岁的玻尔发表了后来被称为“物理学伟大的三部曲”的三篇漂亮论文。玻尔成了一位神奇的魔术师,他把电子的跃迁限制为一个个定态之中,驱散了连续性的幽灵。他创建了一套新的原子结构模型——原子轨道化模型。可能由于玻尔早年在曼彻斯特受卢瑟福熏陶,后来他也成了像卢瑟福那样的一代宗师。

卢瑟福在担任卡文迪许实验室主任时提出了原子结构的太阳系模型,他本人也像“太阳”一样,吸引了众多的“行星”绕其运转。玻尔也是如此,正

是他使丹麦的哥本哈根成了量子力学发展史上的“圣城麦加”。量子力学的一代才俊在那里壮大成长,担负起了令人嫉妒的历史使命。

1925年,是新旧量子力学的分界线。德国的年轻后生,24岁的海森堡用了一种神奇的数学手段“矩阵”很快解释了塞曼效应并且克服了玻尔所无法解释的难题。

在向量子力学辉煌顶峰的进军途中,另一条道路同样精彩。这条道路的历史渊源可以上溯到牛顿和惠更斯关于波的本性的争论,之后经过了N次交锋,引无数物理巨匠竞折腰,使得微粒说和波动说各自赢得了一批拥趸。上面提到的1905年爱因斯坦提出的光量子假说,它成功地解释光电效应现象,从而使得普朗克的量子理论第一次被赋予了实在的物理意义。光量子假说第一次揭示了光的波粒二象性,也就是说光兼备粒子和光波的特性。

法国的德布罗意在探求波的本质时,异曲同工地迈向了量子力学的巅峰。下面出场的这位与一只该死的“猫”永远地纠缠在了一起,他叫薛定谔,每一本提及量子力学的书中都会提到那只令人无限反感的“薛定谔猫”。当然,关于那只“猫”是死是活是薛定谔在1935年对量子力学不完备性批评的一个思想实验。有趣的是,薛定谔的情感世界也像那只猫一样令人充满了无限遐想,他成了那个时代绯闻最盛的科学家。

受爱因斯坦和德布罗意的启发,1926年薛定谔创建了波动力学,波动力学的结晶便是在量子力学中赫赫有名的薛定谔方程。因为波动力学用到的数学工具是微分方程,比起海森堡所用的矩阵要友善得多,很快得到了物理学界的青睐。

量子力学的大厦已经矗立,凯歌奏响,锣鼓喧天。但月盈则亏,世事万变,1926年,玻恩抛给了量子力学一个惊人的概念“几率波”。当时众多物理学家不能容忍,因为物理学不是赌场,怎么能容忍下赌注呢!背叛,绝对是背叛。自牛顿建立起恢宏的决定论世界之后,大自然的一切尽在掌握之中,怎么能够出现这种不确定性的怪论呢!刚刚统一了的量子力学被玻恩的一番解释搅了个天昏地暗。

1927年,海森堡提出了量子力学的一个基本原理“测不准原理”。同年,玻尔在哲学意义上提出了“互补原理”,认为微观粒子的波动性和粒子性相互补充、同时存在。这样,玻恩对波函数的统计解释、海森堡的测不准原理和玻尔的互补原理构成了量子力学哥本哈根解释的“铁三角”。1927年10月,第五届索尔维会议在比利时的布鲁塞尔召开。那张与会科学家的合影被誉为科学史上最强阵容的集体照,应该不是虚言。

除了一些实验物理学家外,与会者明显分为两派:一派以玻尔为主帅,玻恩、海森堡为哼哈二将,力挺哥本哈根解释;另一派以爱因斯坦为核心,德布罗意和薛定谔为左右都尉,坚守因果律的阵地。会议期间,双方剑拔弩张、硝烟四起。玻尔一派嘲笑爱因斯坦一方冥顽不化,爱因斯坦一方鄙视玻尔一派的“骰子”玩法。结果各持己见,不欢而散。

1930年之后,量子力学巍峨的大厦依然会不时地受到暴风雨的洗礼。但是,每一次它都站稳了脚跟。它也不时地会遭遇噩梦,比如那只不祥的“薛定谔的猫”。但是科学有它的铁律,正如那位对“邦戈”鼓和物理学一样痴迷的费曼所言,“只要理论与实验不符,它就是错误的”。在这个意义上,量子力学谱就了一曲高亢的凯歌。

回眸20世纪量子力学的那30年,每一个对人类智慧充满好奇的人,在心灵上都会感受到持久的震撼。

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