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量子力学——回味

2019年6月2日  来源:蔲享学术 作者: 提供人:kecai28......

8、回味

这是一段令人震撼同时也是令人回味无穷的历史。人们可以从不同的侧面来回顾这段历史并以此来展望未来。我在这里重点回味一下我们的英雄,总结一下他们各自的特点和在这段历史中扮演的角色。

普朗克是一个典型的大学教授,扎实、锲而不舍、刨根问底,尽量去完善已有的理论而不是去突破它。这些品质决定了普朗克是一个“不情愿的革命者”。凭着刨根问底的精神,他发现了“量子”。但随后普朗克不是去继续发展“量子”,反而总是试图通过完善经典理论来消除“量子”,把自己推开的量子之门关上。

爱因斯坦则无疑是一个千年难得的天才。首先他单枪匹马创立了相对论,其次他在量子理论发展上所做出的贡献和所起的作用也是无人能比的。在玻尔提出原子的量子理论以前,爱因斯坦几乎是孤身一人在支撑量子理论的发展。他发展了普朗克的“量子”概念,认为光具有粒子性。爱因斯坦从来没有想走回头路,而是继续向前,他进而将普朗克的黑体辐射公式成功应用于固体比热问题。他的自发辐射理论完善了旧的玻尔-索末菲尔德量子理论。在新量子理论的发展中,爱因斯坦又担当起来了穿针引线的作用。玻色和德·布罗意当时都是默默无名的物理学家,爱因斯坦慧眼识才,一眼看出了他们工作的重要性,并积极介绍给其他人。即使在晚年,他对量子力学的大声质疑也促进了量子力学的发展,促使人们深入思考量子纠缠这个在早期量子力学发展中被忽视的概念。

玻尔早期是一个冲锋陷阵的士兵。他的原子理论是量子理论发展的一个拐点,彻底改变了量子理论不受重视的局面。到量子理论发展的后期,玻尔则更多地扮演了导师的角色。和索末菲尔德、玻恩一起建立了三个活跃的量子理论发展的中心,哥本哈根、慕尼黑和哥廷根。他们一起培养了一批能力超凡的年轻物理学家,最突出的代表就是海森堡和泡利。海森堡就是在这三个中心之间穿梭,深刻了解了旧量子理论的局限性,最后发展了矩阵力学。

比较爱因斯坦和玻尔总是非常有趣。他们都在早期对量子理论做出了革命性的贡献,对它的发展起了决定性的作用。到后来他们都不再冲锋陷阵,而是通过积极帮助年轻人来推动量子理论的发展。但他们帮助年轻人的方式非常不一样。爱因斯坦不是一个好导师,不喜欢将自己置身于学生之中,几乎不和学生合作开展研究。他完全是依靠自己独特的洞察一切的眼光,通过发现年轻人工作的重要性来帮助他们。玻尔则喜欢和学生交谈,和他们一起思考和讨论问题。他和索末菲尔德、玻恩一样,是先发现有才能的年轻人,然后引导他们去攻城拔寨。

量子力学发展的后期,涌现了一批年轻而天才的物理学家,他们迅速地取得一个又一个突破,在短短的三年时间里建立了一个全新的量子理论。“八仙过海、各显神通”是对他们最确切的描述。

德·布罗意出生贵族,衣食无忧,凭着自己的兴趣弃文学理。这种背景注定了他不受成见的束缚,在几乎没有他人讨论的情况下提出了粒子即波、波即粒子的革命性概念。

狄拉克则出生普通中产家庭,似乎患有自闭症,不但不善与人进行日常交流,也几乎不和别人合作和讨论物理问题。但他凭着自己绝对的天才,傲步于物理学界。他不但做出了前面描述的重要工作,后来更是通过和狭义相对论结合,提出了一个新的波动方程,狄拉克方程,预言了反粒子的存在。

费米也是一个难得的天才,几乎是自学成才。和狄拉克不一样,费米善于和人交流,更注重物理的直觉而不是数学的优美。后来费米在粒子物理方面做出了很多杰出的贡献,比如搭建了第一个核反应堆,领导了曼哈顿计划。

泡利和海森堡几乎有着相同的成长轨迹,先是师从索末菲尔德,后来成为玻恩和玻尔的助手。只是泡利年长一岁。从基本科研素质而言,泡利无疑是更优秀的,18岁便已经开始研究广义相对论;而海森堡则具有明显的知识缺陷,比如博士答辩时不能解释显微镜的工作原理。最后海森堡在量子理论的发展上却做出了更大的贡献。原因是,海森堡更勇敢,更愿意抛弃旧的理论。海森堡的勇敢或许来自他知识的缺陷:缺陷越多,束缚越小。

玻色的成功非常独特。他热爱物理,但没有得到机会去欧洲留学接受当时最好的物理教育。可能就是这个原因,他最后误打误撞突破了经典理论,提出了新的量子统计。

在这些新量子理论的开创者中,薛定谔是最年长的了。前面那些年轻人都只有二十几岁,而1926年时,薛定谔已经39岁了。他和普朗克一样,在突破以前几乎没有什么特别有影响力的科研成果。但和普朗克又不一样,他随后全身投入了量子力学的发展,量子纠缠也是他最早注意到的。薛定谔写的一本书《什么是生命》在生物界也影响广泛。发现DNA 螺旋结构的生物学家詹姆斯·沃森(James Watson, 1928-)一开始对鸟类学感兴趣,读了这本书之后转而开始研究基因。

这一切告诉我们一个明确的道理:科学的突破是没有固定模式的。

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笔者的历史资料来自如下几本书和Wikipedia:

注解:

【1】普朗克的这个推导其实也还是错的;直到 1924 年,印度物理学家玻色才第一次给出了黑体辐射公式的正确推导。

【2】根据最新国际计量标准(the International System of Unites(SI))的规定, 这两个物理常数确定地具有这两个值,没有任何误差。

1. Walter J. Moore, Schr?dinger: Life and Thought (Cambridge University Press, Cambridge, UK) 1989;

2. Helge Kragh, Quantum generations (Princeton University Press, NewJersey, USA) 1999;

3. David D. Cassidy, Beyond Uncertainty (Bellevue Literary Press, New York, USA) 2009;

4. Kameshwar C. Wali, Satyendra Nath Bose: His life and times (World Scientific, Singapore) 2009;

5.格雷姆·法米罗(Graham Farmelo,兰梅译),《量子怪杰:保罗·狄拉克传》(重庆大学出版社,2015)

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